高炉渣和铬铁合金渣熔融法制备透辉石类微晶玻璃研究

来源 :内蒙古科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wei_357
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中国工业的快速发展产生了大量的工业固体废弃物,例如高炉渣、铬铁合金渣等,这些冶金渣具有在微晶玻璃制造中再利用的潜力。高炉渣和铬铁合金渣的主要成分是CaO、Mg O、Al2O3和SiO2(这4种化学组分质量分数之和均为90%以上),透辉石类微晶玻璃属于CaO-Mg O-Al2O3-SiO2(CMAS)体系,且铬铁合金渣中含有晶核剂成分Cr2O3,因此生产具有优良性能的透辉石类微晶玻璃是综合利用这些工业固体废弃物的最佳途径之一。为对大宗工业固废进行高值化利用和无害化处理,本文以铬铁合金渣、高炉渣和石英砂为原料制备CaO-Mg O-Al2O3-SiO2-Cr2O3体系微晶玻璃。为了保证玻璃液的顺利浇注成型,并为高炉渣和铬铁合金渣协同制备微晶玻璃提供基础的工艺技术参数,本论文研究了高温下Cr2O3对CMAS体系熔渣(或玻璃)黏度和熔化特性的影响规律。通过实验数据建立并优化针对CaO-Mg O-Al2O3-SiO2-Cr2O3体系熔渣的Urbain黏度预测模型,优化后的Urbain模型得到的黏度计算值与实测值的平均相对误差小于20%,对于CaO-Mg O-Al2O3-SiO2-Cr2O3体系熔渣黏度的预测具有有效性。此外,采用拉曼光谱研究了Cr2O3对高温下的熔渣(或玻璃)熔体结构的影响,结果表明随着Cr2O3含量增加,熔渣(或玻璃)熔体中硅氧四面体Qn的结构发生变化,复杂硅氧四面体(Q3)解体成数量更多的简单硅氧四面体(Q0、Q1、Q2),导致熔体网络结构变得稀疏,宏观黏度降低。采用差热分析(DTA)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等方法,探究最优原料配比并通过正交实验优化热处理制度。结果表明,当高炉渣:铬铁合金渣:石英砂的质量比例为60:40:31时,制得的微晶玻璃性能最优,主晶相为透辉石,抗折强度达到126.25 MPa,晶化度达到89.19%,显微结构较理想,微晶玻璃放射性核素检测的内照射指数IRa为0.19,外照射指数Iγ为0.70,满足国家A类装饰装修材料IRa≤1.0和Iγ≤1.3的要求。最优热处理制度为核化温度800℃、核化时间2h、晶化温度990℃、晶化时间0.5h,此制度下制备的微晶玻璃抗折强度高达135.15MPa,主晶相为透辉石,晶粒形貌呈方块状,符合建筑装饰材料的要求。采用X射线能谱分析(EDS)和X射线光电子能谱分析(XPS)等方法研究了晶核剂成分Cr2O3对透辉石微晶玻璃析晶的影响。结果表明,铬在微晶玻璃中以Cr3+和Cr6+的形式存在,Cr3+占比80%以上。当Cr2O3在微晶玻璃中的质量分数低于1.60%时,少量透辉石相在热处理过程中析出,Cr3+弥散分布于透辉石相中;Cr2O3质量分数达到或超过1.60%时,Cr3+将优先形成镁铬尖晶石相,进一步诱导透辉石的原位生长。用醋酸缓冲溶液法对所制备的微晶玻璃进行重金属铬的浸出检测,铬浸出浓度符合中国国家标准,表明透辉石微晶玻璃能够有效固化重金属铬元素,采用高炉渣和铬铁合金渣制备微晶玻璃具有可行性。
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