本發(fā)明屬于微晶玻璃制備領(lǐng)域，并且更具體地，涉及一種用高碳鉻鐵渣和煤矸石制備的堇青石微晶玻璃及其制備方法。

背景技術(shù)：

以鉻鐵礦為原料，采用礦熱爐生產(chǎn)高碳鉻鐵時會排放高碳鉻鐵渣，高碳鉻鐵渣是一種含鉻固體廢渣，其在潮濕、氧氣存在的條件下，部分3價Cr有被氧化為6價Cr的可能，在長期雨水沖刷的條件下，可溶性的Cr⁶⁺形成的有毒廢水會對土壤、地下水及江河湖海造成嚴(yán)重污染，因此對高碳鉻鐵渣進行無害化資源化利用是我國環(huán)保工作面臨的重要問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明對高碳鉻鐵渣進行無害化資源利用，即開發(fā)利用高碳鉻鐵渣生產(chǎn)高性能材料的新工藝，這種工藝在處理高碳鉻鐵渣中的Cr時，要確保3價鉻不被氧化成6價鉻；同時材料的性能要好，在機械力、酸堿腐蝕等條件下，Cr都不會被溶出；并且材料也要具備一定的經(jīng)濟價值。

高碳鉻鐵渣中含有的大量MgO、Al₂O₃與SiO₂，是制備MgO-Al₂O₃-SiO₂系堇青石微晶玻璃的主要原料。堇青石微晶玻璃中，Cr₂O₃可作為堇青石晶粒的形核劑，大量堇青石晶粒及玻璃相把Cr緊密包裹，可以起到極佳的固定作用。堇青石微晶玻璃具有低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的電絕緣性能性、具有廣闊的市場前景和極高的經(jīng)濟價值。高碳鉻鐵渣中的SiO₂及Al₂O₃含量相對堇青石微晶玻璃較低，因此需配入含有SiO₂及Al₂O₃的原料，高碳鉻鐵渣中含有一定量Fe，F(xiàn)e會使微晶玻璃的顏色加深，降低微晶玻璃的經(jīng)濟價值。因此以高碳鉻鐵渣為原料制備堇青石微晶玻璃，最好首先降低Fe含量，然后配入含有SiO₂及Al₂O₃的原料采用熔融法降低堇青石微晶玻璃。

目前并沒有以高碳鉻鐵渣為原料，除鐵并配入其他原料制備堇青石微晶玻璃的技術(shù)研究。

本發(fā)明提出以高碳鉻鐵渣和煤矸石為主要原料，利用高碳鉻鐵渣中的MgO、Al₂O₃與SiO₂，及煤矸石中的SiO₂、Al₂O₃作為主要化學(xué)成分，煤矸石中的C作為主要的還原劑，還原除雜后采用熔融法制備堇青石微晶玻璃的新方法。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種用高碳鉻鐵渣和煤矸石制備堇青石微晶玻璃的方法，包括以下步驟：

1)將高碳鉻鐵渣和煤矸石按配比混合磨礦，得到礦粉混合物；

2)將步驟1)中得到的礦粉混合物進行焙燒，使混合物中的Fe₂O₃還原為Fe₃O₄，得到含有磁性Fe₃O₄的焙燒后礦粉混合物；

3)將步驟2)中得到的焙燒后礦粉混合物在磁場中進行磁選以除去混合物中的Fe₃O₄，得到除鐵后礦粉混合物；

4)將步驟3)中得到的除鐵后礦粉混合物放入硅鉬棒高溫爐中，加熱混合物熔融并均化，得到熔融態(tài)混合物；

5)將步驟4)中得到的熔融態(tài)混合物澆注入預(yù)熱的模具中成型得到基礎(chǔ)玻璃；

6)將步驟5)中得到的基礎(chǔ)玻璃依次進行退火、核化和晶化處理，得到堇青石微晶玻璃。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟1)中的礦粉混合物的各組分配比為：高碳鉻鐵渣40-45重量份，煤矸石55-60重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，高碳鉻鐵渣包括以下配比的組分：MgO24-40重量份，Al₂O₃ 16-25重量份，SiO₂ 32-38重量份，CaO 0.3-0.5重量份，F(xiàn)e₂O₃ 3-5重量份，Cr₂O₃ 6-8重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，煤矸石包括以下配比的組分：SiO₂ 50-55重量份，Al₂O₃15-25重量份，F(xiàn)e₂O₃ 3-5重量份，C 10-20重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟1)中將高碳鉻鐵渣和煤矸石混合磨礦使礦粉粒度小于200目。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟2)中焙燒溫度為500-520℃，步驟4)中熔融溫度為1500-1600℃，步驟5)中模具預(yù)熱溫度為700-900℃。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟2)中焙燒時間為30-50min，步驟4)中進行加熱的時間為2-3h。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟3)中磁場的磁感應(yīng)強度為1-2T。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法中采用的晶核劑和還原劑分別為高碳鉻鐵渣的Cr₂O₃和煤矸石中的C。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種采用上述用高碳鉻鐵渣和煤矸石制備堇青石微晶玻璃的方法生產(chǎn)的堇青石微晶玻璃。

