專利名稱：利用鐵礦石尾礦制備多孔玻璃復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于礦物加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用鐵礦石尾礦制備多孔玻璃復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
多孔玻璃及玻璃陶瓷是20世紀(jì)發(fā)展起來的嶄新材料體系。由于其全無機(jī)玻璃的組成和獨(dú)立封閉的氣孔結(jié)構(gòu)，從而賦予了它許多優(yōu)異的特性。利用廉價(jià)的工業(yè)固體廢棄物，如廢玻璃、礦渣、粉煤灰等為原料制備低成本、高質(zhì)量的多孔玻璃材料已廣泛受到人們的重視。
目前，利用工業(yè)固體廢棄物如廢玻璃、煤矸石等為原料制備多孔玻璃材料已有文獻(xiàn)報(bào)道，但迄今為止，國內(nèi)外還未見利用鐵礦石尾礦制備多孔玻璃復(fù)合材料的報(bào)道。隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，鐵礦石尾礦在工業(yè)固體廢棄物中占的比例也越來越大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)有150多種，開發(fā)建立了8000多座礦山，累計(jì)生產(chǎn)尾礦59.7億噸，其中堆存的鐵尾礦量占全部尾礦堆存總量的近1/3。尾礦不僅占用了大量土地，而且也給人類生產(chǎn)、生活帶來了嚴(yán)重污染和危害，現(xiàn)已受到了全社會的廣泛關(guān)注。同時(shí)，隨著礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)和利用，礦石資源日益貧乏，尾礦作為二次資源的再利用問題也已受到世界各國的重視。鐵尾礦作為冶金行業(yè)的一種廢棄物由于其排放量大，利用率低，已對環(huán)境造成了較大的污染。因此，無論從經(jīng)濟(jì)上還是生態(tài)上等方面考慮，都需對鐵尾礦進(jìn)行大量有效的利用。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有多孔玻璃復(fù)合材料制備技術(shù)及鐵尾礦利用技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種利用鐵礦石尾礦制備多孔玻璃復(fù)合材料的方法。
本發(fā)明采用二步法制備多孔玻璃復(fù)合材料。第一步采用鐵尾礦、鋁礬土、碳酸鈣和廢玻璃為原料，制備基礎(chǔ)玻璃粉末。所用鐵尾礦的主要化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為SiO260～70％，F(xiàn)e2O318～25％，其余為CaO、Al2O3、MgO、MnO2和TiO2；用鋁礬土(Al2O3含量以重量百分比計(jì)為76～85％)、碳酸鈣和廢玻璃(廢玻璃SiO2含量以重量百分比計(jì)為67～71％、Na2O含量以重量百分比計(jì)為9～15％)調(diào)整成分。
工藝步驟如下(1)破碎對粒狀鐵尾礦用制樣機(jī)破碎后得到鐵尾礦粉；(2)球磨對經(jīng)破碎的鐵尾礦粉進(jìn)行細(xì)磨，直至原料粒度達(dá)到200目(74μm)以下；(3)配料按所要求制備材料的成分和配比進(jìn)行配料；以重量百分比計(jì)，按鐵尾礦48～65％、鋁礬土5～9％、碳酸鈣10～20％、廢玻璃15～30％配料。
(4)濕混將配制好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)進(jìn)行球磨混合，濕混時(shí)間20～24小時(shí)；
