一种钢渣高强微晶玻璃及其制备方法与流程

2021-01-31 05:01:41|

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本发明属于微晶玻璃材料技术领域，特别涉及一种钢渣高强微晶玻璃及其制备方法。

背景技术：

微晶玻璃作为一种新型无机非金属材料，具有原料廉价易得、制备工艺简单及性能优异等特点，是一种高性能、低成本、应用市场广阔的材料。以工业废渣为主要原料来制备微晶玻璃对固体废弃物的综合利用具有重要的意义，不仅可以大幅度降低产品生产成本，而且可以有效地保护生态环境。

钢渣是在炼钢生产过程中排放的固体废弃物，随着钢产量提升，钢渣排放量也在不断上升。如今70％的钢渣仍处于填埋与堆存状态，从而造成严重的环境污染以及资源浪费；较少数钢渣的资源化利用主要用于道路和混凝土掺合料，但由于钢渣的安定性和胶凝性较差，导致产品附加值较低；钢渣中主要成分为氧化钙、二氧化硅、铁氧化物和氧化铝等，这些氧化物正是制备微晶玻璃的原料；因此，利用钢渣制备微晶玻璃不仅可以处理大量堆置的钢渣，还可以得到强度高、密度高、吸水率低的高性能微晶玻璃。

中国专利申请cn103145337a公开一种钢渣制备透明微晶玻璃的方法，将钢渣干燥球磨并除铁后制成粒径为0.15mm的粉末，再将钢渣粉末与石英砂、硝酸钠、硝酸钡、氧化锌和二氧化铈混匀作为原料来制备强度为39mpa的微晶玻璃，其强度较低。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种钢渣高强微晶玻璃及其制备方法，以解决现有采用钢渣制备的微晶玻璃强度较低的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种钢渣高强微晶玻璃，以质量百分比计，采用以下原料制备而成：钢渣40％-70％、二氧化硅24.3％-35％、氧化铝4％-15.5％、氧化镁1％-7％、助熔剂0.5％-1.5％及稳定剂0.2％-1.0％；其中，助熔剂采用硼砂和硼泥中的一种或两种，稳定剂采用氯化锡和硝酸锡中的一种或两种。

进一步的，所述钢渣高强微晶玻璃的主晶相为钙长石和黄长石，主晶相体积含量为40％-55％；其中，黄长石的体积含量占主晶相10％-20％，黄长石呈颗粒状紧密分布于钙长石周边。

进一步的，二氧化硅、氧化铝及氧化镁的粒度均为0.5mm-3mm。

进一步的，钢渣采用电炉渣。

本发明还提供了一种钢渣高强微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将原料按照设计比例混合均匀，得到混合料；

步骤2、将混合料送入高温炉中，在弱氧化气氛条件下，熔融，澄清，得到玻璃液；并对熔融澄清的玻璃液成型，保温退火后，随炉冷却至室温，得到基础玻璃；

步骤3、将基础玻璃置于热处理炉窑内，进行核化、晶化处理，冷却得到所述钢渣高强微晶玻璃。

进一步的，步骤2中，弱氧化气氛条件采用在熔融过程持续向高温炉中通入弱氧化气体；弱氧化气体为co2和n2的混合气体，其中混合气体中co2的体积分数为35％-75％。

进一步的，步骤2中，弱氧化气体以0.6-1.2m/min的速率从高温炉底部通入到高温炉中。

进一步的，步骤2中，熔融过程采用升温至1450-1500℃并保温80-100min进行熔融，澄清；成型过程采用将熔融澄清的玻璃液倒入预热到550-600℃的模具内，浇注成型并保温100-120min。

进一步的，步骤3中，核化处理为以7-9℃/min的升温速率升至750-800℃，保温80-100min。

进一步的，步骤3中，晶化处理为以4-6℃/min的升温速率升至900-950℃，保温100-120min，随炉冷却至室温。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种钢渣高强微晶玻璃，以钢渣为主要原料，配以二氧化硅、氧化铝及氧化镁作为辅料，并加入助熔剂和稳定剂，制备得到强度可达109.66mpa的高强微晶玻璃，实现了钢渣的高值利用，避免了钢渣对环境的污染，有效降低了微晶玻璃的生产成本，提高了产品的附加值。