通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點：

1)本發(fā)明合成微晶玻璃的主要原料是高碳鉻鐵渣和煤矸石，二者是兩種零成本的廢棄資源；

2)本發(fā)明利用了高碳鉻鐵渣和煤矸石中的絕大部分化學(xué)成分，MgO、Al₂O₃、SiO₂與Cr₂O₃等分別作為微晶玻璃的主要化學(xué)成分及晶核劑；

3)本發(fā)明利用了煤矸石中的碳作為原料中Fe₂O₃的還原劑，使Fe₂O₃被C還原為Fe₃O₄再磁選除去；

4)本發(fā)明利用煤矸石中的碳保證高溫熔融時，原料體系處于還原氣氛，原來中的Cr不會被氧化成為有毒的6價Cr；

5)本發(fā)明的高碳鉻鐵渣中的Cr因作為晶核劑被牢牢固定，其中的Cr具有極高的穩(wěn)定性，不會進入環(huán)境造成環(huán)境污染；

6)本發(fā)明制備的堇青石微晶玻璃力學(xué)性能好、抗磨性好、耐酸堿腐蝕，具有較高的附加值。

總之，本發(fā)明的方法所采用的原料經(jīng)濟成本低，工藝流程簡單，產(chǎn)品適用范圍廣闊，經(jīng)濟價值高。本發(fā)明的方法既解決高碳鉻鐵渣的環(huán)境污染問題，又創(chuàng)造較高的經(jīng)濟效益，同時符合國家倡導(dǎo)的“循環(huán)經(jīng)濟”的政策。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點在與附圖結(jié)合對實施例進行的描述中將更加明顯并容易理解，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用高碳鉻鐵渣和煤矸石制備堇青石微晶玻璃的方法的流程示意圖。

具體實施方式

應(yīng)當(dāng)理解，在示例性實施例中所示的本發(fā)明的實施例僅是說明性的。雖然在本發(fā)明中僅對少數(shù)實施例進行了詳細(xì)描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易領(lǐng)會在未實質(zhì)脫離本發(fā)明主題的教導(dǎo)情況下，多種修改是可行的。相應(yīng)地，所有這樣的修改都應(yīng)當(dāng)被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在不脫離本發(fā)明的主旨的情況下，可以對以下示例性實施例的設(shè)計、操作條件和參數(shù)等做出其他的替換、修改、變化和刪減。

本發(fā)明提供一種用高碳鉻鐵渣和煤矸石為原料合成微晶玻璃的方法。高碳鉻鐵渣的主要化學(xué)成分為MgO、Al₂O₃、SiO₂，另有少量的CaO、Cr₂O₃、Fe₂O₃等。以高碳鉻鐵渣為原料合成堇青石微晶玻璃，高碳鉻鐵渣中的MgO、Al₂O₃、SiO₂是主要原料，Cr₂O₃是主要的晶核劑；高碳鉻鐵渣中的SiO₂及Al₂O₃含量相對堇青石微晶玻璃較低，且有少量的Fe雜質(zhì)。

我國有大量的固廢煤矸石，煤矸石含有一定量的C(20％)左右，其余無機物成份主要為SiO₂、Al₂O₃，二者含量之和一般在60％以上，另有少量Fe₂O₃、CaO、MgO、TiO₂、K₂O和Na₂O等。

本發(fā)明提出以高碳鉻鐵渣為主要原料，配入固廢資源煤矸石以提供制備微晶玻璃所需額外的SiO₂及Al₂O₃，利用煤矸石中的C將高鐵鉻鐵渣和煤矸石中的Fe₂O₃還原為Fe₃O₄磁選除去，剩余的C在高溫下充當(dāng)還原劑，采用熔融法生產(chǎn)堇青石微晶玻璃的新方法。