(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于50～60℃下烘干；(6)干混；混合料充分烘干后再經(jīng)球磨干混4～6小時(shí)，以確?；旌狭铣浞志鶆?。將所得坯料置于干燥器中保存；(7)熔化培燒將干混好的物料裝入坩堝中，放入加熱爐中熔化焙燒。坩堝采用石墨坩堝，加熱爐采用高溫箱型電阻爐。熔化溫度為1200～1250℃；保溫時(shí)間為1.5～2小時(shí)；升溫速率為15～20℃/min；(8)水淬將熔融狀態(tài)的物料取出，放入常溫冷水中進(jìn)行水淬處理；(9)研磨將水淬得到的玻璃物料采用制樣機(jī)破碎后，球磨研磨至粒度145目(105μm)以下，得到玻璃粉末。
第二步多孔玻璃陶瓷材料的制備。以第一步制備的玻璃粉末為基礎(chǔ)原料，以重量百分比計(jì)，添加占基礎(chǔ)玻璃1～5％的碳酸鈣、6～10％的磷酸鈉、1～3％的碳酸鈉和1～6％的硼砂后，將混合料研磨混合0.5～2h確?；旌狭铣浞只旌暇鶆颉Ｈ缓?，將混合好的物料單軸向下模壓成型，成型壓力20～40MPa，保壓1～2min。將該生坯放入石墨坩堝中在空氣氣氛中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。燒結(jié)爐采用高溫箱型電阻爐。升溫、降溫過程包括預(yù)熱、發(fā)泡，燒結(jié)和冷卻階段?；旧郎?、降溫制度為以6～8℃/min的速率升溫至400～500℃，保溫15～25min；以10～12℃/min的速率升溫至850～1000℃，保溫35～45min；以12～15℃/min的速率升溫至1050～1150℃后保溫15～25min。降溫速率為5～8℃/min，將物料冷卻至常溫，得到產(chǎn)品。
本發(fā)明的產(chǎn)品多孔玻璃復(fù)合材料氣孔分布均勻，容重小，抗壓強(qiáng)度大。該產(chǎn)品生產(chǎn)成本低，屬于低密度、高強(qiáng)度材料。容重為1.5～2.8g/cm3，常溫抗壓強(qiáng)度為32～60MPa，是良好的保溫隔熱材料。本發(fā)明的特點(diǎn)是利用儲量巨大、成本低廉的鐵尾礦為主要原料，采用兩步法制備多孔玻璃陶瓷材料，不僅開辟了制備多孔玻璃陶瓷的新途徑，而且為我國鐵尾礦無新的廢棄和污染且生態(tài)化的整體利用提供了一條新途徑，也為今后工業(yè)規(guī)模處理鐵尾礦奠定了理論和工藝基礎(chǔ)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1采用二步法制備多孔玻璃復(fù)合材料。第一步制備基礎(chǔ)玻璃粉末。所用鐵尾礦的主要化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為SiO265％，F(xiàn)e2O322％，其余CaO、Al2O3、MgO、MnO2和TiO2為13％；用鋁礬土(Al2O3含量以重量百分比計(jì)為82％)、碳酸鈣(分析純)和廢玻璃(SiO2含量以重量百分比計(jì)為69％，Na2O含量以重量百分比計(jì)為11％)調(diào)整成分。
其工藝步驟如下(1)破碎對粒狀鐵尾礦用制樣機(jī)破碎后得到鐵尾礦粉；(2)球磨對經(jīng)破碎的鐵尾礦粉進(jìn)行細(xì)磨，直至原料粒度達(dá)到200目(74μm)以下；
(3)配料按所要求制備材料的成分和配比進(jìn)行配料；以重量百分比計(jì)，按鐵尾礦56％、鋁礬土7％、碳酸鈣15％、廢玻璃22％配料。
