摘 要 本文采用正交試驗(yàn)法系統(tǒng)考察了煤矸石玻璃陶瓷制備過(guò)程中各因素對(duì)材料三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度的影響，得出了最佳的熱處理工藝條件，為獲得具有實(shí)用價(jià)值的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂系統(tǒng)煤矸石玻璃陶瓷提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞 煤矸石，微晶玻璃，正交試驗(yàn)，強(qiáng)度

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)側(cè)重于自然資源(即一次資源)的開(kāi)發(fā)利用，而對(duì)廢棄物資源的綜合開(kāi)發(fā)利用一直沒(méi)有給予應(yīng)有的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤矸石已累計(jì)堆存達(dá)50多億t，且以每年1.3億t的產(chǎn)量繼續(xù)排放，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^[1]。因此， 研究開(kāi)發(fā)以煤矸石為主要原料的微晶玻璃不僅成本低廉，還能充分利用廢物，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1試驗(yàn)

1.1配方化學(xué)組成確定

實(shí)驗(yàn)以煤矸石、石灰石、石英砂和純堿等為主要原料，其中煤矸石來(lái)自淮南謝一礦。各原料化學(xué)成分如表1所示。

主晶相決定材料性能，透輝石的化學(xué)穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度較高^[2]，故把組成點(diǎn)選在透輝石［CaMg(SiO₃)₂］相區(qū)。為了獲得整體析晶且晶粒微細(xì)、分布均勻的玻璃陶瓷，必須選擇合適的晶核劑。CaF₂、TiO₂的引入可降低玻璃的析晶活化能，促進(jìn)玻璃液分相，并在此基礎(chǔ)上，形成晶核，促進(jìn)玻璃微晶化。同時(shí)，CaF₂又可降低玻璃液的粘度^[3]，所以選擇CaF₂、TiO₂作為成核劑。綜合考慮配料系統(tǒng)的熔制性能和晶化效果確定配料組成，其化學(xué)組成如表2所示。

1.2試驗(yàn)過(guò)程及分析方法

根據(jù)配方將原料準(zhǔn)確稱量，混合均勻，然后在硅鉬棒電阻爐中于1450℃恒溫熔制2h，將熔制好的玻璃液澆鑄于事先預(yù)熱到650℃的不銹鋼板上成形，然后迅速置于600℃的硅碳棒電阻爐中進(jìn)行退火處理1h，隨爐冷卻后取出備用。

用國(guó)產(chǎn)WDW-1005型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度；用美國(guó)Perkins Elmens Pysis-1差熱分析儀進(jìn)行DTA分析；用siemens公司的D5000型X射線衍射儀進(jìn)行晶相分析；用日本電子JMS-5600LV型掃描電子顯微鏡觀察顯微結(jié)構(gòu)。

2正交試驗(yàn)

影響玻璃陶瓷性能的最主要的因素是主晶相的種類及其數(shù)量和分布，前者主要決定于配料系統(tǒng)組成，后者則主要決定于試樣的熱處理工藝制度，即核化溫度、核化時(shí)間、晶化溫度和晶化時(shí)間。從圖1中可以看出，在650℃附近有個(gè)明顯的吸熱峰，這是因玻璃到達(dá)退火點(diǎn)時(shí)輕微吸熱所致。而在820～930℃范圍內(nèi)有一個(gè)很強(qiáng)的放熱峰，說(shuō)明此時(shí)晶核開(kāi)始長(zhǎng)大形成晶體。從圖1中還可以看出，核化峰與晶化峰彼此獨(dú)立分開(kāi)且相距較遠(yuǎn)，所以本試驗(yàn)的熱處理制度宜采用階梯溫度制度。根據(jù)文獻(xiàn)^[4]，玻璃陶瓷熱處理過(guò)程中的核化時(shí)間為0.5～2h，晶化時(shí)間一般不少于1h。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)正交試驗(yàn)的原理^[5]確定實(shí)驗(yàn)方案，試驗(yàn)因素水平表及L9(34)正交表分別見(jiàn)表3和表4。