进一步的，钢渣高强微晶玻璃的主晶相为钙长石和黄长石，主晶相可控并不产生其他晶相，保证了制备过程ro相，即二价金属氧化物形成的固熔体的生成，有效提高了钢渣高强微晶玻璃的较高的抗折强度及低吸水率性能

进一步的，采用将二氧化硅、氧化铝及氧化镁的辅料粒度控制在为0.5mm-3mm，确保了不会因为辅料粒度过小而造成的反应过程难以控制；同时避免了不因辅料粒度过大而造成的辅料难以参与反应，实现了对钢渣高强微晶玻璃反应过程的有效控制，确保了钢渣高强微晶玻璃的产品质量。

进一步的，钢渣采用电炉渣，由于电炉渣较难处理，而利用其制备微晶玻璃却可以得到性能很好的材料；不仅可以缓解电炉渣带来的环境问题，还可以变废为宝，得到可以应用的高性能材料。

本发明还提供了一种钢渣高强微晶玻璃的制备方法，采用在弱氧化气氛条件进行熔融澄清，有效控制高温炉内氧势大小；在弱氧化气氛条件下熔融澄清，能够将原料中的mn²⁺氧化为mn³⁺及将fe²⁺氧化为fe³⁺；通过加入稳定剂，有效保证了mn²⁺/mn³⁺含量保持在40％-50％，及fe²⁺/fe³⁺含量保持在20％-35％，从而在冷却过程中阻止了ro相，例如：mno、mgo以及feo等二价金属氧化物形成的固熔体的生成，确保了最终钢渣高强微晶玻璃中主晶相可控并不产生其他晶相，有效提高了钢渣高强微晶玻璃的高强度及低吸水率性能；本发明无需外配晶核剂，其中，钢渣中fe²⁺作为网络间隙离子，破坏玻璃中硅氧网络结构，降低玻璃的黏度并促进析晶；而钢渣中过多fe²⁺造成的析晶会造成微晶玻璃强度降低等问题，因此，通入弱氧化气氛可以将钢渣中的fe²⁺氧化为fe³⁺，大部分的fe³⁺以带负电的[feo4]^5-进入玻璃相中四面体位置，起到补网的作用并抑制结晶；fe²⁺与fe³⁺的平衡，不仅不用外配晶核剂，还可以避免过量析晶带来的微晶玻璃强度降低等问题。

进一步的，弱氧化气氛条件采用向高温炉中通入co2和n2的混合气体形成，利用弱氧化气氛条件，实现了对mn²⁺及fe²⁺的部分氧化，实现了对mn²⁺/mn³⁺及fe²⁺/fe³⁺的含量保持平衡，避免了冷却过程二价金属氧化物形成的固熔体的生成，确保了最终实现钢渣高强微晶玻璃时，主晶相可控并不产生其他晶相，有效提高了钢渣高强微晶玻璃的高强度及低吸水率性能。

