晶化温度对微晶玻璃析晶行为和性能的影响

晶化温度对微晶玻璃析晶行为和性能的影响摘要:本文以铬渣和铜尾矿为原料,采用熔融法制备微晶玻璃,借助XRD和SEM等分析手段,系统研究了晶化温度对微晶玻璃析晶行为的影响;研究结果表明:随着晶化温度的升高,微晶玻璃的主晶相均为普通辉石,且晶体尺寸增大,晶核数量减少,同时微晶玻璃的表观体积密度和显微硬度呈先增大后减小的趋势,当晶化温度为860℃时,表观体积密度和显微硬度达到最大,其值分别为3.06g·cm-3和925Hv。

关键词:微晶玻璃熔融法晶化温度显微硬度

引言

铬渣是指在铬盐生产中,铬铁矿与纯碱、石灰辅料等混合高温煅烧,水浸后的残渣。铬渣的处理被列为我国固体废弃物治理的重中之重,同时也是世界性的难题[1-3]。而微晶玻璃不仅对矿渣中可溶性重金属离子具有很好的转化和固化的作用,且无放射性污染,且具有机械强度高、耐风化、耐磨、抗腐蚀、抗冻、抗渗透和耐污染等特性,是现代建筑行业理想的高档绿色环保装饰材料[4-9]。近年来,国内外矿渣微晶玻璃方面的研究较多,但完全利用尾矿废渣制备微晶玻璃的研究相对较少。本课题以铬渣和铜尾矿为原料采用熔融法制备矿渣微晶玻璃,为铬渣和铜尾矿的资源化提供理论依据。

1 实验

1.1 实验原料

铬渣和铜尾矿的主要化学成分如表1所示。

1.2 实验方法

将铬渣和铜尾矿按一定配比进行研磨混合后得到基础物料的主要成分为SiO2: 42.1%,CaO:16.07%,MgO:10.83%,TFe:8.07%,Al2O3:9.39%,Cr2O3:1.32。将配置的物料放入氧化铝坩埚中,置于密闭的二硅化钼炉中熔融,温度为1400℃左右,时间为120min,将熔融的玻璃倒在预热的不锈钢板上,放入马弗炉中进行晶化,核化温度为:700℃,核化时间为60min,晶化温度分别为:820、840、860和880℃,晶化时间为60 120min,并在650℃条件下退火,时间为60min,随炉冷却到室温,最终得到微晶玻璃。

将部分微晶玻璃试样研磨至0.074mm,使用采用D/max-rb型X-衍射仪,对微晶玻璃晶相作定性分析;将微晶玻璃试样磨平、抛光在显微镜下观察其宏观组织形态,并在1％浓度的氢氟酸下腐蚀20秒,采用日本岛津公司SSX-550扫描电子显微镜对试样进行SEM分析,观察试样的显微结构和显微组织。

2 热处理制度的制定

图1为实验测定的差热分析曲线。从图1中可以看出,实验测定

的玻璃转变温度为720℃左右,析晶峰值温度为820~880℃。根据实验测定的数据,选择的微晶玻璃核化温度为700℃,晶化温度820~880℃进行实验。

3 结果与讨论

图2为不同晶化温度条件下试样的XRD曲线。由图可知,随着晶化温度的升高,试样的组成均为为普通辉石。

图3为不同晶化温度下矿渣微晶玻璃扫描电镜照片。从图3中可以看出,当晶化温度为820℃时,试样析出的晶体尺寸较小,晶核数量较多;随着晶化温度升高,晶体析出量增加,晶体尺寸增大;晶化温度为840℃时,晶体平均尺寸在0.4μm左右;晶化温度为860℃时,晶体尺寸在0.8μm以上,晶粒呈球形,分布均匀;晶化温度为880℃时,由于晶体生长前沿移动过快,阻碍附近有生长能力的晶体生长,使晶体显微结构变粗,晶体和玻璃相之间界面积减少,不利于微晶结构的形成,晶粒数量明显下降,晶体尺寸在2μm左右。

图4为晶化温度对矿渣微晶玻璃表观体积密度的影响。从图4中可以看出,随着晶化温度的增加,微晶玻璃表观体积密度呈先增大后减小的趋势;在820℃下晶化时,因为晶化温度较低,晶体生长速度缓慢,试样的致密性相对较低,仅为2.78g·cm-3;晶化温度的升高使得晶体生长速度加快,晶体的生长试样的致密性相对增大,使得表观体积密度增加;在860℃下晶化时,表观体积密度达到最大值3.06g·cm-3;在880℃下晶化时,晶粒生长速度过快,晶体尺寸较大,造成缺陷的产生,影响试样的致密度,使微晶玻璃的表观体积密度降低。

图5为晶化温度对微晶玻璃显微硬度的影响。从图5中可以看出,随着晶化温度的增加,微晶玻璃显微硬度呈先升高后降低的趋势,当晶化温度为860℃时,微晶玻璃显微硬度达到最大,其值925Hv。

3 结论

(1)完全以铬渣和铜尾矿为原料可以制备出性能较好的微晶玻璃。

(2)随着晶化晶化温度的升高,主晶相均为普通辉石,晶体尺寸和析出量逐渐增大。

(3)随着晶化晶化温度的升高,微晶玻璃的表观体积密度和显微硬度呈先增大后减小的趋势,当晶化温度为860℃时,表观体积密度和显微硬度达到最大,其值分别为3.06g·cm-3和925Hv。

参考文献

[1]兰嗣国,殷惠民,狄一安等.浅谈铬渣解毒技术[J],环境科学研究.1998,11(3):53～56.

[2]孟庆英,渠荣遴.铬渣低氧焙烧水淬急冷无毒化治理反应机理[J],环境工程,1989,7(4):9～18.

[3]丁翼.我国铬盐生产状况及发展建议[J],无机盐工业,2000,32(4):28～44.