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热处理温度对矿渣微晶玻璃显微结构及耐腐蚀性的影响研究

发布日期:2014年2月12日

随着我国经济的快速发展,矿产资源不断消耗的同时也产出了大量的尾矿。日前,我国现有尾矿库12718座,其中在建尾矿库为1526座,占总数的12%,已经闭库的尾矿库1024席,占总数的8%,截至2007年,全国尾矿堆积总量为8046亿吨。仅2007年,全国尾矿排量近10亿吨。尾矿和工业废渣的大量堆积,不仅占用了大量的上地,污染了环境,而且是对二次资源的严重浪费。因此,有效地利用尾矿和上业废渣制备特殊性能的高附加值产晶,不仅可以缓解尾矿和工业废渣给社会带来的环境压力,减轻企业的经济负担等问题,而且能够实现二次资源的循环利用,形成经济、环境和社会的综合效益。

矿渣微晶玻璃具有力学性能好、耐磨、耐腐蚀等优异性能,它在建筑、机械、矿业和化学工业等领域具有广阔的应用前景,且能够大量的利用尾矿和工业废渣,成产成本低廉,因此,近年来,矿渣微晶玻璃的开发与应用研究引起厂世界各国材料科研者的广泛关注。但是以白云鄂博矿二次选后尾矿和粉煤灰制备具有高耐腐蚀性能的微晶玻璃的报道极为少见,本文作者利用白云 鄂博二次选后尾矿和粉煤灰制备微晶玻璃,针对矿渣微 晶玻璃耐腐蚀性能及鼎微结构进行r的研究,并与同类 产晶铸石进行了对比分析与讨论。

试样制备与测试方法

试样的制备

试验利用白云鄂博二次选后尾矿和粉煤灰为主要原料,其中尾矿化学组成(wt%):列表27.56Si02, 7.20Al2O3,17.21Ca0, 5.32Mg0,17.35Fe203, 3.14Fe0, 10.35CaF2,1.24K2O,3.11Na20, 3.25REO, 0.17Nb205, 4 1其它;粉煤灰化学组成(wt%):53.44Si02, 20.35AL2O,8.47Ca0, 3.15Mg0, 3.25F e20 3, 1.02Fe0, 1.15K2O,1.11Na20,8.06其它。根据白云鄂博选后尾矿与粉煤灰成分特点,参照Cao-AL2O3-sio2三元相图设计基础配 方,基础玻璃组成如表1.

白云鄂博二次选矿后尾矿中含有一定量的氧化铁和氟化钙, 二者可作为制备矿渣微晶玻璃的形核剂,因此在料方计算时,不 需另外添加形核剂,而且根据白云鄂博二次选后尾矿与粉煤灰中 二氧化硅,氧化钙,氧化铝成分互补特点设计配方可以提高废渣 的综合利用率,降低成本。

根据原料成分及基础玻璃组分计算料方,分别称量;将称好的原料放于罐磨机内球磨混合1小时,将混合料置于 400m L的刚玉坩埚内,在高温硅钼棒炉内以5℃/min的升温速率升温到1450℃熔制3h,得到均一的玻璃液。将熔制好的玻璃液一部分浇铸于预热到610℃的铁制模具中成型,剩余部分倒入水中得到水淬玻璃试样,以备热分析使用。成型后的玻璃试样放于610℃马弗炉内退火5h,随炉冷却至室温,热处理备用。根据热分析曲线得到的晶化温度对退火玻璃试样进行微晶化热处理,最终得到微晶玻璃试样。

测试与表征

将水淬玻璃试样研磨,过200目筛,用德国 NETZSCH STA 449C型综合热分析仪进行DTA测试,测试以氧化铝为参比物,无保护气,升温速率为10℃ /min。根据热分析曲线确定微晶化过程种的热处理温度。利用德国布鲁克D 8 ADVANCE X射线衍射仪对晶化试样进行物相鉴定,测试条件为:工作电压40kV,工作电流80m A,Cu靶,扫描速度2。/min,扫描范围 20 - 80。将试样切割成4m m×4m m的块样,磨平抛光后,用3%的HF溶液腐蚀40s,喷金后用荷兰飞利浦 QUANTA 400型环境扫描电子晶微镜对试样进行形貌观 察;参照国家标准《铸石制晶耐酸碱性能试验方法JC/ T 258-1993》测定厂微晶玻璃的耐酸碱性。

结果与讨论

热分析(DTA)

图1为水淬玻璃试样的热分析曲线(DTA),由图可知,基础玻璃在780℃有一个较强的放热峰。实验过程中没有额外添加形核剂,而是利用白云鄂博二次选后尾矿引入的CaF2,Fe2O3及微量的Ti2O作为复合晶核剂。单轴晶CaF2的晶格常数为a=0。547nm。由于F阴离子半径氧阴离子半径相近,因而F阴离子易取代玻璃网络结构中的氧离子,又不造成其他离子排列的太大畸变,其结果使玻璃网络结构变弱,离子迁移活化能减小,使玻璃粘度降低,易于分相,促进玻璃析晶;由于铁氧键的键能(397。48k J/m 01),比铝氧键(481。16kJ/m ol)与硅氧键(774。04k J/m ol)的键能小, [Fe04]四面体在玻璃巾不稳定,在热处理时将有铁从玻璃网络中脱离出来而富集分相,促进玻璃析晶。