3結(jié)果與討論

3.1正交試驗(yàn)與極差分析

極差越大說(shuō)明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)影響越大。從極差分析結(jié)果可得出各因素對(duì)玻璃陶瓷強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋壕Щ瘻囟龋竞嘶瘯r(shí)間＞核化溫度?垌晶化時(shí)間。由于晶化時(shí)間的級(jí)差僅為1.2，所以，其對(duì)強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)低于其它三個(gè)因素。

試樣強(qiáng)度的大小與其熱處理?xiàng)l件有關(guān)，可通過(guò)測(cè)定不同熱處理?xiàng)l件下試樣的強(qiáng)度計(jì)算出各指標(biāo)效應(yīng)值，根據(jù)正交試驗(yàn)原理來(lái)確定適宜的工藝參數(shù)。圖2為正交試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析，由圖2可知，隨著晶化溫度升高，試樣的強(qiáng)度增大；隨著核化溫度的升高、核化與晶化時(shí)間的增大，試樣的強(qiáng)度先升后降，并存在極大值。因此，可確定其最佳熱處理工藝參數(shù)為：核化溫度700℃、晶化溫度920℃、核化時(shí)間1h、晶化時(shí)間1h，依此熱處理?xiàng)l件制備的煤矸石玻璃陶瓷（＃8試樣）的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為176.02MPa。

3.2XRD分析

選擇抗彎強(qiáng)度低、中、高的第#1、#7、#8三個(gè)試樣做XRD測(cè)試（如圖3）。根據(jù)XRD分析可知煤矸石玻璃陶瓷的主晶相為透輝石，并含有少量的鎂黃長(zhǎng)石晶相。從圖3可以看出，#1、#7、#8試樣各晶相的衍射峰的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，晶相的含量逐漸增多。對(duì)多晶材料來(lái)說(shuō)，晶界強(qiáng)度比晶粒內(nèi)部弱，材料的斷裂破壞多是沿晶界斷裂。材料中晶相含量高，則晶界長(zhǎng)，裂紋的擴(kuò)展要走的路程長(zhǎng)，抗彎強(qiáng)度高，所以#8樣的抗彎強(qiáng)度必然最高。

3.3熱處理?xiàng)l件對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的影響

圖4分別給出了#1、#7、#8試樣的SEM照片，比較可以看出，#1試樣中的透輝石晶體幾乎沒(méi)有長(zhǎng)大；#7試樣的晶粒比#1試樣有明顯的長(zhǎng)大但還沒(méi)有發(fā)育完全；而#8試樣中透輝石晶粒已經(jīng)長(zhǎng)大成形，為顆粒狀且均勻分布，顆粒大小在1μm左右。以上分析也可以解釋#1、#7、#8試樣抗彎強(qiáng)度逐漸升高的原因。

4結(jié)論

（1）本系統(tǒng)的煤矸石玻璃陶瓷，其最佳熱處理工藝參數(shù)為：核化溫度700℃、晶化溫度920℃、核化時(shí)間1h、晶化時(shí)間1h；

（2） 本系統(tǒng)的煤矸石玻璃陶瓷，各熱處理工藝因素對(duì)其強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋壕Щ瘻囟龋竞嘶瘯r(shí)間＞核化溫度raquo;晶化時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

1寧叔凡，何 超等.壓延法礦渣微晶玻璃成分的研究[J].玻璃與搪瓷，1999，28(4):9～14

2趙運(yùn)才，肖漢寧，譚 偉.耐磨微晶玻璃的組成與晶化特性的研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2003，31（4），406～409

3王天碩.硅酸鹽巖相學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，19804 P.W.麥克米倫[英].微晶玻璃[M].

5王仞千.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 1988

6張鐵茂，丁建國(guó).試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].兵器工業(yè)出版社， 1990

Effect of Heat Treatment on Compression Strength of Gangue Glass-ceramics

Zheng Linyi

(Department of Material Science and Engineering Anhui University of Science and TechnologyHuainan232001)

Abstract: Cross experiment was used to investigate the effect of heat treatment on compression strergth of gangue glass-ceramic，and the optimal heat-treatment technics was obtained.The data provided useful reference for the mass production of CaO-MgO-Al2O3-SiO2 gangue glass-ceramics.

Keywords: gangue，glass-ceramic，cross experiment，strength