一种利用脱硫粉煤灰制备微晶玻璃的方法

摘要

本发明的目的是为了对脱硫粉煤灰进行再利用，提供了一种利用脱硫粉煤灰制备微晶玻璃的方法，属于微晶玻璃制备技术领域。该方法为：配料：将原料按如下质量百分含量配料：粉煤灰35％-40％，SiO

说明书

技术领域

本发明属于微晶玻璃制备技术领域，特别涉及一种利用脱硫粉煤灰制备微晶 玻璃的方法。

背景技术

微晶玻璃，又称玻璃陶瓷，是综合玻璃和陶瓷技术发展起来的一种新型材料， 是微晶体和玻璃相均匀分布的材料，其理化性能集中了玻璃、陶瓷及天然石材的 三重优点，如机械强度高、耐腐蚀、耐热、耐磨、抗氧化性能好、电性能优良、 膨胀系数可调、热稳定性好等，且比陶瓷的亮度高，比玻璃韧性强，可用于建筑 幕墙及室内高档装饰，还可做机械上的结构材料，电子、电工上的绝缘材料，大 规模集成电路的底板材料，微波炉耐热系列器皿，化工与防腐材料和矿山耐磨材 料等等，是具有发展前途的21世纪的新型材料。因而广泛用于电子、化工、军事、 航天、核工业和建筑等领域。因微晶玻璃可用矿石、工业尾矿、冶金矿渣、粉煤 灰、煤矸石等作为主要生产原料，且生产过过程中无污染，产品本身无放射性污 染，故又被称为环保产品或绿色材料。

目前，利用矿渣制造微晶玻璃在国内已有大量研究。如重庆市硅酸盐研究所 申请号为89105864.8的中国专利，用含钛的炉渣制微晶制品；重庆建筑工程学院 专利号为ZL90106159.X的中国专利，利用废铬渣制造出微晶玻璃建筑饰面板；武 汉理工大学申请号为200610019268.5的中国专利，利用黄磷炉渣、钽铌尾矿制造 除了微晶玻璃制品。但是目前对脱硫粉煤灰为主要原料制备微晶玻璃的研究、投 产未见报道。由于随着环境治理方面的加强电厂等企业将排放大量的脱硫粉煤灰， 露天堆放，既占用了土地，还容易造成粉尘污染、污染水源和危害环境。

因此，有必要对脱硫粉煤灰进行再利用。

发明内容

本发明的目的是为了对脱硫粉煤灰进行再利用，提供了一种利用脱硫粉煤灰制 备微晶玻璃的方法。该方法以粉煤灰为主要原料，以氧化镁、碳酸钠、氧化锌等 化学纯试剂为辅料制备微晶玻璃。与传统制备的微晶玻璃相比，本发明生产的微 晶玻璃表面光洁度好、机械强度高、硬度大、具有良好的热震性、耐腐蚀性和耐 磨性。

一种利用脱硫粉煤灰制备微晶玻璃的方法，包括如下步骤：

1)配料

将原料按如下质量百分含量配料，总含量为100％：粉煤灰35％-40％，SiO₂10％-15％，CaCO₃20％-30％，MgO0-5％，Na₂CO₃5-10％，ZnO0-5％，H₃BO₃0-5％， CaF₂0-5％，Li₂O0-5％；

其中，脱硫粉煤灰中各组分的质量百分含量为：SiO₂45-60％，Al₂O₃25-35％， Fe₂O₃5-10％，CaO0-8％，TiO₂0-5％，K₂O0-5％，MgO0-5，Na₂O0-5％，其他0-5％； 并且，SiO₂、CaCO₃、MgO、Na₂CO₃、ZnO、H₃BO₃、CaF₂、Li₂O的纯度为化学 纯；