本發(fā)明以高碳鉻鐵渣和煤矸石為原料制備堇青石微晶玻璃的方法，主要工藝流程如圖1所示，具體步驟包括：

1)將高碳鉻鐵渣和煤矸石按配比混合磨礦，得到礦粉混合物；

2)將步驟1)中得到的礦粉混合物進行焙燒，使混合物中的Fe₂O₃還原為Fe₃O₄，得到含有磁性Fe₃O₄的焙燒后礦粉混合物；

3)將步驟2)中得到的焙燒后礦粉混合物在磁場中進行磁選以除去混合物中的Fe₃O₄，得到除鐵后礦粉混合物；

4)將步驟3)中得到的除鐵后礦粉混合物放入硅鉬棒高溫爐中，加熱混合物熔融并均化，得到熔融態(tài)混合物；

5)將步驟4)中得到的熔融態(tài)混合物澆注入預(yù)熱的模具中成型得到基礎(chǔ)玻璃；

6)將步驟5)中得到的基礎(chǔ)玻璃依次進行退火、核化和晶化處理，得到堇青石微晶玻璃。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟1)中的礦粉混合物的各組分配比為：高碳鉻鐵渣40-45重量份，煤矸石55-60重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，高碳鉻鐵渣包括以下配比的組分：MgO24-40重量份，Al₂O₃ 16-25重量份，SiO₂ 32-38重量份，CaO 0.3-0.5重量份，F(xiàn)e₂O₃ 3-5重量份，Cr₂O₃ 6-8重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，煤矸石包括以下配比的組分：SiO₂ 50-55重量份，Al₂O₃15-25重量份，F(xiàn)e₂O₃ 3-5重量份，C 10-20重量份。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟1)中將高碳鉻鐵渣和煤矸石混合磨礦使礦粉粒度小于200目。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟2)中焙燒溫度為500-520℃，步驟4)中熔融溫度為1500-1600℃，步驟5)中模具預(yù)熱溫度為700-900℃。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟2)中焙燒時間為30-50min，步驟4)中進行加熱的時間為2-3h。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，步驟3)中磁場的磁感應(yīng)強度為1-2T。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法中采用的晶核劑和還原劑分別為高碳鉻鐵渣的Cr₂O₃和煤矸石中的C。

下面參照具體實施例，對本發(fā)明進行說明。

實施例一

選用四川某鐵合金廠的高碳鉻鐵渣，其含有以下配比的組分：MgO25.43重量份，Al₂O₃ 23.88重量份，SiO₂ 35.54重量份，CaO 0.33重量份，F(xiàn)e₂O₃ 5.95重量份，Cr₂O₃ 7.64重量份；選用山西平朔煤矸石，其含有以下配比的組分：SiO₂ 51重量份，Al₂O₃ 19重量份，F(xiàn)e₂O₃3.8重量份，C 15重量份。

將上述43重量份的高碳鉻鐵渣和57重量份的煤矸石進行混合，磨礦使礦粉粒度小于200目，得到礦粉混合物。然后將磨粉混合物在510℃溫度焙燒40min，使原料中的Fe₂O₃轉(zhuǎn)化為Fe₃O₄，得到含有磁性Fe₃O₄的焙燒后礦粉混合物。將焙燒后礦粉混合物在磁感應(yīng)強度為1T的磁場中進行磁選以除去混合物中Fe₃O₄，得到除鐵后礦粉混合物。接著將除鐵后礦粉混合物放入硅鉬棒高溫爐中，在1550℃熔融3h，得到熔融態(tài)混合物。將熔融態(tài)混合物澆注入800℃預(yù)熱的模具中經(jīng)退火成型得到基礎(chǔ)玻璃。最后將得到的基礎(chǔ)玻璃依次進行退火、核化和晶化處理，得到堇青石微晶玻璃。

實施例二

選用吉林某工廠的高碳鉻鐵渣，其含有以下配比的組分：MgO 40重量份，Al₂O₃ 16重量份，SiO₂ 32重量份，CaO 0.3重量份，F(xiàn)e₂O₃ 3.2重量份，Cr₂O₃ 6重量份；選用山西平朔煤矸石，其含有以下配比的組分：SiO₂51重量份，Al₂O₃ 19重量份，F(xiàn)e₂O₃ 3.8重量份，C 15重量份。

將上述40重量份的高碳鉻鐵渣和60重量份的煤矸石進行混合，磨礦使礦粉粒度小于200目，得到礦粉混合物。然后將磨粉混合物在510℃溫度焙燒40min，使原料中的Fe₂O₃轉(zhuǎn)化為Fe₃O₄，得到含有磁性Fe₃O₄的焙燒后礦粉混合物。將焙燒后礦粉混合物在磁感應(yīng)強度為1T的磁場中進行磁選以除去混合物中Fe₃O₄，得到除鐵后礦粉混合物。接著將除鐵后礦粉混合物放入硅鉬棒高溫爐中，在1550℃熔融3h，得到熔融態(tài)混合物。將熔融態(tài)混合物澆注入800℃預(yù)熱的模具中經(jīng)退火成型得到基礎(chǔ)玻璃。最后將得到的基礎(chǔ)玻璃依次進行退火、核化和晶化處理，得到堇青石微晶玻璃。

