本發(fā)明涉及一種以高爐熔渣為主原料的金星微晶玻璃及其制備方法，屬于建筑裝飾材料領域。
背景技術：
鋼鐵行業(yè)是我國經(jīng)濟的重要基礎產(chǎn)業(yè)的一種，同時在世界上擁有著不可忽視的地位，但它同樣也面臨著節(jié)能減排以及提高經(jīng)濟效益方面的挑戰(zhàn)。高爐煉鐵過程中產(chǎn)生的能源消耗大約占了鋼鐵工業(yè)總耗能的59.8％，其在鋼鐵工業(yè)能耗方面占了很大的比重。高爐熔渣是高爐冶煉鐵過程中排放出的一種堿性固體廢棄物，屬于其中數(shù)量最多的一種副產(chǎn)品，是由鐵礦石中的土質組分(石英、黏土礦物、碳酸鹽、磷灰石等)和石灰石(或白云石)熔劑化合，并在1400℃～1600℃的高溫下成熔融狀態(tài)時，由助熔劑與鐵礦石發(fā)生高溫反應生成。近年來，我國高爐鐵工業(yè)發(fā)展迅猛，每年的粗高爐產(chǎn)量高達8億噸，占世界粗高爐總產(chǎn)量的近一半。多數(shù)高爐鐵企業(yè)將高溫熔渣通過一定的冷卻處理后，運至大型渣場堆棄，不僅浪費了高爐熔渣的大量熱能，同時還占據(jù)了大量的土地與農(nóng)田，對環(huán)境造成嚴重污染。因此合理利用高爐熔渣對于節(jié)能減排方面有著重大意義。
我國作為世界最大的高爐鋼鐵生產(chǎn)國，每年有大量的高爐熔渣產(chǎn)生。這些廢棄高爐熔渣對我國的環(huán)境產(chǎn)生了嚴重威脅。針對這一情況，國內(nèi)對高爐熔渣的循環(huán)利用進行了大量研究，且主要應用在建筑材料行業(yè)，其利用方式包括以下幾種：水泥生料，道路材料，磚、瓦、砌塊等。但是由于礦渣組成成分的不穩(wěn)定及相關建筑材料對原料要求較高，其利用并不理想。如，做水泥生料的高爐熔渣，其含鐵量的要求通常很難達到，導致高爐熔渣水泥早期強度較低；制作磚塊的高爐熔渣，其比重較大而無法充當實心墻面材料。如果作為道路基層材料還會出現(xiàn)附加值低的問題。
每生產(chǎn)1噸生鐵要副產(chǎn)0.4～0.6噸高爐熔渣，液態(tài)熔渣在出爐前排出溫度在1500℃左右，1t高爐熔渣約含1650mj的熱量，相當于0.06t標準煤的發(fā)熱值，可見高爐熔渣的顯熱資源巨大，而現(xiàn)實中高爐熔渣顯熱是高爐鋼鐵企業(yè)中唯一沒有被充分利用的高品質余熱資源。因此，高爐熔渣高溫顯熱高效回收技術和利用高爐熔渣制備高附加值產(chǎn)品的技術而倍受關注。目前關于高爐熔渣的利用幾乎全部采用冷渣的方式進行利用，而高爐熔渣中的顯熱則采用形成蒸汽的方式被間接利用，利用效率被大大降低。
為更好地利用高爐熔渣的“熱”與“渣”，國內(nèi)外許多研究人員提出直接利用高溫的高爐熔渣，通過添加輔料的方式制備微晶玻璃，由此可以同時利用高爐熔渣的熱和渣。在這一領域也有多項專利出現(xiàn)，但未涉及金星微晶玻璃的內(nèi)容。對于金星微晶玻璃的制備方法是將首先制備好的金星玻璃料通過混合的方式加入到玻璃料中而制備的一類玻璃材料。
如，專利cn1403673a提供了一種石紋金星玻璃磚的制備方法，按重量百分比包括透明顏色玻璃0～80％、乳濁玻璃0～80％、顏色玻璃顆粒及玻璃金砂20％，制備出玻璃磚高貴、富麗堂皇，有強烈視覺感及效果，體現(xiàn)個性化、藝術化、廣泛用于室內(nèi)外裝飾、裝修。專利cn1084834a提供了一種金礦尾砂制造金星玻璃，采用金礦尾砂作為主要原料和玻璃工業(yè)用普通的廉價原料及少量的形成金星基座的添加劑經(jīng)充分混和后熔制、成型、退火后制得。成品質優(yōu)，美觀，華麗而成本得到大幅度降低，可做成實用器皿、工藝品及其他裝飾品。專利cn1100388a提供了一種新型玻璃馬賽克——銅金星玻璃馬賽克，其技術要點是：它在基礎玻璃液中，均勻投入銅金星玻璃顆粒，投入量為基礎玻璃料的10—40％，經(jīng)壓制后成型，所得產(chǎn)品半透明體，內(nèi)藏片狀銅結晶，表面為光面。