2)球磨混合

将按上述比例配好的原料球磨2～3h，磨成细度为0.03～0.05mm、混合均匀的 细粉；

3)原料预热

将原料细粉以8～13℃/min的升温速率从室温加热至1000～1300℃；

4)熔融

将预热后的原料加热至1440～1480℃，升温速率为5～10℃/min，保温1～2h， 得到均匀无气泡的物料熔体；

5)铸型

将钢模预热至400～600℃后将熔体倒入钢模中，然后将钢模移到温度为400～ 600℃的加热炉中，随炉冷却成型，得到基础玻璃；

6)差热分析

对基础玻璃进行差热分析，根据差热曲线确定物料确切的核化、晶化温度；

7)核化

将冷却后的基础玻璃升温至500～800℃进行核化，使基础玻璃中产生能够生 成结晶的晶核，升温速率为5～10℃/min，核化保温时间2～4h，得到核化物料；

8)晶化

再将核化物料升温至700～1000℃进行晶化，使基础玻璃中生成结晶，升温速 率为5～10℃/min，晶化保温时间3～5h，然后随炉冷却得到微晶玻璃。

通过上述方法制备的微晶玻璃主晶相为钙铝黄长(Ca₂Al₂SiO₇)和钙长石 (CaAl₂Si₂O₈)。

将上述方法制得的微晶玻璃经过切割、研磨和磨抛光后成为可以供各领域使用 的微晶玻璃成品。

经检测，上述方法制备的微晶玻璃具有良好的机械性能和化学稳定性，其抗压 强度平均达到145MPa以上，硬度达到500HV以上；而且各项物理性能也表现良 好，密度为2.01～2.82g/cm³，吸水率为0.21～0.37％，耐酸性为0.86～1.31％。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的方法简单，易操作。

2、本发明中脱硫粉煤灰原料使用量可达到50％左右，充分利用了工业废弃物， 并且有效的降低了原料费用。

3、本发明中的原料SiO₂、CaCO₃、MgO、Na₂CO₃、ZnO、H₃BO₃、CaF₂、Li₂O 的纯度为化学纯，其目的在于：可以准确控制原料用量，合理控制微晶玻璃的成 分，从而得到性能优良的产品。

4、本发明生产的微晶玻璃平面度好、机械强度高、硬度大、具有良好的抗热 性、抗弯曲强度、耐腐蚀性和耐磨性，产品可制成各类管材、板材，可广泛应用 于建筑上的耐磨耐腐蚀材料、建筑装饰材料、实验室用加热器具、高温热交换器、 代石英玻璃、高温窗等。

附图说明

图1、本发明工艺流程示意图。

图2、本发明实施例1、2和3微晶玻璃的X射线衍射图谱，图中◆为钙铝黄 长石(Ca₂Al₂SiO₇)，★为霞石(NaAlSiO₄)，●为钙长石(CaAl₂Si₂O₈)。

具体实施方式

下面结合具体的具体实施方式对本发明的内容作进一步说明和补充。

本发明采用的实验仪器见表1。

表1、实验仪器统计表

下述所用粉煤灰的组分和含量为：SiO₂52.03％，Al₂O₃30.15％，Fe₂O₃7.29％， CaO4.38％，TiO₂1.60％，K₂O1.56％，MgO0.52％，Na₂O0.32％，其他2.15％。 本发明的粉煤灰的组分和含量不限于该固定含量，质量百分含量为：SiO₂45-60％， Al₂O₃25-35％，Fe₂O₃5-10％，CaO0-8％，TiO₂0-5％，K₂O0-5％，MgO0-5，Na₂O 0-5％，其他0-5％的粉煤灰均可实现本发明。

其他原料均为市购，纯度为化学纯。

实施例中采用的性能测试方法：

1、差热分析及：在HCT-2型差热分析仪上进行差热分析，确定核化和晶化 温度。

2、晶相分析：用DX-2500XX-Ray衍射仪进行XRD分析，确定微晶玻璃的 主晶相。

3、抗折强度测试：采用WDW3100型微控电子万能试验机利用三点弯曲法测 定样品的抗折强度。

4、显微硬度测定：用HXD-1000数字显微硬度测试仪测定样品的硬度，每个 样品测三个点，用平均值表示其显微硬度。共测三个样品，最后计算三个样品的 显微硬度的平均值。

