煤矸石微晶玻璃制备及性能研究

发布时间：2020-10-21 18:13

　　近年来,煤炭在我国国家能源结构中仍占有很大的比例,煤矸石作为煤炭生产过程中被分离出来的固体废弃物也在逐年累积。目前,这些煤矸石以粗加工利用为主,附加值较低。本文针对这一问题,以煤矸石为主要原料制备微晶玻璃,探索了煤矸石为主要原料熔制玻璃过程,研究了不同化学组成的煤矸石基础玻璃的熔制性能;研究了不同化学组成、不同热处理制度下煤矸石微晶玻璃的析晶和烧结行为;探索了煤矸石微晶玻璃的结构衍变规律;对试验制备的煤矸石微晶玻璃进行宏观性能测试;最后,提出一种新的煤矸石微晶玻璃着色工艺。通过上述研究得到以下结论:1煤矸石和其他辅料熔制基础玻璃的过程是:煤矸石中有机质燃烧、高岭石受热脱水并与其它辅料反应生成硅酸盐,在高温下硅酸盐熔融、澄清、均化,得到粘度小的澄清玻璃液。其中,温度升高,煤矸石基础玻璃熔制进程加快;Na_2O含量高、SiO_2/Al_2O_3比值大的煤矸石基础玻璃较易熔制:Na_2O含量为25%的煤矸石基础玻璃在1300℃下即可熔制,SiO_2/Al_2O_3比值为3.0的煤矸石基础玻璃熔制温度也仅有1350℃;MgO含量为12%的煤矸石基础玻璃在1400℃可实现熔制,增加或降低MgO含量都会使煤矸石基础玻璃熔制温度升高。2 Na_2O含量由10%增加到25%,煤矸石微晶玻璃主晶相由镁橄榄石相转变为霞石相,最终转变为硅铝酸钠相,晶体不断长大、数量先迅速增加后缓慢减少;MgO含量高的煤矸石微晶玻璃易于析出柱状镁橄榄石相,且当MgO含量为19%时,煤矸石微晶玻璃析晶较好;SiO_2/Al_2O_3比值≥2.0时,SiO_2/Al_2O_3比值增大,煤矸石微晶玻璃中晶体尺寸逐渐变大,但霞石相重熔,主晶相由霞石相逐渐转变为镁橄榄石相。3煤矸石微晶玻璃的烧结通过粘性流动完成,烧结速率主要受体系粘度影响,同时又与微晶玻璃析晶相关。Na_2O含量高、SiO_2/Al_2O_3比值大、热处理温度高的煤矸石微晶玻璃粘度小,烧结速率快;MgO含量高的煤矸石微晶玻璃,由于MgO大量参与析晶,对烧结不利。4煤矸石微晶玻璃热处理过程中,温度较低时,基础玻璃颗粒表面先析出晶体,随着温度升高,晶体增多、长大;当温度达到某一值时,煤矸石微晶玻璃烧结过程开始,试样逐渐致密,同时试样中的晶体继续增多、长大;但当温度过高时,熔点较低的晶体发生重熔,晶体数量减少且玻璃及晶体熔融产生的液相会包裹颗粒间的气体,对试样致密化不利。结构的变化最终会引起煤矸石微晶玻璃性能的改变。5在坯体成型时,加入1%Co_2O_3和3%NiO可将煤矸石微晶玻璃分别着成蓝色和紫色;而加入1%K_2Cr_2O_7,煤矸石微晶玻璃试样表面形成黄色条纹。
【学位单位】：安徽建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TQ171.733
【部分图文】：

熔融法,等温式,阶梯式,硅铝质

安徽建筑大学硕士学位论文第 1 章绪论根据成核和晶体生长是否在同一温度下进行，可将熔融法分为等温式和阶梯式两种类型(如图 1-3 所示)[31]。制备硅铝质固体废弃物微晶玻璃一般采用阶梯式，即成核和晶体生长在不同温度下进行，但当硅铝质固体废弃物含有较高的 CaO 或MgO，析晶倾向大时，也可采用等温式[72]。用熔融法制备硅铝质固体废弃物微晶玻璃具有如下优点：①基础玻璃组成范围宽；②由于基础玻璃的澄清、均化是在较高温度和较长时间下进行，微晶玻璃结构致密、组成均匀，所以性能良好、可靠性高；③基础玻璃热处理过程中，玻璃坯体的变形小，成品率高；④由于熔融法与典型玻璃生产工艺相比，只是多了一个晶化处理过程，所以基础玻璃的成型可沿用任何一种玻璃成型方法，对硅铝质固体废弃物微晶玻璃的形状和尺寸具有很好的适用性。但是熔融法制备硅铝质固体废弃物微晶玻璃存在①基础玻璃熔融温度高、时间长，这将增加熔融工艺的难度和能源消耗；②晶化过程在实际生产

试验流程,微晶玻璃,煤矸石

安徽建筑大学硕士学位论文第 1 章绪论(2) 探索煤矸石微晶玻璃的化学组成与析晶间关系并研究煤矸石微晶玻璃析晶/烧结对性能的影响；(3) 制备彩色煤矸石微晶玻璃；1.4.2 技术路线本文以煤矸石为主要原料制备微晶玻璃，并在此基础上，研究基础玻璃熔制阶段煤矸石基础玻璃的熔制特性；热处理阶段，煤矸石微晶玻璃的析晶和烧结性能；最后，测试煤矸石微晶玻璃试样的宏观性能，并对煤矸石微晶玻璃试样进行着色，制备不同色泽，具有纹理花纹的微晶玻璃，提高其装饰性。其试验流程如图 1.4 所示。

相图,相图,基础玻璃,煤矸石

安徽建筑大学硕士学位论文第 2 章煤矸石基础玻璃的设计及熔制过程配方设计遵循以下原则：1、熔制基础玻璃所需温度低，时间短；2、煤矸石掺量较高，价格高或资源短缺原料用量少；3、基础玻璃水淬过程不析晶，经过热处理后，能够获得足够数量的晶体[57]。参考 MgO-Al2O3-SiO2系统相图(图 2-2)和有关研究结果[35,76,77,78]，设计煤矸石基础玻璃的组成范围如表 2.2 所示。
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