但是，由以上專利以及目前現(xiàn)有技術中所提出金星(微晶)玻璃的制備方法，均必須將金星料以外加的成分或方式加入到對應的玻璃品種中才可制的金星玻璃，同時，其往往會存在金星外加料在基礎玻璃中溶解、消失，且金星外加料消耗量大的現(xiàn)象。所以，目前還沒有文獻報道能通過基礎玻璃料的組分設計、微晶化熱處理工藝制度的控制，實現(xiàn)直接利用高爐熔渣制備金星微晶玻璃的方法。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術存在的不足而提供一種以高爐熔渣為主原料的金星微晶玻璃及其制備方法，通過基礎玻璃組分的設計與微晶化熱處理制度的控制，無需添加金星外加料，即可制備得到金星微晶玻璃。
本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為：
一種以高爐熔渣為主原料的金星微晶玻璃，其原料主要包括高爐熔渣和輔料，高爐熔渣和輔料的質量份數(shù)比為(90～160)：100；且高爐熔渣和輔料混熔后所得玻璃熔體的化學組成按質量百分比計在下述范圍內(nèi)：sio240～50％，al2o35～9％，cao15～23％，mgo3～6％，mno0～2％，na2o1～5％，k2o3～9％，fe2o32～7％，tio20.1～2％，nio0.1～0.5％，na2sif66～20％。
按上述方案，所述輔料主要包括石英砂、石灰石、純堿、氟硅酸鈉、碳酸鉀、氧化鋁等。輔料具體添加量需要參考實際生產(chǎn)中高爐熔渣的組成，保證高爐熔渣和輔料混熔后的玻璃熔體的化學組成在本發(fā)明要求的范圍內(nèi)即可。
按上述方案，所述高爐熔渣化學組成按質量百分比計為：sio230～40％，al2o310～20％，cao30～45％，mgo7～10％，mno0～2％，fe2o31～3％，tio20.1～5％。
上述以高爐熔渣為主原料的金星微晶玻璃的制備方法，按上述原料配比準備高爐熔渣與輔料；將高爐熔渣與輔料分別在1350℃～1400℃熔化后，在1450℃～1500℃溫度下充分混熔1～2h，得到混合熔體，混合熔體經(jīng)成型得到的基礎玻璃；然后，所得基礎玻璃經(jīng)晶化熱處理后，退火即得到金星微晶玻璃。
優(yōu)選地，晶化熱處理過程包括三個階段的保溫過程，第一階段：將基礎玻璃直接冷卻至980-900℃保溫10-30min；第二階段：繼續(xù)冷卻至850-800℃保溫10-30min；第三階段：于晶化熱處理下限溫度750-700℃保溫30-60min。晶化熱處理過程使基礎玻璃微晶化同時析出所需要的微晶相與金星相。
進一步地，所述成型采用澆鑄法，對混合熔體進行成型。混合熔體連續(xù)流入成型模具的溫度范圍為1220℃～1360℃，通過流動攤平可成型為板塊狀的玻璃。
進一步地，所述退火的上限溫度為600～620℃，下限溫度為460～480℃。進一步優(yōu)選地，退火上下限間的降溫速率控制在1-1.5℃/min的范圍內(nèi)。
本發(fā)明所得金星微晶玻璃所采用的原料高爐熔渣中含有鐵、鈦等可以作為金星相的物質，因此無需添加金星外加料。由于鈦和鐵的引入，使得它們在玻璃熔體的冷卻過程中可以有條件的析出，形成金星微晶相。但是，該金星相析出的過程要求嚴格，必須逐漸降溫，并且在關鍵溫度點進行保溫。
金星微晶玻璃的外觀特征為，在大面積基礎材料中，含有閃耀的棕黃色金星片狀顆粒，起到裝飾的效果。該金星微晶玻璃具有密度大和強度高的特點，密度為2.8-3.8g/cm3，抗折強度高達100-170mpa。同時，本發(fā)明所得金星微晶玻璃具有小片狀晶體，立體感、色彩感很強，可以作為裝飾材料使用。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
1、本發(fā)明首次采用高爐熔渣為主原料制備金星微晶玻璃，能通過基礎玻璃料的組分設計、微晶化熱處理工藝制度的控制，無需添加金星外加料，金星是通過對玻璃熔體的熱處理直接得到，即能實現(xiàn)直接利用高爐熔渣制備金星微晶玻璃，方法簡便、易于控制。
2、本發(fā)明制得的金星微晶玻璃不僅性能優(yōu)良，同時外觀漂亮裝飾微晶玻璃，而且有小片狀晶粒，可以用來做裝飾材料，大大提升了高爐熔渣微晶玻璃的附加值。