实施例1

各原料质量百分含量组成为：

1)配料：按上述原料配料表进行配料；

2)球磨混合：将粉煤灰和其它原料加入到型号为QM-3SP2的行星式振动球磨 机球磨混合3h，球磨成细度为0.03mm、混合均匀的细粉；

3)原料预热：在加热炉内将原料从室温升至1000℃，升温速率为8℃/min；

4)熔融：将预热后的物料加热至熔融温度1440℃，升温速率为5℃/min，保 温1h，得到均匀无气泡的物料熔体；

5)铸型：将钢模放入加热炉预热至400℃，再将均匀无气泡的熔体倒入钢模 中，然后将其移到400℃加热炉中，随炉温自然冷却成型，得到基础玻璃；

6)差热分析：对基础玻璃进行差热分析，根据差热曲线测出该物料的核化温 度为500℃、晶化温度为700℃；

7)核化：将冷却的基础玻璃在500℃进行核化，升温速率为5℃/min，保温2h， 形成核化物料；

8)晶化：再将核化物料升温至700℃进行晶化，升温速率为5℃/min，保温3h， 然后随炉温自然冷却成微晶玻璃。

测试结果：

1、样品外观质量：将制得的微晶玻璃经过切割、研磨和磨抛光后成为成品， 颜色为深灰黑色，表面致密，无气孔等缺陷，抛光后表面光亮。

2、样品的主晶相：钙铝黄长石(Ca₂Al₂SiO₇)和钙长石(CaAl₂Si₂O₈)，如图2 所示。

3、机械性能：平均抗折强度148.6MPa，平均显微硬度547.6HV。

4、物理性能：密度为2.81g/cm³，吸水率为0.21％，耐酸性为1.01％。

对比例1

本对比例采用粉煤灰和普通废玻璃粉末(球磨后粒度在0.7mm)为原料，粉 煤灰与废玻璃粉末的质量比为39.1：60.9，制备方法同实施例1；核化温度为530℃、 晶化温度为670℃。

玻璃粉末各成分的质量百分含量组成为：

测试结果：

1、样品外观质量：将制得的经过切割、研磨和磨抛光后成为成品，与实施例 1的微晶玻璃相比外观的光泽度很差，结晶情况成颗粒状分布，彼此之间排列不紧 密，有些许气孔。

2、样品的主晶相：镁黄长石(Ca₂MgSi₂O₇)，而镁黄长石在密度以及结构强度 上是不及钙铝黄长石(Ca₂Al₂SiO₇)和钙长石(CaAl₂Si₂O₈)。

3、机械性能：平均抗折强度121.6MPa，平均显微硬度450.3HV，较实施例1 得到的微晶玻璃的机械性能差。

4、物理性能：密度为2.79g/cm³，吸水率为0.23％，耐酸性为1.03％。

由对比例可以看出，本发明中的原料SiO₂、CaCO₃、MgO、Na₂CO₃、ZnO、 H₃BO₃、CaF₂、Li₂O的纯度为化学纯，其目的在于：可以准确控制原料用量，合 理控制微晶玻璃的成分，从而得到性能优良的产品。

