节能型高炉渣微晶玻璃的制备方法

摘要

本发明涉及一种节能型高炉渣微晶玻璃的制备方法，其将熔融态高炉渣显热用于微晶玻璃制备所需其它辅料的熔融过程，高炉渣的用量在45-65%，高炉渣微晶玻璃的目标成分（wt.%）为：CaO10-30%，SiO235-60%，Al2O310-15%，MgO8-12%，K2O2-5%，ZnO3-4%，TiO23-6%；所有物料完成熔融并充分均匀化之后，浇注到一个可以柔性控制的恒温模具中，在模具内完成母玻璃的成形、微晶玻璃的形核和晶体长大、冷却到室温，无需更换炉窑。本发明优化了微晶玻璃制备原料中高炉渣用量，工艺参数合理，节省了能源消耗和制备周期，解决了现有微晶玻璃制备过程工艺复杂、能耗大、成本高等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金固体废弃物高附加值利用及节能降耗技术领域，具体是一种节能型高炉渣微晶玻璃的制备方法。

背景技术

微晶玻璃是综合玻璃和石材技术新发展起来的一种材料，由晶相和玻璃相构成，因具有高强度、低热膨胀系数、耐酸碱腐蚀、耐磨损等优异性能，可广泛应用于建筑领域、耐热面板、耐酸碱腐蚀及光学领域。从原料上来说，微晶玻璃制备可以大量使用工业废弃物，如粉煤灰、冶金尘泥、废玻璃、冶金炉渣等，可以变废为宝，具有明显的环保效益和经济效益。

高炉渣作为钢铁冶金工业的副产品，其主要成分是氧化钙、二氧化硅、氧化铝和氧化镁等氧化物，是制作微晶玻璃的良好原材料。每生产一吨生铁要产生300-400kg的高炉渣，据不完全统计，我国每年产生的高炉渣在1.5亿吨以上。目前，我国的高炉渣大部分采用水淬法制取水渣，然后作为水泥原料使用，附加值很低。因此，如何大量使用高炉渣用于制造高附加值微晶玻璃，一直是冶金废渣利用的研究热点。当前用来制备高炉渣微晶玻璃的方法大都是传统的熔融加热处理的方法，即先将混合物料进行融化，然后冷却得到母玻璃，随后再进行加热完成热处理过程。虽然在高炉渣微晶玻璃制备技术方面已经开展了大量研究，但是仍然存在能源消耗大、制造成本高的问题。如发明专利[专利号：200710054035.3]提出了一种利用高炉渣制备微晶玻璃的方法，其采用的仍然是冷却后的固态高炉渣，然后重新加热到熔融态，并没有提到利用液态高炉渣的显热，存在能源的浪费。

高炉渣的显热能级很高，在冶金行业属于高品质余热资源。高炉渣从高炉内排出的温度通常在1450℃以上，每吨高炉渣所含的一次显热大致相当于60kg标准煤的热值。由于回收技术上的困难，目前高炉渣显热的回收率极低。因此，若能将高温熔融态高炉渣的显热资源用于微晶玻璃的制备过程，不仅能够回收高炉渣的显热和降低微晶玻璃制备的成本，而且还可以缩短制造周期。发明专利[申请号：201010274345.8]提出了利用液态高炉渣直接制作微晶玻璃的方法，虽然利用了液态高炉渣的显热，但是加入的辅料SiO₂必须是熔融态，SiO₂的熔融仍然需要消耗大量的能源。

发明内容

本发明针对熔融态高炉渣具有高热值的特点，提出了一种节能型高炉渣微晶玻璃的制备方法，即直接将高温液态高炉渣的显热用于固态辅料的熔融，节省辅料熔融及成分均匀化所需要的热量，后续的热处理过程也是在单一多功能模具内完成，无需更换炉窑，减少微晶玻璃的制备周期，解决了现有微晶玻璃制备过程工艺复杂、能源消耗大、生产成本高等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种节能型高炉渣微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

（1）设计高炉渣的用量在45-65%，高炉渣微晶玻璃的目标成分（wt.%）为：CaO10-30%，SiO₂35-60%，Al₂O₃10-15%，MgO8-12%，K₂O2-5%，ZnO3-4%，TiO₂3-6%；