3、現(xiàn)有技術的金星微晶玻璃的制備過程中，其最大的生產(chǎn)成本來自原材料的熔制過程，就需要將配合料加熱至1400℃-1450℃，能耗很大；而本發(fā)明中利用熱的高爐熔渣直接制備金星微晶玻璃，充分利用了高爐熔渣的高溫所帶的熱能，生產(chǎn)中只需提供將附加原料加熱至熔制的熱能既可，這樣就大大降低了能耗，節(jié)約了大量資源。
4、本發(fā)明主要原料為高爐熔渣，約占總原料的50-65wt％(為高爐熔渣的大規(guī)模資源化利用提供了一種有效途徑，能夠變廢為寶，減少環(huán)境污染，可以很好的緩解我國高爐熔渣大量廢棄的問題。)
5、本發(fā)明在實際生產(chǎn)應用中可以使用玻璃電爐來熔制，用連續(xù)澆鑄法來成型，同時連續(xù)澆鑄法生產(chǎn)玻璃的方法具有產(chǎn)量大，產(chǎn)品質量穩(wěn)定的優(yōu)點，不僅能充分利用這些副產(chǎn)品，由于生產(chǎn)集成度高，相比其他生產(chǎn)工藝，能節(jié)約大量生產(chǎn)面積。
附圖說明
圖1為本發(fā)明所制得的金星微晶玻璃照片。
圖2為本發(fā)明所制得的金星微晶玻璃照片。
具體實施方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明不僅僅局限于下面的實施例。
實施例1
一種以高爐熔渣為主原料的金星微晶玻璃，其原料主要包括高爐熔渣和輔料，高爐熔渣和輔料的質量份數(shù)比為90：100，且高爐熔渣和輔料混熔后所得玻璃熔體的化學組成按質量百分比計在下述范圍內(nèi)：sio240～50％，al2o35～9％，cao15～23％，mgo3～6％，mno0～2％，na2o1～5％，k2o3～9％，fe2o32～7％，tio20.1～2％，nio0.1～0.5％，na2sif66～20％。
上述以高爐熔渣為主原料的金星微晶玻璃的制備方法，具體步驟如下：
a.本實施例采用的高爐熔渣為90份，其化學組成按質量百分比計為：sio233.3％，al2o315.2％，cao37.6％，mgo9.4％，mno1％，fe2o31.5％，tio22％；采用的輔料為：石英砂47.96份、石灰石0.61份、純堿21.22份、氟硅酸鈉24.82份，氧化鐵4.78份，氧化鎳0.61份；
b.在同一高溫爐中放置兩只剛玉坩堝，分別在1350℃熔化高爐熔渣和輔料，然后在1450℃保溫1h后，將熔化輔料坩堝中的玻璃液倒入熔化有高爐熔渣的坩堝中，通過不銹鋼攪拌器進行人工攪拌，對兩種熔體進行混合均勻并繼續(xù)保溫1h，得到高溫澄清、均化的玻璃熔體；
c.將步驟b所得玻璃熔體倒入成型模具的中，采用澆鑄法進行成型，玻璃熔體流入成型模具的溫度范圍為1220℃，通過流動攤平成型成板塊狀的玻璃，制得基礎玻璃板；
d.將得到的基礎玻璃板進行晶化熱處理，晶化熱處理方法包括三個階段，具體為：將成型好的基礎玻璃板直接冷卻至950℃保溫10min，結束后繼續(xù)冷卻至850℃保溫30min，最后晶化熱處理下限溫度750℃保溫30min，使基礎玻璃板微晶化同時析出所需要的微晶相與鐵鈦金星相；
e.步驟d所得基礎金星微晶玻璃板塊經(jīng)退火爐退火至室溫，退火上限溫度為600℃，退火下限溫度為460℃，退火上下限間的降溫速率控制在1℃/min的范圍內(nèi)，從而得到閃耀的棕黃色金星片狀顆粒的金星微晶玻璃，密度為2.85g/cm3，抗折強度高達110.3mpa。
實施例2
一種以高爐熔渣為主原料的金星微晶玻璃，其原料主要包括高爐熔渣和輔料，高爐熔渣和輔料的質量份數(shù)比為125：100；且高爐熔渣和輔料混熔后所得玻璃熔體的化學組成按質量百分比計在下述范圍內(nèi)：sio240～50％，al2o35～9％，cao15～23％，mgo3～6％，mno0～2％，na2o1～5％，k2o3～9％，fe2o32～7％，tio20.1～2％，nio0.1～0.5％，na2sif66～20％。
上述以高爐熔渣為主原料的金星微晶玻璃的制備方法，具體步驟如下：
