賈紅玉，劉敬東，郭玉安

（安陽鋼鐵集團有限責任公司，河南 安陽 455004）

安鋼高爐礦渣生產(chǎn)微晶玻璃的可行性探討

賈紅玉，劉敬東，郭玉安

（安陽鋼鐵集團有限責任公司，河南 安陽 455004）

介紹了微晶玻璃及其生產(chǎn)技術，并從生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品應用市場方面進行了分析。提出安鋼微晶玻璃利用的生產(chǎn)技術方案，就安鋼實現(xiàn)微晶玻璃生產(chǎn)的可行性進行探討。詳細價紹了微晶玻璃在新型建筑材料行業(yè)及化學工業(yè)、機械工業(yè)方面的應用前景。

高爐礦渣；微晶玻璃；可行性

0 前言

礦渣是鋼鐵企業(yè)煉鐵生產(chǎn)時的副產(chǎn)物，也是鋼鐵企業(yè)開發(fā)利用的寶貴資源。在高爐生產(chǎn)時，除了向高爐內(nèi)加入鐵礦石等原料外，還需加入相當數(shù)量的石灰作為助熔劑和造渣劑。在爐內(nèi)溫度為1400～1600℃時，鐵礦石和助熔劑發(fā)生高溫熔融，經(jīng)空氣或水淬急冷處理形成粒狀顆粒物，稱為?；郀t礦渣。據(jù)統(tǒng)計，每生產(chǎn)1 t鐵產(chǎn)生約350 kg礦渣，如此大量礦渣不能得到有效的處理和利用，不但造成資源浪費，還會產(chǎn)生環(huán)境污染。因此，合理有效地利用礦渣已成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、尋求可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

安鋼集團目前每年產(chǎn)生礦渣約240萬t，大量礦渣主要用于生產(chǎn)礦渣水泥、水泥和混凝土的摻合料、生產(chǎn)礦渣微粉等。以礦渣為主要原料制作微晶玻璃是綜合利用礦渣的有效途徑。

1 微晶玻璃

微晶玻璃又稱玻璃陶瓷或結晶化玻璃，是綜合玻璃和石材技術發(fā)展起來的一種新型裝飾材料。因其可用礦石、工業(yè)尾礦、冶金礦渣、粉煤灰、煤矸石等作為主要原材料，生產(chǎn)過程中無污染、產(chǎn)品本身無放射污染，是環(huán)保產(chǎn)品或綠色材料。

微晶玻璃集中了玻璃、陶瓷及天然石材的三重優(yōu)點，可用于建筑幕墻及室內(nèi)高檔裝飾，還可作機械上的結構材料、電子、電工上的絕緣材料、大規(guī)模集成電路的底板材料、微波爐耐熱器皿、化工與防腐材料和礦山耐磨材料等，是具有發(fā)展前景的新型材料。

2 高爐礦渣生產(chǎn)微晶玻璃的可行性

2.1 政策可行性

2010年工業(yè)和信息化部已經(jīng)將尾礦生產(chǎn)微晶玻璃技術納入《金屬尾礦綜合利用專項規(guī)劃（2010～2015年）》的重點攻關技術[1]。2013年6月，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《新材料產(chǎn)業(yè)標準化工作三年行動計劃》，提出到2015年完成200項重點標準修訂工作，立項并啟動300項新材料標準研制，開展50項重點標準預研究，微晶玻璃位列其中。

2.2 技術可行性

JC/T 2097—2011《工業(yè)用微晶板材》和JC/T 2157—2012《低膨脹透明微晶玻璃》的頒布實施，為微晶玻璃的產(chǎn)業(yè)化應用提供了技術支持。

礦渣是生產(chǎn)微晶玻璃的主要原料之一，其化學成分與微晶玻璃相近（見表1），因此，利用礦渣生產(chǎn)微晶玻璃在技術上是可行的[2]。

3 微晶玻璃生產(chǎn)

生產(chǎn)微晶玻璃的方法較多，選取的依據(jù)主要以原料的類別及其性質(zhì)、對材料使用環(huán)境及性能的要求等，主要有整體析晶法、燒結法、溶膠-凝膠法和浮法。生產(chǎn)礦渣微晶玻璃主要采用整體析晶法、燒結法。

3.1 整體析晶法

3.1.1 整體析晶法生產(chǎn)工藝

最早的微晶玻璃是用整體析晶法制備的，至今整體析晶法仍然是制備微晶玻璃的主要方法。其工藝過程為：在原料中加入一定量的晶核劑并混合均勻，于1400～1500℃高溫下熔制，均化后玻璃熔體成形，經(jīng)退火后在一定溫度下進行核化和晶化，以獲得晶粒細小且結構均勻的微晶玻璃制品。

