玻璃状的煤矸石是什么

【专家解说】：煤矸石微晶玻璃热处理工艺及影响因素的研究 2004-08-10 09:52:08 摘要:通过正交实验方法系统考察了烧结法制备煤矸石微晶玻璃过程中各个因素对体密度的影响，在对正交实验进行分析后得出最佳的热处理工艺条件，为获得具有实用价值的CaO-Al2O3-SiO2系统煤矸石微晶玻璃提供了有益的参考。 关键词:煤矸石;微晶玻璃;正交实验 矿渣微晶玻璃是以各种工业尾矿和有色金属冶炼废渣为主要原料生产的微晶玻璃。它作为微晶玻璃中的重要组成部分，为废弃资源的综合利用提供了一条新的途径。在工业废渣中，煤矸石排放量位居第一，是我国年排放量和累计堆存量最大的工业废弃物之一。以煤石矿渣为主要原料的煤矸石微晶玻璃成本低廉，又能废物利用，减少污染，具有良好的经济效益与社会效益。本文研究了CaO-Al2O3-SiO2系煤矸石微晶玻璃适宜的热处理工艺条件和各影响因素，旨在为该材料的进一步研究与应用提供有益的参考。 1 实验部分 1.1 基础玻璃的制备 实验原料采用煤矸石、石灰石、石英砂和纯碱，煤矸石来自福建龙岩煤矿。原料化学成分见表l。 微晶玻璃主成分的确定首先应满足性能要求，制备出具有良好微观结构的材料。根据煤矸石的组成及煤矸石微晶玻璃的应用，参照CaO-Al2O3-SiO2系统相图，把组成定在硅灰石相区，在CS与CAS界线附近选择了若干成分进行系统的实验，经多种配方熔融试验分析，确定本实验所用配方(wt%)为:SiO2 56.5，Al2O3 9，CaO 20，K2O 1.845，Na2O 7.00，Fe2O3 3.70。原料组成(wt%)为:煤矸石43.35，石灰石27.84，石英砂19.48，纯碱9.33。 玻璃配料后，混合均匀放人氧化铝坩埚中，在1450℃的硅钼棒电炉中熔融2h后，水淬成基础玻璃。 1.2 分析方法 差热分析用美国Perkins Elmer，pysisl型差热分析仪，将基础玻璃研磨过200目筛，以Al2O3粉为参比物，升温速率为10℃/min，做差热分析曲线。通过X'pert-proX射线衍射仪来测定其晶相组成，Cu靶，Ni滤波。电镜分析是将热处理后样品加工成15×15×3(mm)块体用5%HF腐蚀90s，表面蒸金后用Philips XL30型环境扫描电镜观察其显微形貌。用悬浮法准确测量试样的体积，并用电子天平称量试样的精确质量，精度0.0001g，每个试样分别测试3次，取其平均值作为测试结果，由此计算出试样的体积密度。 2 正交实验 影响微晶玻璃性能最主要的因素是主晶相的种类及其数量。前者主要决定于基础玻璃组成，后者则主要决定于微晶玻璃的热处理工艺制度，即核化温度、核化时间、晶化温度、晶化时间。考核指标的选择根据前期的探索性实验，根据基础玻璃的差热分析曲线及试烧后X射线衍射图谱分析，确定核化温度范围为690~730℃，晶化温度范围为836~876℃。根据文献，微晶玻璃热处理过程中的核化时间为0.5~2h，晶化时间一般不少于1h。为此，本实验核化与晶化时间范围初定为l~3h。根据正交实验的原理确定实验方案，选取了La(34)表安排实验。具体安排见表2，实验结果及分析见表3。 3 结果与讨论 3.1 正交实验与极差分析结果 实验结果的直观分析是按照正交理论，分析结果得出理论最佳工艺，包括数据计算和直观分析两个步骤。计算项目如下: ρ平为9次实验结果的均值。 Kij表示第j列因素(j=l，2，3，4)，第i水平(i=1，2，3)实验结果之和。 wij表示第j列因素第i水平的效应，以式表示为wij=Kij/第j列第i水平出现的次数。由wij的大小可以判断j因素的优水平和各因素的优水平组合，即最优组合。 Rj为极差，表示第j列因素各水平下指标值的最大值与最小值之差:Rj=max(w1j，w2j，…，wij)-min(w1j，w2j，…，wij)。Rj反映了第j列因素的极差，Rj越大表示第j号因素对指标的影响越大，于是根据极差Rj的大小，就可以判断因素的主次。 计算所得指标效应值及极差分析结果见表3。正交实验的直观分析见图1。 3.2 各影响因素的主次及最佳热处理条件的确定 由表3极差分析结果，得到核化温度、核化时间、晶化温度、晶化时间因素的极差分别为RA=0.2193，RB=0.0491，RC=0.1968，RD=0.083l。极差越大说明该因素对实验指标影响越大。很明显，各因素的主次J顷序为:核化温度>晶化温度>晶化时间>核化时间。而核化温度与晶化温度的极差远大于核化时间与晶化时间的极差，说明核化与晶化温度对实验结果影响远大于核化与晶化时间，即热处理温度比时间更重要。 热处理过程中，试样的体积会发生微小变化，而这些变化的大小又与热处理条件有关，因此，可通过测定不同热处理条件下试样的体积密度，计算出各指标效应值，根据正交实验原理来确定适宜的工艺参数。图1为正交实验的直观分析，表示出煤矸石微晶玻璃的体积密度与热处理条件之间的关系。由图可知，核化温度不宜过低，也不宜过高，在710℃时体积密度最高。而晶化温度则不能过高，以836℃为宜。核化与晶化时间在2h时体积密度最高。根据正交试验方法的原理，可以确定其最佳热处理工艺参数为:710℃、2h、836℃、2h。依此热处理条件制备的煤矸石微晶玻璃的体积密度为2.8036g/cm3，结构紧密，具有较好的材料性能。 3.3 热处理条件对显微结构的影响 虽然热处理条件对材料的晶相组成没有影响，但对晶体的形貌、大小及分布情况等有决定性的作用(图2)，而体积密度大小就取决于这些因素。图2一a热处理工艺控制合适，硅灰石纤维状晶体含量多，发育较好，分布较均匀，而图2一b中工艺条件不同晶体较少，分布不均匀。可见不同热处理条件下，晶体大小、生长及分布情况不同，这是热处理条件导致材料体积密度变化的内在原因。 4 结论 (1)热处理工艺条件为煤矸石微晶玻璃生产的关键技术之一，对本系统的煤矸石微晶玻璃而言，其最佳工艺参数为:核化温度710℃，核化时间2h;晶化温度为836℃，晶化时间为2h。 (2)各因素影响煤矸石微晶玻璃体密度的主次顺序依次为:核化温度>晶化温度>晶化时间>核化时间，其中核化与晶化温度的影响远大于核化与晶化时间。 (3)研制的煤矸石微晶玻璃生产工艺与材料性能好，熔制温度低，煤矸石矿渣用量大(43.35%)，具有较高的应用价值。(姜鹏 俞建长 王嘉庆)