进一步的，采用在高温炉底部较快速通入弱氧化气体，对高温炉中的原料提供了搅拌动力，使反应更充分、混合更均匀，从而缩短熔融以及冷却时间并提高反应速率。

本发明所述的一种钢渣高强微晶玻璃及其制备方法，所制备的钢渣高强微晶玻璃的物理性能良好，满足国家标准gb/t996-2001对建筑微晶玻璃的要求是抗折强度大于30mpa；所述钢渣高强微晶玻璃表现出了较好的抗折强度，其抗折强度达到93.78-109.66mpa，吸水率为0.015-0.045％，密度为2.58-2.83g/cm³。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种钢渣高强微晶玻璃，以质量百分比计，采用以下原料制备而成：钢渣40％-70％、二氧化硅24.3％-35％、氧化铝4％-15.5％、氧化镁1％-7％、助熔剂0.5％-1.5％及稳定剂0.2％-1.0％；其中，助熔剂采用硼砂和硼泥中的一种或两种，稳定剂采用氯化锡和硝酸锡中的一种或两种；所述钢渣高强微晶玻璃的主晶相为钙长石和黄长石，其中，钢渣高强微晶玻璃的主晶相体积含量为40％-55％；且黄长石的体积含量占主晶相总体积的10％-20％，黄长石呈颗粒状紧密分布于钙长石周边；其中，钢渣采用电炉渣；二氧化硅、氧化铝及氧化镁的粒度均为0.5mm-3mm。

本发明还提供了一种钢渣高强微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将原料按照设计比例混合均匀，得到混合料。

步骤2、将混合料送入高温炉中，以0.6-1.2m/min的速率从高温炉底部持续向高温炉中通入弱氧化气体，在高温炉中形成弱氧化气氛；其中，弱氧化气体采用co2和n2的混合气体，混合气体中co2的体积分数为35％-75％；采用升温至1450-1500℃并保温80-100min进行熔融，澄清，得到熔融澄清的玻璃液；然后将熔融澄清的玻璃液倒入预热到550-600℃的模具内，浇注成型，并保温100-120min退火后，随炉冷却至室温，得到基础玻璃；

步骤3、将基础玻璃置于热处理炉窑内进行核化、晶化处理，随炉冷却至室温，得到所述钢渣高强微晶玻璃；其中，核化处理为以7-9℃/min的升温速率升至750-800℃，保温80-100min；晶化处理为以4-6℃/min的升温速率升至900-950℃，保温100-120min。

本发明所述的一种钢渣高强微晶玻璃的制备方法，采用在弱氧化气氛条件进行熔融澄清，有效控制高温炉内氧势大小；在弱氧化气氛条件下熔融澄清，能够将原料中的mn²⁺氧化为mn³⁺及将fe²⁺氧化为fe³⁺；通过加入稳定剂，有效保证了mn²⁺/mn³⁺含量保持在40％-50％，及fe²⁺/fe³⁺含量保持在20％-35％，从而在冷却过程中阻止了ro相，例如：mno、mgo以及feo等二价金属氧化物形成的固熔体的生成，确保了最终实现钢渣高强微晶玻璃时，主晶相可控并不产生其他晶相，有效提高了钢渣高强微晶玻璃的高强度及低吸水率性能；本发明无需外配晶核剂，其中，钢渣中fe²⁺作为网络间隙离子，破坏玻璃中硅氧网络结构，降低玻璃的黏度并促进析晶；而钢渣中过多fe²⁺造成的析晶会造成微晶玻璃强度降低等问题，因此，通入弱氧化气氛可以将钢渣中的fe²⁺氧化为fe³⁺，大部分的fe³⁺以带负电的[feo4]^5-进入玻璃相中四面体位置，起到补网的作用并抑制结晶；fe²⁺与fe³⁺的平衡，不仅不用外配晶核剂，还可以避免过量析晶带来的微晶玻璃强度降低等问题；其中，利用弱氧化气氛条件，实现了对mn²⁺及fe²⁺的部分氧化，实现了对mn²⁺/mn³⁺及fe²⁺/fe³⁺的含量保持平衡，避免了冷却过程二价金属氧化物形成的固熔体的生成，确保了最终实现钢渣高强微晶玻璃时，主晶相可控并不产生其他晶相，有效提高了钢渣高强微晶玻璃的高强度及低吸水率性能；采用在高温炉底部较快速通入弱氧化气体，对高温炉中的原料提供了搅拌动力，使反应更充分、混合更均匀，从而缩短熔融以及冷却时间并提高反应速率。

