玻璃狀的煤矸石是什么

【專家解說】：煤矸石微晶玻璃熱處理工藝及影響因素的研究 2004-08-10 09:52:08 摘要:通過正交實(shí)驗(yàn)方法系統(tǒng)考察了燒結(jié)法制備煤矸石微晶玻璃過程中各個(gè)因素對(duì)體密度的影響，在對(duì)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析后得出最佳的熱處理工藝條件，為獲得具有實(shí)用價(jià)值的CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)煤矸石微晶玻璃提供了有益的參考。 關(guān)鍵詞:煤矸石;微晶玻璃;正交實(shí)驗(yàn) 礦渣微晶玻璃是以各種工業(yè)尾礦和有色金屬冶煉廢渣為主要原料生產(chǎn)的微晶玻璃。它作為微晶玻璃中的重要組成部分，為廢棄資源的綜合利用提供了一條新的途徑。在工業(yè)廢渣中，煤矸石排放量位居第一，是我國(guó)年排放量和累計(jì)堆存量最大的工業(yè)廢棄物之一。以煤石礦渣為主要原料的煤矸石微晶玻璃成本低廉，又能廢物利用，減少污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。本文研究了CaO-Al2O3-SiO2系煤矸石微晶玻璃適宜的熱處理工藝條件和各影響因素，旨在為該材料的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供有益的參考。 1 實(shí)驗(yàn)部分 1.1 基礎(chǔ)玻璃的制備 實(shí)驗(yàn)原料采用煤矸石、石灰石、石英砂和純堿，煤矸石來(lái)自福建龍巖煤礦。原料化學(xué)成分見表l。 微晶玻璃主成分的確定首先應(yīng)滿足性能要求，制備出具有良好微觀結(jié)構(gòu)的材料。根據(jù)煤矸石的組成及煤矸石微晶玻璃的應(yīng)用，參照CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)相圖，把組成定在硅灰石相區(qū)，在CS與CAS界線附近選擇了若干成分進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)多種配方熔融試驗(yàn)分析，確定本實(shí)驗(yàn)所用配方(wt%)為:SiO2 56.5，Al2O3 9，CaO 20，K2O 1.845，Na2O 7.00，F(xiàn)e2O3 3.70。原料組成(wt%)為:煤矸石43.35，石灰石27.84，石英砂19.48，純堿9.33。 玻璃配料后，混合均勻放人氧化鋁坩堝中，在1450℃的硅鉬棒電爐中熔融2h后，水淬成基礎(chǔ)玻璃。 1.2 分析方法 差熱分析用美國(guó)Perkins Elmer，pysisl型差熱分析儀，將基礎(chǔ)玻璃研磨過200目篩，以Al2O3粉為參比物，升溫速率為10℃/min，做差熱分析曲線。通過X'pert-proX射線衍射儀來(lái)測(cè)定其晶相組成，Cu靶，Ni濾波。電鏡分析是將熱處理后樣品加工成15×15×3(mm)塊體用5%HF腐蝕90s，表面蒸金后用Philips XL30型環(huán)境掃描電鏡觀察其顯微形貌。用懸浮法準(zhǔn)確測(cè)量試樣的體積，并用電子天平稱量試樣的精確質(zhì)量，精度0.0001g，每個(gè)試樣分別測(cè)試3次，取其平均值作為測(cè)試結(jié)果，由此計(jì)算出試樣的體積密度。 2 正交實(shí)驗(yàn) 影響微晶玻璃性能最主要的因素是主晶相的種類及其數(shù)量。前者主要決定于基礎(chǔ)玻璃組成，后者則主要決定于微晶玻璃的熱處理工藝制度，即核化溫度、核化時(shí)間、晶化溫度、晶化時(shí)間。考核指標(biāo)的選擇根據(jù)前期的探索性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)基礎(chǔ)玻璃的差熱分析曲線及試燒后X射線衍射圖譜分析，確定核化溫度范圍為690~730℃，晶化溫度范圍為836~876℃。根據(jù)文獻(xiàn)，微晶玻璃熱處理過程中的核化時(shí)間為0.5~2h，晶化時(shí)間一般不少于1h。為此，本實(shí)驗(yàn)核化與晶化時(shí)間范圍初定為l~3h。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的原理確定實(shí)驗(yàn)方案，選取了La(34)表安排實(shí)驗(yàn)。具體安排見表2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析見表3。 