（2）在高炉炼铁生产现场，取一定量的高温液态高炉渣置于恒温电炉的石墨坩埚内，同时加入微晶玻璃制备所需的其它混匀辅料；辅料的熔融及全部物料的成分均匀化在1400-1500℃范围内某一温度下恒温的石墨坩埚内完成，恒温时间0.5-2小时；

（3）将完成全部熔融及成分均匀化的液态物料浇注到恒温控制的模具中，模具的恒温柔性控制在750-1250℃之间，根据微晶玻璃热处理制度确定每一阶段的恒温时间，热处理完成后停止模具供电加热，微晶玻璃的形核和晶体长大过程在模具内完成并自然冷却到室温。

高炉炼铁过程是一个连续化的工业生产，每次出渣的炉渣成分与上一炉次有很好的连续性。本发明在进行微晶玻璃配料时，所使用的液态高炉渣成分为上一炉次的炉渣成分，然后按照预定的微晶玻璃成分计算需要加入的其它辅料用量。

电炉内石墨坩埚的恒温控制由计算机程序自动控制，根据输入功率和恒温时间可以计算出恒温石墨坩埚所消耗的热量。以等质量同成分固态物料在石墨坩埚内恒温相同时间所消耗的热量为基准，可以粗略估算（忽略固态物料的熔化潜热等因素的影响）出高温熔融态高炉渣显热对恒温坩埚能源消耗的贡献比例。所使用的熔融态高炉渣越多，引入的液态炉渣温度越高，可以节省的能源消耗越多。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其优点是：

（1）省去了传统高炉渣微晶玻璃制备过程中的固态原料加热熔融步骤，取而代之的是直接利用高炉生产现场的高温液态高炉渣和固态辅料，同时加入恒温坩埚中进行辅料熔融和成分均匀化，这样，不仅充分且高效地利用了熔融态高炉渣显热，避免了目前高炉渣处理工艺中的能源浪费，而且还简化了高炉渣微晶玻璃的制备工艺，降低了生产成本，缩短了生产周期。相对于传统熔融工艺制备相同成分的微晶玻璃，可以节省熔融阶段能源消耗的50%以上。

（2）可以根据不同的微晶玻璃原始成分，设计不同的微晶玻璃热处理温度和保温时间，温度的调节可以通过改变电阻丝的输入功率来实现。为适应制备不同微晶玻璃形状的需求，在模具内可以进行任意形状和尺寸的设计及划分。模具的不同区域可以实现单独温度和保温时间控制。同时，也可以根据微晶玻璃产品的组织和性能要求，设计出分段热处理制度。在连续化的生产过程中，由于微晶玻璃在模具内的热处理时间较长，因此在设计时要考虑模具与高炉渣量之间的匹配性，可以进行多模具循环使用的设计方式，也可以进行单一模具多区域循环使用的方式。

附图说明

图1是本发明实施例的工艺流程框图；

图2是利用本发明所制得的节能型微晶玻璃的扫描电子显微镜（SEM）照片；

图3是利用本发明所制得的节能型微晶玻璃板的X射线衍射（XRD）图谱。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步阐述，但实施例不对本发明构成任何限制。

实施例1：

（1）设计高炉渣的用量在61.6%，高炉渣微晶玻璃的目标成分（wt.%）为：CaO25%，SiO₂40%，Al₂O₃12%，MgO10%，K₂O3%，ZnO3%，TiO₂5%，高炉渣中的其他成分忽略。

（2）前一炉次的高炉渣化学成分检测结果为CaO40.57%，SiO₂34.15%，Al₂O₃15.88%，MgO7.88%，K₂O0.57%，TiO₂0.95%，以此成分检测结果代表本次所用液态高炉渣的化学成分。本实施例所用液态高炉渣为616g，经计算，所需要的各种辅料用量分别为：SiO₂190g，Al₂O₃22g，MgO52g，K₂O26g，TiO₂44g，ZnO30g。

（3）参见图1，将上述辅料混匀，与液态高炉渣一起加入到恒温电炉的石墨坩埚内，所用液态高炉渣的温度为1490℃。石墨坩埚在1520℃恒温1小时。计算得出的高温熔融态高炉渣显热对恒温坩埚能源消耗的贡献比例约为52%，即相对于传统熔融工艺制备相同成分的微晶玻璃，可以节省熔融阶段能源消耗的50%以上。