实施例1

本实施例1中提供了一种钢渣高强微晶玻璃及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照质量百分比称量电炉渣40％、sio235％、al2o315.5％、mgo7％、助熔剂0.5％、及稳定剂1.0％混合均匀，得到混合料；其中，助熔剂采用硼砂和硼泥中的一种或两种，稳定剂采用氯化锡和硝酸锡中的一种或两种。

步骤2、将混合料送入高温炉内，以0.6m/min的速率从高温炉底部持续向高温炉中通入弱氧化气体，在高温炉中形成弱氧化气氛；其中，混合气体中co2的体积分数为35％；再升温至1450-1500℃并保温80-1000min进行熔融，澄清，得到熔融澄清的合格玻璃液；然后将熔融澄清的合格玻璃液倒入预热到550-600℃的模具内浇注成型，并保温100-120min退火后，随炉冷却到室温得到基础玻璃。

对实施例1中制备的钢渣高强微晶玻璃进行性能测试，得到所述钢渣高强微晶玻璃的抗折强度为93.78mpa，吸水率为0.032％，密度为2.58g/cm³；对实施例1中制备的钢渣高强微晶玻璃的晶相分析，所述钢渣高强微晶玻璃的主晶相为钙长石和黄长石，其中，钢渣高强微晶玻璃的主晶相体积含量为40％；且黄长石的体积含量占主晶相总体积的10％。

实施例2

本实施例2中提供了一种钢渣高强微晶玻璃及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照质量百分比称量电炉渣55％、sio230％、al2o39.4％、mgo4％、、助熔剂1％、及稳定剂0.6％混合均匀，得到混合料；其中，助熔剂采用硼砂和硼泥中的一种或两种，稳定剂采用氯化锡和硝酸锡中的一种或两种。

步骤2、将混合料送入高温炉内，以0.9m/min的速率从高温炉底部持续向高温炉中通入弱氧化气体，在高温炉中形成弱氧化气氛；其中，混合气体中co2的体积分数为55％；再升温至1450-1500℃并保温80-1000min进行熔融，澄清，得到熔融澄清的合格玻璃液；然后将熔融澄清的合格玻璃液倒入预热到550-600℃的模具内浇注成型，并保温100-120min退火后，随炉冷却到室温得到基础玻璃。

对实施例2中制备的钢渣高强微晶玻璃进行性能测试，得到所述钢渣高强微晶玻璃的抗折强度为101.92mpa，吸水率为0.045％，密度为2.74g/cm³；对实施例2中制备的钢渣高强微晶玻璃的晶相分析，所述钢渣高强微晶玻璃的主晶相为钙长石和黄长石，其中，钢渣高强微晶玻璃的主晶相体积含量为48％；且黄长石的体积含量占主晶相总体积的15％。

实施例3

本实施例3中提供了一种钢渣高强微晶玻璃及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照质量百分比称量电炉渣70％、sio224.3％、al2o34％、mgo1％、助熔剂0.5％、及稳定剂0.2％混合均匀，得到混合料；其中，助熔剂采用硼砂和硼泥中的一种或两种，稳定剂采用氯化锡和硝酸锡中的一种或两种。

步骤2、将混合料送入高温炉内，以1.2m/min的速率从高温炉底部持续向高温炉中通入弱氧化气体，在高温炉中形成弱氧化气氛；其中，混合气体中co2的体积分数为75％；再升温至1450-1500℃并保温80-1000min进行熔融，澄清，得到熔融澄清的合格玻璃液；然后将熔融澄清的合格玻璃液倒入预热到550-600℃的模具内浇注成型，并保温100-120min退火后，随炉冷却到室温得到基础玻璃。

对实施例1中制备的钢渣高强微晶玻璃进行性能测试，得到所述钢渣高强微晶玻璃的抗折强度为109.66mpa，吸水率为0.015％，密度为2.83g/cm³；对实施例1中制备的钢渣高强微晶玻璃的晶相分析，其所述钢渣高强微晶玻璃的主晶相为钙长石和黄长石，其中，钢渣高强微晶玻璃的主晶相体积含量为55％；且黄长石的体积含量占主晶相总体积的20％。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

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