3 結(jié)果與討論 3.1 正交實(shí)驗(yàn)與極差分析結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀分析是按照正交理論，分析結(jié)果得出理論最佳工藝，包括數(shù)據(jù)計(jì)算和直觀分析兩個(gè)步驟。計(jì)算項(xiàng)目如下: ρ平為9次實(shí)驗(yàn)結(jié)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)實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和。 wij表示第j列因素第i水平的效應(yīng)，以式表示為wij=Kij/第j列第i水平出現(xiàn)的次數(shù)。由wij的大小可以判斷j因素的優(yōu)水平和各因素的優(yōu)水平組合，即最優(yōu)組合。 Rj為極差，表示第j列因素各水平下指標(biāo)值的最大值與最小值之差:Rj=max(w1j，w2j，…，wij)-min(w1j，w2j，…，wij)。Rj反映了第j列因素的極差，Rj越大表示第j號(hào)因素對(duì)指標(biāo)的影響越大，于是根據(jù)極差Rj的大小，就可以判斷因素的主次。 計(jì)算所得指標(biāo)效應(yīng)值及極差分析結(jié)果見表3。正交實(shí)驗(yàn)的直觀分析見圖1。 3.2 各影響因素的主次及最佳熱處理?xiàng)l件的確定 由表3極差分析結(jié)果，得到核化溫度、核化時(shí)間、晶化溫度、晶化時(shí)間因素的極差分別為RA=0.2193，RB=0.0491，RC=0.1968，RD=0.083l。極差越大說明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)影響越大。很明顯，各因素的主次J頃序?yàn)?核化溫度>晶化溫度>晶化時(shí)間>核化時(shí)間。而核化溫度與晶化溫度的極差遠(yuǎn)大于核化時(shí)間與晶化時(shí)間的極差，說明核化與晶化溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響遠(yuǎn)大于核化與晶化時(shí)間，即熱處理溫度比時(shí)間更重要。 熱處理過程中，試樣的體積會(huì)發(fā)生微小變化，而這些變化的大小又與熱處理?xiàng)l件有關(guān)，因此，可通過測(cè)定不同熱處理?xiàng)l件下試樣的體積密度，計(jì)算出各指標(biāo)效應(yīng)值，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)原理來(lái)確定適宜的工藝參數(shù)。圖1為正交實(shí)驗(yàn)的直觀分析，表示出煤矸石微晶玻璃的體積密度與熱處理?xiàng)l件之間的關(guān)系。由圖可知，核化溫度不宜過低，也不宜過高，在710℃時(shí)體積密度最高。而晶化溫度則不能過高，以836℃為宜。核化與晶化時(shí)間在2h時(shí)體積密度最高。根據(jù)正交試驗(yàn)方法的原理，可以確定其最佳熱處理工藝參數(shù)為:710℃、2h、836℃、2h。依此熱處理?xiàng)l件制備的煤矸石微晶玻璃的體積密度為2.8036g/cm3，結(jié)構(gòu)緊密，具有較好的材料性能。 3.3 熱處理?xiàng)l件對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響 雖然熱處理?xiàng)l件對(duì)材料的晶相組成沒有影響，但對(duì)晶體的形貌、大小及分布情況等有決定性的作用(圖2)，而體積密度大小就取決于這些因素。圖2一a熱處理工藝控制合適，硅灰石纖維狀晶體含量多，發(fā)育較好，分布較均勻，而圖2一b中工藝條件不同晶體較少，分布不均勻?？梢姴煌瑹崽幚?xiàng)l件下，晶體大小、生長(zhǎng)及分布情況不同，這是熱處理?xiàng)l件導(dǎo)致材料體積密度變化的內(nèi)在原因。 4 結(jié)論 (1)熱處理工藝條件為煤矸石微晶玻璃生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)本系統(tǒng)的煤矸石微晶玻璃而言，其最佳工藝參數(shù)為:核化溫度710℃，核化時(shí)間2h;晶化溫度為836℃，晶化時(shí)間為2h。 (2)各因素影響煤矸石微晶玻璃體密度的主次順序依次為:核化溫度>晶化溫度>晶化時(shí)間>核化時(shí)間，其中核化與晶化溫度的影響遠(yuǎn)大于核化與晶化時(shí)間。 (3)研制的煤矸石微晶玻璃生產(chǎn)工藝與材料性能好，熔制溫度低，煤矸石礦渣用量大(43.35%)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。(姜鵬 俞建長(zhǎng) 王嘉慶)