一种高炉渣玻璃陶瓷及其制备方法

摘要

本发明属于钢厂废渣处理的技术领域，特别涉及一种高炉渣玻璃陶瓷的制备方法及产品。按质量百分比高炉渣67-84％，SiO21-8％，Na2CO33-5％，MgF29-10％，P2O50-5％，TiO21-5％配比原料研磨混合后的混合料经1300-1450℃熔融2.5-3.5h成玻璃液，将所述玻璃液倒至300℃预热的铜制模具成型，600℃退火2h，最后经710-740℃析晶2h,850-900℃晶化2-3h后退火、冷却。本发明的制备方法工艺简单，熔融温度低，生产过程容易控制，制备得到的玻璃陶瓷力学性能好，耐磨耐腐蚀效果明显，用于工业领域时，显示出极好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于钢厂废渣处理的技术领域，特别涉及一种高炉渣玻璃陶瓷的制备方法及产品。

背景技术

高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的废物，当炉温达到1400-1600℃时，炉料熔融，矿石中的脉石、焦炭中的灰分和助溶剂和其他不能进入生铁中的杂质形成以硅酸盐和铝酸盐为主浮在铁水上面的熔渣。高炉渣中主要成分为CaO、SiO₂、Al₂O₃。由于高炉渣的化学成分与玻璃相似，常规的玻璃陶瓷成分是：12-15％CaO、57-65％SiO₂、6-8％Al₂O₃、6-9％MgO，可以对高炉渣进行成分调整从而直接生产出玻璃陶瓷，其结构中通常含55～98％(体积)微米甚至纳米级的晶体，具有很高的耐磨性、轻质高强、很好的热性能和化学耐腐蚀性能以及良好的绝缘性能，广泛应用于机械、电子和电工、航天、化工防腐、矿山、道路、建筑、医学等方面。高炉渣玻璃陶瓷可以替代锰钢、不锈钢和铸石应用于很多工业领域，例如，在采矿工业中可代替钢材用作导槽、料斗溜槽的衬里，使用寿命可提高5～10倍；用作选煤厂水力旋流器中的锥体，使用寿命相当于碳钢或灰口铸铁的10～12倍，同时减轻重量20％。目前玻璃陶瓷的生产技术中没有以作为工业废料高炉渣主要原料的，本发明提供一种可以对工业废料高炉渣进行综合利用、生产成本低的生产方法。

发明内容

本发明的目的，本发明提供了一种高炉渣玻璃陶瓷及其制备方法，该玻璃陶瓷的力学性能好，耐磨耐腐蚀效果明显，制备的的熔融温度较低。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高炉渣玻璃陶瓷的制备方法，其步骤包括：

(1)按以下质量百分比配比原料：

(2)将所述的原料研磨混合；

(3)将上述原料研磨混合后的混合料经1300-1450℃熔融2.5-3.5h成玻璃液

(4)将所述玻璃液倒至300℃预热的模具成型，600℃退火2h；

(5)最后经710-740℃析晶2h,850-900℃晶化2-3h后退火、冷却。

SiO₂增强玻璃陶瓷稳定性，但其熔融温度过高，不利于工业化，且含量过高会降低玻璃陶瓷中晶体生成率，因此，要在成本及性能上达到妥协，就要加入助熔剂，Na₂CO₃是一种很好的添加料，Na₂CO₃可保证在玻璃陶瓷可选成份范围内降低熔融温度的情况下提高玻璃体的化学稳定性。MgF₂和P₂O₅的协同作用提高玻璃体分相程度，在晶核剂TiO₂的作用下大量并稳定晶化。

制备玻璃陶瓷时，在足够高的熔融温度下，原料才能充分混合均匀，有利于后期的热处理过程。一般制备玻璃陶瓷的熔融温度为1500-1600℃，熔融温度过高，反应过程不容易控制，对高温炉和耐火材料等设备要求较高，且电力资源消耗会随着熔融温度的升高成几何级数的增大，不利于成本控制及绿色环保的要求。本发明中加入了Na₂CO₃，Na₂CO₃是一种很好的添加料，可将玻璃陶瓷的熔融温度降低为1400℃，使反应过程好控制，同时还能保证在降低熔融温度的情况下维持玻璃陶瓷的稳定性。