根据热分析曲线,分别选取800℃,820℃,840℃, 860℃作为热处理的晶化温度,分别对试样进行热处理得到微晶玻璃试样。

物相分析(XRD)与显微形貌观察(SEM)

图2为基础玻璃和不同热处理温度下得到的微晶玻璃x射线衍射图可知,基础玻璃几乎没有衍射峰出现,并且在30度附近出现了-个非晶包,说明没有经过高温晶化热处理的基础玻璃试样为非晶态物质;经过晶化热处理的玻璃试样,出现厂辉石相(Augite)、氟化钙(Calcium F luorite)和氟化钠(V illiaum ite),并且随着晶化温度的逐步提高,微晶玻璃的晶相种类没有发生变化,但是衍射峰逐步增强,说明晶化程度有所改变,并且在860℃时衍射峰强度相对较高,结晶程度较好,有利于提高微晶玻璃的综合性能。

图3为不同热处理温度下微晶玻璃的SEM图片,图种可以看出,当热处理温度较低时(800℃),只有少量的未发育完全的球状晶粒弥敖于基体玻璃上,并且有少量的微裂纹存在;随着晶化温度的提高,820℃热处理后,晶粒有所长大,但是结构疏松;晶化温度的继续提高(840℃, 860℃),微晶玻璃中晶粒与晶粒相互堆积、晶粒与玻璃相相互咬合,晶体生长比较完整,晶粒尺寸小于300nm。但是相对而言,晶化温度为860℃晶化程度更高,晶粒尺寸更均匀。以上分析说明,随着晶化温度的提高,有利于晶粒的生长,对晶化程度的提高有一定的促进作用。

耐酸碱性

基础玻璃及不同热处理温度下得到的微晶玻璃的耐酸碱性结果。由表可知,基础玻璃的耐酸碱性不如热处理后的微晶玻璃,经过热处理后的微晶玻璃具有较好的耐酸碱性能,随着热处理温度的提高,耐酸碱性能均有一定提高,且耐酸性普遍高于耐碱性,增幅逐渐变缓。在840℃和860℃处理后,微晶玻璃的耐酸碱性均达到99%以上,均高于铸石制晶的耐酸碱性能。

出现表2实验结果的主要原因在于:微晶玻璃显微结构是影响其耐酸碱性能的主要因素之一。对于微晶玻璃材料来说,除厂氢氟酸和过热磷酸外,一般的酸并不直接与其发生反应,而是通过水对玻璃起侵蚀作用。绝大多数情况卜,微晶玻璃的侵蚀首先是从其众的玻璃相开始,这是因为侵蚀涉及H+和玻璃相中的阳离子(通常为碱金属离子)之问的离子交换。玻璃相中的碱金属离子与晶 体众的同类离子相比,具有更大的反应能力,从而更易受到化学侵蚀;而碱对玻璃的侵蚀是通过氢氧根离子破坏硅氧骨架,使硅氧键断裂,网络解体产生三S O-群,使其溶解于碱液中。而酸溶液巾生成的Si(0 H)4.是一种极性分子,它能够使周围的水分子极化,而定向地附着在自己周围,成为Si(0H)4。nH2O,这是一个高度分数的Si02- H2O系统,通常成为硅酸凝胶,除了有一部分溶于水外,大部分附着在玻璃表面,形成一层具有抗水和抗酸能力较强的硅胶保护膜,这种保护膜的存在减缓了碱金属离子H+的交换作用,从而使得离子交换反应速率逐渐减慢,以致停止,所以一般情况卜,微晶玻璃的抗酸能力比抗碱能力强,这与实验结果是吻合的。

结论

秒速快3(1)以白云鄂博二次选后尾矿和粉煤灰为主要原料,采用熔融法可以制得以普通辉石为主晶相,耐腐蚀性能优异的微晶玻璃材料,为尾矿和粉煤灰的综合利用提供了一条新途径。

(2)在热处理温度为800 - 860℃,随着热处理温度的提高,微晶玻璃的耐腐蚀性能有所增强,增幅逐渐变缓,且耐酸性高于耐碱性;在860℃保温2h得到的微晶玻璃结晶程度最高,晶粒分布致密而均匀,相应的耐腐蚀性能最优,耐酸性为99。8%,耐碱性为997%,均高于铸石制晶的耐酸碱性能,所以作为工业用耐腐蚀材料进行推广。

秒速快3(3)影响微晶玻璃材料耐酸碱性能的主要因素为显微结构,结晶程度越高,晶粒分布越均匀,制品的耐酸碱性能越高。

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