(4)濕混將配制好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)進(jìn)行球磨混合，濕混時(shí)間22小時(shí)；(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于55℃下烘干；(6)干混混合料充分烘干后再經(jīng)球磨干混5小時(shí)，以確?；旌狭铣浞志鶆?。將所得坯料置于干燥器中保存；(7)熔化培燒將干混好的物料裝入坩堝中，放入加熱爐中熔化焙燒。坩堝采用石墨坩堝，加熱爐采用高溫箱型電阻爐。熔化溫度為1220℃；保溫時(shí)間為1.8小時(shí)；升溫速率為18℃/min；(8)水淬將熔融狀態(tài)的物料取出，放入常溫冷水中進(jìn)行水淬處理；(9)研磨將水淬得到的玻璃物料采用制樣機(jī)破碎后，球磨研磨至粒度145目(105μm)以下，得到玻璃粉末。
第二步多孔玻璃陶瓷材料的制備。以第一步制備的玻璃粉末為基礎(chǔ)原料，以重量百分比計(jì)，添加占基礎(chǔ)玻璃5％的碳酸鈣、8％的磷酸鈉、2％的無水碳酸鈉和3％的硼砂后，要求各添加物料的粒度≤200μm，將混合料置于瑪瑙研缽中研磨混合1h確保混合料充分混合均勻。然后，將混合好的物料單軸向下模壓成型，壓成φ15×5mm的小圓坯，成型壓力30MPa，保壓1.5min。將該生坯放入石墨坩堝中在空氣氣氛中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。燒結(jié)爐采用高溫箱型電阻爐。升溫、降溫過程包括預(yù)熱、發(fā)泡，燒結(jié)和冷卻階段?；旧郎亍⒔禍刂贫葹橐?℃/min的速率升溫至450℃，保溫20min；以11℃/min的速率升溫至950℃，保溫40min；以13℃/min的速率升溫至1100℃后保溫20min。降溫速率為6℃/min，將物料冷卻至常溫，得到產(chǎn)品。
分析結(jié)果表明制得的多孔玻璃復(fù)合材料表面光滑，氣孔分布均勻，平均直徑為0.9mm，容重為1.5g/cm3，抗壓強(qiáng)度為60MPa。
實(shí)施例2采用二步法制備多孔玻璃復(fù)合材料。第一步制備基礎(chǔ)玻璃粉末。所用鐵尾礦的主要化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為SiO270％，F(xiàn)e2O325％，其余CaO、Al2O3、MgO、MnO2和TiO2為5％；用鋁礬土(Al2O3含量以重量百分比計(jì)為85％)、碳酸鈣(分析純)和廢玻璃(SiO2含量以重量百分比計(jì)為71％，Na2O含量以重量百分比計(jì)為15％)調(diào)整成分。
其工藝步驟如下(1)破碎對粒狀鐵尾礦用制樣機(jī)破碎后得到鐵尾礦粉；(2)球磨對經(jīng)破碎的鐵尾礦粉進(jìn)行細(xì)磨，直至原料粒度達(dá)到200目(74μm)以下；(3)配料按所要求制備材料的成分和配比進(jìn)行配料；以重量百分比計(jì)，按鐵尾礦65％、鋁礬土9％、碳酸鈣11％、廢玻璃15％配料。
(4)濕混將配制好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)于聚氨酯球磨罐中進(jìn)行球磨混合，濕混時(shí)間24小時(shí)；(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于60℃下烘干；(6)干混混合料充分烘干后再經(jīng)球磨干混6小時(shí)，以確?；旌狭铣浞志鶆?。將所得坯料置于干燥器中保存；(7)熔化培燒將干混好的物料裝入坩堝中，放入加熱爐中熔化焙燒。坩堝采用石墨坩堝，加熱爐采用高溫箱型電阻爐。熔化溫度為1250℃；保溫時(shí)間為2小時(shí)；升溫速率為20℃/min；(8)水淬將熔融狀態(tài)的物料取出，放入常溫冷水中進(jìn)行水淬處理；(9)研磨將水淬得到的玻璃物料采用制樣機(jī)破碎后，球磨研磨至粒度145目(105μm)以下，得到玻璃粉末。