优选的所述步骤(1)中质量百分比配比为炉渣71-76％，SiO₂5-8％，Na₂CO₃4-5％，MgF₂9-10％，P₂O₅1-2％，TiO₂3-5％。

TiO2是晶核剂，使晶粒细小且增加机械强度和化学稳定性，但TiO₂的掺入会显著升高玻璃体熔融温度，因此要控制整体掺量。

所述步骤(1)中高炉渣的化学组分的质量百分比为SiO₂31-38％，Al₂O₃12-15％，Fe₂O₃2-4％，CaO35-42％，SO₃0.1-0.3％，MgO6-8％，MnO0.3-0.6％，TiO₂0.3-0.5％。

所述步骤(3)中的熔融以10℃/min从室温升温，从而使高温炉在合理的升温范围内保证原料稳定的向熔融态转变。

所述步骤(3)中的混合料经1400℃熔融3h，有益于保证玻璃液充分的熔融和澄清。

所述步骤(5)中的退火的温度为500-600℃，时间为1-2h，有益于母玻璃在软化温度下内应力的消除，预防母玻璃在后续热处理过程中发生开裂。

所述退火的温度为600℃，时间为2h。可以更好的消除玻璃内应力。

所述步骤(5)中的冷却以平均3℃/min的速度冷却，有益于消除玻璃陶瓷在晶化过程中产生的内应力，防止降温过快导致玻璃陶瓷开裂。

根据上述的方法制得的高炉渣玻璃陶瓷。

本发明的高炉渣玻璃陶瓷可替代锰钢、不锈钢和铸石应用于很多耐磨耐腐蚀工业领域。

本发明的有益效果是：

本发明的制备方法工艺简单，熔融温度低，生产过程容易控制，制备得到的玻璃陶瓷力学性能好，耐磨耐腐蚀效果明显，用于工业领域时，显示出极好的应用前景。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步说明：

实施例1

采用干燥后的高炉渣71％，SiO₂8％，Na₂CO₃5％，MgF₂10％，P₂O₅1％，TiO₂5％为原料，按配比精确的称量原料。原料经球磨机研磨混合均匀后，倒入坩埚，然后将坩埚置入高温炉，以10℃/min的速度升温至1400℃，保温3h，后将玻璃液倒至300℃预热的铜制模具中，接着600℃退火2h，720℃析晶2h，870℃晶化2h，再次600℃退火1h，最后以平均2℃/min的速度冷却至室温，得到高炉渣玻璃陶瓷。

实施例2

采用干燥后的高炉渣73％，SiO₂8％，Na₂CO₃5％，MgF₂10％，TiO₂4％为原料，按配比精确的称量原料。原料经球磨机研磨混合均匀后，倒入坩埚，然后将坩埚置入高温炉，以10℃/min的速度升温至1400℃，保温3h，后将玻璃液倒至300℃预热的铜制模具中，接着600℃退火2h，730℃析晶2h，880℃晶化2h，再次600℃退火1h，最后以平均2℃/min的速度冷却至室温，得到高炉渣玻璃陶瓷。

实施例3

采用干燥后的高炉渣74％，SiO₂7％，Na₂CO₃4％，MgF₂9％，P₂O₅1％，TiO₂5％为原料，按配比精确的称量原料。原料经球磨机研磨混合均匀后，倒入坩埚，然后将坩埚置入高温炉，以10℃/min的速度升温至1400℃，保温3h，后将玻璃液倒至300℃预热的铜制模具中，接着600℃退火2h，740℃析晶2h，890℃晶化2h，再次600℃退火1h，最后以平均2℃/min的速度冷却至室温，得到高炉渣玻璃陶瓷。

实施例4

采用干燥后的高炉渣76％，SiO₂5％，Na₂CO₃4％，MgF₂9％，P₂O₅1％，TiO₂5％为原料，按配比精确的称量原料。原料经球磨机研磨混合均匀后，倒入坩埚，然后将坩埚置入高温炉，以10℃/min的速度升温至1400℃，保温3h，后将玻璃液倒至300℃预热的铜制模具中，接着600℃退火2h，710℃析晶2h，860℃晶化2h，再次600℃退火1h，最后以平均2℃/min的速度冷却至室温，得到高炉渣玻璃陶瓷。

测试结果：

1、将上述四个实施例中制得的高炉渣玻璃陶瓷进行测试，具体数据如下表1所示

表1

抗弯强度(MPa)抗冲击韧性(kJ/m²)实施例175.31.97实施例276.71.97实施例376.92.03实施例475.11.96

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。