a.本實施例采用的高爐熔渣為125份，其化學組成按質量百分比計為：sio233.3％，al2o315.2％，cao37.6％，mgo9.4％，mno1％，fe2o31.5％，tio22％；采用的輔料為：石英砂46.50份、純堿19.56份、氟硅酸鈉28.62份，氧化鐵4.80份，氧化鎳0.52份；
b.在同一高溫爐中放置兩只剛玉坩堝，分別在1380℃熔化高爐熔渣和輔料，然后在1480℃保溫1h后，將熔化輔料坩堝中的玻璃液倒入熔化有高爐熔渣的坩堝中，通過不銹鋼攪拌器進行人工攪拌，對兩種熔體進行混合均勻并繼續(xù)保溫1h，得到高溫澄清、均化的玻璃熔體；
c.將步驟b所得玻璃熔體入成型模具的中，采用澆鑄法進行成型，玻璃熔體流入成型模具的溫度范圍為1290℃，通過流動攤平成型成板塊狀的玻璃，在成型的過程中玻璃出現(xiàn)分相和小片狀晶體，制得基礎玻璃板；
d.將得到的基礎玻璃板進行晶化熱處理，晶化熱處理方法包括三個階段，具體為：將成型好的基礎玻璃板直接冷卻至950℃保溫20min，結束后繼續(xù)冷卻至850℃保溫20min，最后晶化熱處理下限溫度750℃保溫45min，使基礎玻璃板微晶化同時析出所需要的微晶相與鐵鈦金星相；
e.步驟d所得基礎金星微晶玻璃板塊經(jīng)退火爐退火至室溫，退火上限溫度為610℃，退火下限溫度為470℃，退火上下限間的降溫速率控制在1.2℃/min的范圍內(nèi)，從而得到呈閃耀的棕黃色金星片狀顆粒的金星微晶玻璃，密度為3.38g/cm3，抗折強度高達133.2mpa。
實施例3
一種以高爐熔渣為主原料的金星微晶玻璃，其原料主要包括高爐熔渣和輔料，高爐熔渣和輔料的質量份數(shù)比為160：100；且高爐熔渣和輔料混熔后所得玻璃熔體的化學組成按質量百分比計在下述范圍內(nèi)：sio240～50％，al2o35～9％，cao15～23％，mgo3～6％，mno0～2％，na2o1～5％，k2o3～9％，fe2o32～7％，tio20.1～2％，nio0.1～0.5％，na2sif66～20％。
上述以高爐熔渣為主原料的金星微晶玻璃的制備方法，具體步驟如下：
a.本實施例采用的高爐熔渣為160份，其化學組成按質量百分比計為：sio233.3％，al2o315.2％，cao37.6％，mgo9.4％，mno1％，fe2o31.5％，tio22％；采用的輔料為：石英砂45.70份、純堿19.98份、氟硅酸鈉29.23份，氧化鐵4.82份，氧化鎳0.27份；
b.在同一高溫爐中放置兩只剛玉坩堝，分別在1400℃熔化高爐熔渣和輔料，然后在1500℃保溫1h后，將熔化輔料坩堝中的玻璃熔體倒入熔化有高爐熔渣的坩堝中，通過不銹鋼攪拌器進行人工攪拌，對兩種熔體進行混合均勻并繼續(xù)保溫1h，得到高溫澄清、均化的玻璃熔體；
c.將步驟b所得玻璃熔體入成型模具的中，采用澆鑄法進行成型，玻璃熔體流入成型模具的溫度范圍為1360℃，通過流動攤平成型成板塊狀的玻璃，制得基礎玻璃板；
d.將得到的基礎玻璃板進行晶化熱處理，晶化熱處理方法包括三個階段，具體為：將成型好的基礎玻璃板直接冷卻至950℃保溫30min，結束后繼續(xù)冷卻至850℃保溫10min，最后晶化熱處理下限溫度750℃保溫60min，使基礎玻璃板微晶化同時析出所需要的微晶相與鐵鈦金星相；
e.所得基礎金星微晶玻璃板經(jīng)退火電爐退火至室溫，退火上限溫度為620℃，退火下限溫度為480℃，退火上下限間的降溫速率控制在1.5℃/min的范圍內(nèi)，從而得到呈閃耀的棕黃色金星片狀顆粒的金星微晶玻璃，密度為3.50g/cm3，抗折強度高達150.2mpa。
總之，本發(fā)明制得的金星微晶玻璃基板中閃耀的棕黃色金星片狀顆粒，具有密度大和強度高的特點，密度為2.9-3.2g/cm3，抗折強度高達100-170mpa。因此，本發(fā)明利用煉高爐過程中產(chǎn)生的高爐熔渣，制作低成本的建筑金星微晶玻璃，可以廣泛的應用到建筑裝飾行業(yè)。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構思的前提下，還可以做出若干改進和變換，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。