第二步多孔玻璃陶瓷材料的制備。以第一步制備的玻璃粉末為基礎(chǔ)原料，以重量百分比計(jì)，添加占基礎(chǔ)玻璃3％的碳酸鈣、10％的磷酸鈉、1％的無水碳酸鈉和1％的硼砂后，將混合料置于瑪瑙研缽中研磨混合2h確?；旌狭铣浞只旌暇鶆颉Ｈ缓?，將混合好的物料單軸向下模壓成型，壓成φ15×5mm的小圓坯，成型壓力40MPa，保壓1min。將該生坯放入石墨坩堝中在空氣氣氛中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。燒結(jié)爐采用高溫箱型電阻爐。升溫、降溫過程包括預(yù)熱、發(fā)泡，燒結(jié)和冷卻階段。基本升溫、降溫制度為以8℃/min的速率升溫至500℃，保溫15min；以12℃/min的速率升溫至1000℃，保溫40min；以15℃/min的速率升溫至1150℃后保溫15min。降溫速率為8℃/min，將物料冷卻至常溫，得到產(chǎn)品。
分析結(jié)果表明制得的多孔玻璃復(fù)合材料氣孔較密，平均直徑為0.6mm，容重為1.96g/cm3，抗壓強(qiáng)度為32MPa。
實(shí)施例3采用二步法制備多孔玻璃復(fù)合材料。第一步制備基礎(chǔ)玻璃粉末。所用鐵尾礦的主要化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為SiO261％，F(xiàn)e2O320％，其余CaO、Al2O3、MgO、MnO2和TiO2為19％；用鋁礬土(Al2O3含量以重量百分比計(jì)為76％)、碳酸鈣(分析純)和廢玻璃(SiO2含量以重量百分比計(jì)為67％，Na2O含量以重量百分比計(jì)為9％)調(diào)整成分。
其工藝步驟如下(1)破碎對粒狀鐵尾礦用制樣機(jī)破碎后得到鐵尾礦粉；(2)球磨對經(jīng)破碎的鐵尾礦粉進(jìn)行細(xì)磨，直至原料粒度達(dá)到200目(74μm)以下；(3)配料按所要求制備材料的成分和配比進(jìn)行配料；以重量百分比計(jì)，按鐵尾礦48％、鋁礬土5％、碳酸鈣19％、廢玻璃28％配料。
(4)濕混將配制好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)進(jìn)行球磨混合，濕混時(shí)間20小時(shí)；
(5)干燥將濕混后的料漿放入烘箱中于50℃下烘干；(6)干混混合料充分烘干后再經(jīng)球磨干混4小時(shí)，以確?；旌狭铣浞志鶆?。將所得坯料置于干燥器中保存；(7)熔化培燒將干混好的物料裝入坩堝中，放入加熱爐中熔化焙燒。坩堝采用石墨坩堝，加熱爐采用高溫箱型電阻爐。熔化溫度為1200℃；保溫時(shí)間為1.5小時(shí)；升溫速率為15℃/min；(8)水淬將熔融狀態(tài)的物料取出，放入常溫冷水中進(jìn)行水淬處理；(9)研磨將水淬得到的玻璃物料采用制樣機(jī)破碎后，球磨研磨至粒度145目(105μm)以下，得到玻璃粉末。
第二步多孔玻璃陶瓷材料的制備。以第一步制備的玻璃粉末為基礎(chǔ)原料，以重量百分比計(jì)，添加占基礎(chǔ)玻璃1％的碳酸鈣、6％的磷酸鈉、3％的無水碳酸鈉和6％的硼砂后，將混合料置于瑪瑙研缽中研磨混合0.5h，確?；旌狭铣浞只旌暇鶆?。然后，將混合好的物料單軸向下模壓成型，壓成φ15×5mm的小圓坯，成型壓力20MPa，保壓2min。將該生坯放入石墨坩堝中在空氣氣氛中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)爐采用高溫箱型電阻爐。升溫、降溫過程包括預(yù)熱、發(fā)泡，燒結(jié)和冷卻階段?；旧郎亍⒔禍刂贫葹橐?℃/min的速率升溫至400℃，保溫25min；以10℃/min的速率升溫至900℃，保溫45min；以12℃/min的速率升溫至1050℃后保溫25min。降溫速率為5℃/min，將物料冷卻至常溫，得到產(chǎn)品。