实施例2

各原料质量百分含量组成为：

1)配料：按上述原料配料表进行配料；

2)混合：将粉煤灰和其它原料加入振动球磨机球磨混合2.5h，球磨成细度为 0.04mm、混合均匀的的细粉；

3)原料预热：在加热炉内将原料从室温升至1200℃，升温速率为10℃/min；

4)熔融：将预热后的物料加热至熔融温度1460℃，升温速率为7℃/min，保 温90min，得到均匀无气泡的物料熔体；

5)铸型：将钢模放入加热炉预热至500℃，再将均匀无气泡的熔体倒于钢模 中成型，然后将其移到500℃加热炉中，随炉温自然冷却，得到基础玻璃；

6)差热分析：对基础玻璃进行差热分析，根据差热曲线测出该物料的核化温 度为750℃、晶化温度为850℃；

7)核化：将冷却的基础玻璃在750℃进行核化，升温速率为7℃/min，保温 3h，形成核化物料；

8)晶化：再将核化物料升温至850℃进行晶化，升温速率为7℃/min，保温 4h，然后随炉温自然冷却成微晶玻璃。

测试结果：

1、样品外观质量：将制得的微晶玻璃经过切割、研磨和磨抛光后成为成品， 颜色为深灰黑色，表面致密，无气孔等缺陷，抛光后表面光亮。

2、样品的主晶相：钙铝黄长石(Ca₂Al₂SiO₇)和钙长石(CaAl₂Si₂O₈)，如图2 所示。

3、机械性能：平均抗折强度158.5MPa，平均显微硬度530.4HV。

4、物理性能：密度为2.83g/cm³，吸水率为0.21％，耐酸性为1.04％。

实施例3

各原料质量百分含量组成为：

1)配料：按上述原料配料表进行配料；

2)混合：将粉煤灰和其它原料加入振动球磨机球磨混合2h，球磨成细度为 0.05mm、混合均匀的的细粉；

3)原料预热：使用加热炉将原料从室温升至1300℃，升温速率为13℃/min；

4)熔融：将预热后的物料加热至熔融温度1480℃，升温速率为10℃/min，保 温2h，得到均匀无气泡的物料熔体；

5)铸型：将钢模放入加热炉预热至600℃，再将均匀无气泡的熔体倒于钢模 中成型，然后将其移到600℃加热炉中，随炉温自然冷却，得到基础玻璃；

6)差热分析：对基础玻璃进行差热分析，根据差热曲线测出该物料的核化温 度为800℃、晶化温度为1000℃；

7)核化：将冷却的基础玻璃升温至800℃进行核化，升温速率为10℃/min， 保温4h，形成核化物料；

8)晶化：再将核化物料升温至1000℃晶化，升温速率为10℃/min，保温5h， 然后随炉温自然冷却成微晶玻璃。

测试结果：

1、样品外观质量：将制得的微晶玻璃经过切割、研磨和磨抛光后成为成品， 颜色为深灰黑色，表面致密，无气孔等缺陷，抛光后表面光亮。

2、样品的主晶相：钙铝黄长石(Ca₂Al₂SiO₇)和钙长石(CaAl₂Si₂O₈)，如图2 所示。

3、机械性能：平均抗折强度160.8MPa，平均显微硬度527HV。

4、物理性能：密度为2.77g/cm³，吸水率为0.28％，耐酸性为0.93％。

实施例4

各原料质量百分含量组成为：

制备方法同实施例1，核化温度为860℃、晶化温度为1100℃。

测试结果：

1、样品外观质量：将制得的微晶玻璃经过切割、研磨和磨抛光后成为成品， 颜色为深灰黑色，表面致密，无气孔等缺陷，抛光后表面光亮。

2、样品的主晶相：钙铝黄长石(Ca₂Al₂SiO₇)和钙长石(CaAl₂Si₂O₈)。

3、机械性能：平均抗折强度145.3MPa，平均显微硬度553.1HV。

4、物理性能：密度为2.80g/cm³，吸水率为0.21％，耐酸性为1.06％。

实施例5

各原料质量百分含量组成为：

制备方法同实施例2，核化温度为780℃、晶化温度为900℃。

测试结果：

1、样品外观质量：将制得的微晶玻璃经过切割、研磨和磨抛光后成为成品， 颜色为深灰黑色，表面致密，无气孔等缺陷，抛光后表面光亮。

2、样品的主晶相：钙铝黄长石(Ca₂Al₂SiO₇)和钙长石(CaAl₂Si₂O₈)。

3、机械性能：平均抗折强度153.3MPa，平均显微硬度536.7HV。

4、物理性能：密度为2.73g/cm³，吸水率为0.31％，耐酸性为1.13％。

实施例6

各原料质量百分含量组成为：

制备方法同实施例3，核化温度为730℃、晶化温度为850℃。

测试结果：

1、样品外观质量：将制得的微晶玻璃经过切割、研磨和磨抛光后成为成品， 颜色为深灰黑色，表面致密，无气孔等缺陷，抛光后表面光亮。

2、样品的主晶相：钙铝黄长石(Ca₂Al₂SiO₇)和钙长石(CaAl₂Si₂O₈)。

3、机械性能：平均抗折强度157.2MPa，平均显微硬度534.3HV。

4、物理性能：密度为2.76g/cm³，吸水率为0.26％，耐酸性为1.06％。

实施例7

各原料质量百分含量组成为：

制备方法同实施例1，核化温度为830℃、晶化温度为1000℃。

测试结果：

1、样品外观质量：将制得的微晶玻璃经过切割、研磨和磨抛光后成为成品， 颜色为深灰黑色，表面致密，无气孔等缺陷，抛光后表面光亮。

2、样品的主晶相：钙铝黄长石(Ca₂Al₂SiO₇)和钙长石(CaAl₂Si₂O₈)。

3、机械性能：平均抗折强度151.2MPa，平均显微硬度542.3HV。

4、物理性能：密度为2.80g/cm³，吸水率为0.28％，耐酸性为1.09％。