實施例三

選用吉林某工廠的高碳鉻鐵渣，其含有以下配比的組分：MgO 24重量份，Al₂O₃ 20重量份，SiO₂ 35重量份，CaO 0.3重量份，F(xiàn)e₂O₃ 4.3重量份，Cr₂O₃ 8重量份；選用山西平朔煤矸石，其含有以下配比的組分：SiO₂50重量份，Al₂O₃ 25重量份，F(xiàn)e₂O₃ 5重量份，C 10重量份。

將上述45重量份的高碳鉻鐵渣和55重量份的煤矸石進行混合，磨礦使礦粉粒度小于200目，得到礦粉混合物。然后將磨粉混合物在520℃溫度焙燒30min，使原料中的Fe₂O₃轉(zhuǎn)化為Fe₃O₄，得到含有磁性Fe₃O₄的焙燒后礦粉混合物。將焙燒后礦粉混合物在磁感應(yīng)強度為1.5T的磁場中進行磁選以除去混合物中Fe₃O₄，得到除鐵后礦粉混合物。接著將除鐵后礦粉混合物放入硅鉬棒高溫爐中，在1600℃熔融2h，得到熔融態(tài)混合物。將熔融態(tài)混合物澆注入700℃預(yù)熱的模具中經(jīng)退火成型得到基礎(chǔ)玻璃。最后將得到的基礎(chǔ)玻璃依次進行退火、核化和晶化處理，得到堇青石微晶玻璃。

實施例四

選用四川某鐵合金廠的高碳鉻鐵渣，其含有以下配比的組分：MgO26.3重量份，Al₂O₃ 25重量份，SiO₂ 38重量份，CaO 0.48重量份，F(xiàn)e₂O₃5重量份，Cr₂O₃ 6.8重量份；選用山西平朔煤矸石，其含有以下配比的組分：SiO₂ 55重量份，Al₂O₃ 15重量份，F(xiàn)e₂O₃ 3重量份，C 20重量份。

將上述42重量份的高碳鉻鐵渣和56重量份的煤矸石進行混合，磨礦使礦粉粒度小于200目，得到礦粉混合物。然后將磨粉混合物在500℃溫度焙燒35min，使原料中的Fe₂O₃轉(zhuǎn)化為Fe₃O₄，得到含有磁性Fe₃O₄的焙燒后礦粉混合物。將焙燒后礦粉混合物在磁感應(yīng)強度為2T的磁場中進行磁選以除去混合物中Fe₃O₄，得到除鐵后礦粉混合物。接著將除鐵后礦粉混合物放入硅鉬棒高溫爐中，在1500℃熔融2.5h，得到熔融態(tài)混合物。將熔融態(tài)混合物澆注入900℃預(yù)熱的模具中經(jīng)退火成型得到基礎(chǔ)玻璃。最后將得到的基礎(chǔ)玻璃依次進行退火、核化和晶化處理，得到堇青石微晶玻璃。

實施例五

選用四川某鐵合金廠的高碳鉻鐵渣，其含有以下配比的組分：MgO 30重量份，Al₂O₃20重量份，SiO₂ 35重量份，CaO 0.5重量份，F(xiàn)e₂O₃ 3重量份，Cr₂O₃7.2重量份；選用山西平朔煤矸石，其含有以下配比的組分：SiO₂53重量份，Al₂O₃ 20重量份，F(xiàn)e₂O₃ 4重量份，C 15重量份。

將上述45重量份的高碳鉻鐵渣和60重量份的煤矸石進行混合，磨礦使礦粉粒度小于200目，得到礦粉混合物。然后將磨粉混合物在510℃溫度焙燒50min，使原料中的Fe₂O₃轉(zhuǎn)化為Fe₃O₄，得到含有磁性Fe₃O₄的焙燒后礦粉混合物。將焙燒后礦粉混合物在磁感應(yīng)強度為1T的磁場中進行磁選以除去混合物中Fe₃O₄，得到除鐵后礦粉混合物。接著將除鐵后礦粉混合物放入硅鉬棒高溫爐中，在1550℃熔融2h，得到熔融態(tài)混合物。將熔融態(tài)混合物澆注入800℃預(yù)熱的模具中經(jīng)退火成型得到基礎(chǔ)玻璃。最后將得到的基礎(chǔ)玻璃依次進行退火、核化和晶化處理，得到堇青石微晶玻璃。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；如果不脫離本發(fā)明的精神和范圍，對本發(fā)明進行修改或者等同替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍當(dāng)中。