（4）将完成全部熔融及成分均匀化的液态物料浇注到恒温在800℃的模具内，恒温时间为1小时完成母玻璃制备和形核，然后将模具升温至980℃，恒温1小时进行晶体长大。随后，停止模具加热，高炉渣微晶玻璃自然冷却至室温。

将得到的微晶玻璃板进行X射线衍射（XRD）的测定和组织表征，主要晶相为钙镁黄长石和普通辉石，微晶玻璃板晶化非常充分。

实施例2：

（1）设计高炉渣的用量在49.3%，高炉渣微晶玻璃的目标成分（wt.%）为：CaO20%，SiO₂45%，Al₂O₃12%，MgO10%，K₂O3%，ZnO3%，TiO₂5%，高炉渣中的其他成分忽略。

（2）前一炉次的高炉渣化学成分检测结果为CaO40.57%，SiO₂34.15%，Al₂O₃15.88%，MgO7.88%，K₂O0.57%，TiO₂0.95%，以此成分检测结果代表本次所用液态高炉渣的化学成分。本实施例所用液态高炉渣为493g，经计算，所需要的各种辅料用量分别为：SiO₂282g，Al₂O₃42g，MgO61g，K₂O27g，TiO₂45g，ZnO30g。

（3）参见图1，将这些辅料混匀，与液态高炉渣一起加入到恒温电炉的石墨坩埚内，所用液态高炉渣的温度为1510℃。石墨坩埚在1450℃恒温1.5小时。计算得出的高温熔融态高炉渣显热对恒温坩埚能源消耗的贡献比例约为47%，即相对于传统熔融工艺制备相同成分的微晶玻璃，可以节省熔融阶段能源消耗的45%以上。

（4）将完成全部熔融及成分均匀化的液态物料浇注到恒温在800℃的模具内，恒温时间为1小时完成母玻璃制备和形核，然后将模具升温至980℃，恒温1小时进行晶体长大。随后，停止模具加热，高炉渣微晶玻璃自然冷却至室温。

将得到的微晶玻璃板进行X射线衍射（XRD）的测定和组织表征，主要晶相为透辉石和普通辉石，微晶玻璃板晶化很充分。

实施例3：

（1）设计高炉渣的用量在61.6%，高炉渣微晶玻璃的目标成分（wt.%）为：CaO25%，SiO₂40%，Al₂O₃12%，MgO10%，K₂O3%，ZnO3%，TiO₂5%，高炉渣中的其他成分可忽略。

（2）前一炉次的高炉渣化学成分检测结果为CaO40.57%，SiO₂34.15%，Al₂O₃15.88%，MgO7.88%，K₂O0.57%，TiO₂0.95%，以此成分检测结果代表本次所用液态高炉渣的化学成分。本实施例所用液态高炉渣为616g，经计算，所需要的各种辅料用量分别为：SiO₂190g，Al₂O₃22g，MgO52g，K₂O26g，TiO₂44g，ZnO30g。

（3）参见图1，将这些辅料混匀，与液态高炉渣一起加入到恒温电炉的石墨坩埚内，所用液态高炉渣的温度为1470℃。石墨坩埚在1440℃恒温1.2小时。计算得出的高温熔融态高炉渣显热对恒温坩埚能源消耗的贡献比例约为51%，即相对于传统熔融工艺制备相同成分的微晶玻璃，可以节省熔融阶段能源消耗的50%以上。

（4）将完成全部熔融及成分均匀化的液态物料浇注到恒温在775℃的模具内，恒温时间为1小时完成母玻璃制备和形核，然后将模具升温至940℃，恒温1.5小时进行晶体长大。随后，停止模具加热，高炉渣微晶玻璃自然冷却至室温。

将得到的微晶玻璃板进行X射线衍射（XRD）的测定和组织表征，主要晶相为钙镁黄长石和普通辉石，微晶玻璃板晶化非常充分。

通过上述具体的实施过程和结果分析可知，正是基于本发明充分且高效利用了熔融态高炉渣的一次显热，加上合理的成分配比和制备工艺优化，不仅得到了具有典型物相构成及组织形貌特征的节能型高炉渣微晶玻璃，而且降低了生产成本，缩短了制备周期，能够很好地适用于冶金固体废弃物高附加值利用及节能降耗型微晶玻璃制造领域。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。