分析結(jié)果表明制得的多孔玻璃復(fù)合材料表面較光滑，平均直徑為0.7mm，容重為2.8g/cm3，抗壓強(qiáng)度為50MPa。
權(quán)利要求
1.利用鐵礦石尾礦制備多孔玻璃復(fù)合材料的方法，其特征在于采用二步法第一步，制備基礎(chǔ)玻璃粉末，采用鐵尾礦、鋁礬土、碳酸鈣和廢玻璃為原料，首先對粒狀鐵尾礦破碎后得到鐵尾礦粉；對經(jīng)破碎的鐵尾礦粉進(jìn)行細(xì)磨，直至原料粒度達(dá)到74μm以下；然后配料，以重量百分比計(jì)，按鐵尾礦48～65％、鋁礬土5～9％、碳酸鈣10～20％、廢玻璃15～30％配料；將各物料混合均勻后，熔化焙燒，熔化溫度為1200～1250℃，保溫時(shí)間為1.5～2小時(shí)，升溫速率為15～20℃/min；將熔融狀態(tài)的物料取出，放入常溫冷水中進(jìn)行水淬處理；將水淬得到的玻璃物料破碎后，球磨研磨至粒度105μm以下，得到玻璃粉末；第二步制備多孔玻璃陶瓷材料，以第一步制備的玻璃粉末為基礎(chǔ)原料，以重量百分比計(jì)，添加占基礎(chǔ)玻璃1～5％的碳酸鈣、6～10％的磷酸鈉、1～3％的無水碳酸鈉和1～6％的硼砂后，將混合料研磨混合0.5～2h，然后，將混合好的物料模壓成型，將該生坯在空氣氣氛中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)后冷卻至常溫，得到產(chǎn)品。
2.按照權(quán)利要求1所述的利用鐵礦石尾礦制備多孔玻璃復(fù)合材料的方法，其特征在于第一步中物料的混合方法為濕混、干燥、干混，將配制好的混合料以無水乙醇為介質(zhì)進(jìn)行球磨混合，濕混時(shí)間20～24小時(shí)；將濕混后的料漿于50～60℃下烘干；混合料充分烘干后再經(jīng)球磨干混4～6小時(shí)，將所得坯料置于干燥器中保存。
3.按照權(quán)利要求1所述的利用鐵礦石尾礦制備多孔玻璃復(fù)合材料的方法，其特征在于第二步模壓成型采用單軸向下模壓成型方法，成型壓力20～40MPa，保壓1～2min。
4.按照權(quán)利要求1所述的利用鐵礦石尾礦制備多孔玻璃復(fù)合材料的方法，其特征在于第二步高溫?zé)Y(jié)基本升溫、降溫制度為以6～8℃/min的速率升溫至400～500℃，保溫15～25min；以10～12℃/min的速率升溫至900～1000℃，保溫35～45min；以12～15℃/min的速率升溫至1050～1150℃后保溫15～25min，降溫速率為5～8℃/min，將物料冷卻至常溫。
全文摘要
利用鐵礦石尾礦制備多孔玻璃復(fù)合材料的方法，采用二步法，第一步，采用鐵尾礦、鋁礬土、碳酸鈣和廢玻璃為原料制備基礎(chǔ)玻璃粉末，對鐵尾礦粉碎、細(xì)磨后，按重量百分比鐵尾礦48～65％、鋁礬土5～9％、碳酸鈣10～20％、廢玻璃15～30％配料；將各物料混合均勻后，熔化焙燒、水淬、研磨，得到玻璃粉末；第二步制備多孔玻璃陶瓷材料，以重量百分比計(jì)，添加占基礎(chǔ)玻璃1～5％的碳酸鈣、6～10％的磷酸鈉、1～3％的無水碳酸鈉和1～6％的硼砂后，將混合料研磨混合、模壓成型，將該生坯進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)后冷卻至常溫，得到產(chǎn)品。產(chǎn)品氣孔分布均勻，容重小，抗壓強(qiáng)度大。容重為1.5～2.8g/cm
文檔編號C03B32/02GK1850682SQ20061004675
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者薛向欣, 張淑會, 段培寧 申請人:東北大學(xué)