3.1.2 整體析晶法的特點

可沿用任何一種玻璃的成形方法，如壓延、壓制、吹制、拉制、澆鑄等；適合自動化操作和制備形狀復雜、尺寸精確的制品。微晶玻璃是通過受控晶化的材料，在熱處理過程中，玻璃經(jīng)過晶核形成、晶體生長，最后轉變?yōu)楫愑谠疾ＡУ奈⒕РＡАＲ虼?，熱處理是微晶玻璃生產(chǎn)的關鍵技術。熱處理過程一般分2個階段進行，即將退火后的玻璃加熱至晶核形成溫度T核，并保溫一定時間，在玻璃中出現(xiàn)大量穩(wěn)定的晶核后，再升溫到晶體生長溫度T晶，使玻璃轉變?yōu)榫哂衼單⒚咨踔良{米晶粒尺寸的微晶玻璃。對于以氟化物為晶核劑的微晶玻璃，由于氟化物在退火冷卻過程中從熔體里分相出來，起著晶核的作用，因此，可以不需核化保溫而直接進入晶體生長階段，使玻璃在晶化上限溫度適當時間，制出的微晶玻璃幾乎可達到全部晶化。

整體析晶法可采用技術成熟的玻璃成形工藝來制備復雜形狀的制品，便于機械化生產(chǎn)。由玻璃坯體制備的微晶玻璃在尺寸上變化不大，組成均勻，不存在氣孔等常見的缺陷，因而微晶玻璃不僅性能優(yōu)良且具有比陶瓷更高的可靠性。

3.1.3 整體析晶法的玻璃體系

目前用整體析晶法制備的微晶玻璃體系有：Li2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)、MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)、Li2O-CaO-MgO-Al2O3-Si2O系統(tǒng)等。

3.2 燒結法

3.2.1 燒結法生產(chǎn)工藝

燒結法制備微晶玻璃材料的基本工藝為將一定組分的配合料投入到玻璃熔窯中，在高溫下使配合料熔化、澄清、均化、冷卻，然后，將合格的玻璃液導入冷水中，使其水淬成一定顆粒大小的玻璃顆粒。水淬后的玻璃顆粒的粒度范圍可根據(jù)微晶玻璃成形方法的不同進行不同的處理。

3.2.2 燒結法的特點

（1）晶相和玻璃相的比例可以任意調(diào)節(jié)控制；

（2）基礎玻璃的熔融溫度比整體析晶法低，熔融時間短，能耗較低；

（4）由于玻璃顆粒或粉末具有較高的比表面積，因此，即使基礎玻璃整體析晶較差，生產(chǎn)中利用玻璃的表面析晶現(xiàn)象，同樣可以獲得晶相比列較高的微晶玻璃。

3.2.3 燒結法的玻璃體系

目前用燒結法制備的微晶玻璃體系有：CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)、MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)、Na2O-CaO-MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)等。

4 微晶玻璃的應用

4.1 作為新型建筑材料的應用前景

在建筑裝飾領域，傳統(tǒng)的大理石、花崗巖等天然石材曾一度受到人們的青睞和追捧。由于受到資源上的限制、開采對環(huán)境的破壞、部分產(chǎn)品檢測出輻射物質(zhì)等因素的影響，近年來人們逐漸開始選擇機械強度高、耐腐蝕性強、色澤好、顏色可以選擇的微晶玻璃板材作為建筑裝飾材料，還可根據(jù)實際需要生產(chǎn)各種花紋、形狀和規(guī)格的異型微晶玻璃建材。微晶玻璃已經(jīng)成為機場航站樓、地鐵墻面裝飾、銀行、別墅等各類型建筑理想的裝飾材料，已廣泛應用于高檔建材領域。如北京人民大會堂廣東廳、北京新機場候機樓、大連國際中心等都采用了微晶玻璃作為室內(nèi)外建筑裝飾材料[3]。在倡導綠色建材、構建低碳經(jīng)濟的時代，用微晶玻璃代替其它天然石材已成必然趨勢。微晶玻璃與大理石、瓷質(zhì)磚、花崗巖的性能比較見表2。

4.2 在化學工業(yè)上的應用前景

利用微晶玻璃優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕性，可用于制造礦漿流、腐蝕性液體或者煤炭等物質(zhì)的管道、襯里、閥門，也可用作反應容器、電解池及攪拌器內(nèi)襯。在化學工業(yè)及食品加工工業(yè)的大型金屬容器作內(nèi)襯材料，晶粒尺寸細小致密的微晶玻璃襯里更加優(yōu)越，其出色的耐熱沖擊能力及高強度，使它可允許的操作條件得以放寬。微晶玻璃襯里與陶瓷玻璃襯里相比，具有更好的化學穩(wěn)定性、抗震性以及更好的機械性能。

在新型環(huán)保材料及新能源開發(fā)領域，微晶玻璃也有獨特的用武之地。例如在噴射式燃燒器中采用多孔微晶玻璃以去除汽車尾氣所含的碳氫化合物。此外，微晶玻璃可作密封劑出現(xiàn)在鈉硫電池的制造中，在核能開發(fā)利用領域，微晶玻璃可以用來制造核反應堆密封劑，用作核廢料儲存材料等。

傳統(tǒng)的骨質(zhì)疏松治療方法主要是抑制骨吸收，但骨質(zhì)疏松患者常伴骨形成受抑制，且常伴有心腦血管疾病、糖尿病、高脂血癥等疾病，存在腸道屏障功能障礙、腸道吸收功能減退、維生素D和鈣攝入不足、肝腎功能減退等狀態(tài)，因此限制了傳統(tǒng)骨質(zhì)疏松藥物的應用[1]。

近幾年來，多孔泡沫微晶玻璃新材料研究的熱點之一是這種微晶玻璃具有大的比表面積和很強的耐酸堿性，可廣泛應用于環(huán)境工程中，例如用作過濾器、催化劑載體以及生物體反應器。

4.3 在機械工業(yè)上的應用前景

類比于金屬材料，微晶玻璃具有很好的耐磨、耐侵蝕性，電導率和磁導率低且質(zhì)量輕。其優(yōu)異的機械性能加上可容易獲得光滑的表面使它用于特殊軸承的制造。高強度和較好的耐磨特性使其可替換其它材料用以制作球磨機內(nèi)襯、料槽或管道，可極大地延長設備使用壽命。以PVD法將氧化鋁、氧化硅系微晶玻璃蒸鍍至金屬軸承上形成涂層，可使軸承獲得更為光滑的表面，提高其耐磨性和散熱能力。微晶玻璃也屬于脆性材料，具有高抗張強度，抗熱沖擊能力較強，有的可以抵抗5～1000℃的溫度驟變且不被破壞，甚至可以使用在溫差400℃的極端條件下。

微晶玻璃作為結構材料，其強度和可被機械加工的能力是重要的2個參考指標。目前已有多種提高微晶玻璃強度的方法，比如通過合理的成分設計和工藝控制，促使高膨脹相在基礎玻璃的熱處理過程中析出；對制品的表面進行涂層處理從而形成壓力層；對制品添加第二相粒子及纖維增強等。微晶玻璃的可切削性也拓寬了其作為特殊無機材料的應用范圍，這一性質(zhì)使它可使用普通車床進行機械加工。利用云母特殊的取向性和可切削性，可制備出可切削加工的云母微晶玻璃。

微晶玻璃的熱膨脹性也是它作為結構材料使用時的重要參考指標。低熱膨脹系數(shù)的產(chǎn)品具有更好的尺寸穩(wěn)定性及抗熱沖擊能力，這類微晶玻璃可用來制造高精度的器件，比如哥倫比亞號航天飛機就采用了許多由低膨脹微晶玻璃制作的零件。當把微晶玻璃用作封接材料時，一般要有較高的熱膨脹系數(shù)以實現(xiàn)熱匹配。微晶玻璃這一優(yōu)秀的力學材料已經(jīng)廣泛應用于旋轉葉片、活塞等機械材料的制造上，且由于其具備的一些獨特的機械性能，使其在某些特定的高科技領域也得到一定應用，比如，利用其可機械加工和脆性研制出的多級火箭隔倉材料。

5 結語

（1）以高爐礦渣為主要原料生產(chǎn)微晶玻璃，符合國家產(chǎn)業(yè)和環(huán)保政策。

（2）利用高爐礦渣生產(chǎn)微晶玻璃為礦渣的高附加值綜合利用開辟一條有效的新途徑。

（3）利用高爐礦渣生產(chǎn)微晶玻璃，可促使鋼鐵制造業(yè)和建材行業(yè)實現(xiàn)綠色化和真正的可持續(xù)發(fā)展。

[1]龍文志.微晶玻璃及微晶玻璃幕墻[J].中國建材，2001（3）：47-49.

[2]林杰.高溫液態(tài)礦渣在微晶玻璃生產(chǎn)中的應用研究[J].南方金屬, 2006（2）：41-43.

[3]于明興，劉敬東，郭玉安，等.安鋼高爐礦渣利用途徑探討[J].河南冶金，2014（1）：33-36.

Discussion on feasibility of producing glass ceramics with Anyang Iron and Steel blast furnace slag

JIA Hongyu，LIU Jingdong，GUO Yu'an
（Anyang Iron and Steel Group Co.Ltd.，Anyang 455004，Henan，China）

This paper introduced the glass ceramics and its production technology，analyzed from the production process and product application market point of view，put forward the production technology scheme of producing glass ceramics with Anyang slag，and discussed the feasibility of glass ceramics production.Introduce in detail the application prospect of glass ceramics in new building materials industry，chemical industry，and machinery industry.

blast furnace slag，glass ceramics，feasibility

TU524

A

1001-702X（2015）06-0063-03

2014-11-24；

2014-12-29

賈紅玉，男，1968年生，河南扶溝人，高級工程師，從事鋼鐵冶金渣處理及綜合利用工作。