微晶陶瓷肖汉宁彭文琴高荣华高纪明李启绩(湖南大学化学化工学院长沙410082)摘要钢铁工业废渣量犬面广，如何再生利用是国家环境保护和可持续发展战略的要求。通过对材料组成和结构的 设计，获得了高炉矿渣和钢渣用量为55一60、抗弯强度大于300MPa、显微硬度达12GPa、耐磨性比耐磨钢高26倍 的微晶陶瓷。探讨了晶耪剂的种类和用量及微晶化工艺条件对钢铁废渣微晶内瓷的结构和性能的影响。研究表明： ZrO：、Cr：O，是最有效的晶核剂在一定工艺条件下所制备的微晶陶瓷的晶相含量可达90以上，晶粒大小仅 01扯 0 3pm多为等轴柱状晶，以辉石类为主晶相。该嫩晶陶瓷价格低、性能好，是一种有广泛应用前景的新型耐磨材料。关键词工业废渣 微晶陶瓷 耐磨材料 晶核剂 徽晶化工艺状的玻璃坯件，然后进行微晶化处理以制备具有高 耐磨性的微晶陶瓷，用作耐磨结构材料，是一项集随着我国钢铁工业盯不断发展，为满足冶金化 新材料研制和废渣利用、环境保护于一体的具有显 学反应和清除杂质而加人的各种矿化剂以及钢铁 著社会经济效益及推广应用价值的课题，也是冶金 熔体对炉体耐火材料的：溶蚀而形成的废渣的排出 行业急待勰决的一大难题。量也在同步增长。在我斟钢产量达到1亿吨，迈人 世界钢铁大国的同时，烁铁高炉矿渣和炼钢钢渣的2实验 年排放量也超过4000万吨。目前。这些矿渣作为资源的再生利用，高炉矿渣的利用率约60，主要用 先将钢铁工业的高炉矿渣和钢渣粉碎至60目 于制造水泥等低附加值的建筑材料，而钢渣的利用 以上粒度，与其它矿物原料和总量少于6的晶核 率还不到10。因此，羲：高钢铁工业废渣的利用率 剂(ZrO：和cnO，)混合均匀，装入高铝质陶瓷坩埚 和附加值，降低对环境酐；污染已愈来愈引起人们的 内于1350一1450下熔融1h，均化后用玻璃成关注。型工艺浇注试片或试件(玻璃质非晶态成形体)。试 钢铁废渣的主要成份为SiO。、AI：0，、CaO、MgO样经700退火后在一定温度下(760一960)进 等，是构成玻璃和陶瓷的重要组成。七十年代中后行核化和晶化，以获得品粒细小且结构均匀的微晶 期，在前苏联及欧美、日一枉等发达国家，开展了以冶陶瓷。将微晶陶瓷研磨加工后，用排水法测定体积金矿渣为主要原料的矿菠微晶陶瓷的研究“+“，并密度；用压痕法测定显微硬度；用三点弯曲法测定 在建筑、冶金、化工等业部门开始获得应用。我抗弯强度。耐磨性在MHK一500环一块磨损试验 国的这一研究始于八十-代，先后报道了以高炉矿机上进行。试样的磨损率由经10min千磨损后试样 渣、钢渣和锑炉渣等矿西为主要原料的微晶陶瓷的的磨损量与试环(GCrl5钢)的磨损量之比来表示。 研究o“ ，所得材料的而磨、耐腐蚀性优良，可望在 用差热分析(DTA)、X射线衍射(XRD)、电子显徽 冶金、化工、机械、建材、能源等领域作为耐磨、耐腐镜(SEbl)等现代测试分析手段研究玻璃徽晶化的蚀材料应用。本文以钢钐：工业的高炉矿渣和钢渣为物理化学过程及微晶陶瓷的结构和性能。 主要原料，采用玻璃的制备工艺技术先获得所需形国家自然科学基金(5977207)及湖南省中青年基金资助项目!堕煎王堡撞型!生!旦3结果及分析在不同核化和晶化条件下微晶陶瓷的SEN照 片如图3所示。在760“C核化的试样，晶核数相对用钢铁废渣配制的玻璃的DTA曲线如图1所较少，即使在880下晶化，其晶粒也较大，可达 示。玻璃的转变温度为710，晶化温度为980左02p,m(图3(a)。随着核化温度的提高，玻璃的成 右。试验结果表明，当退火温度低于650时，玻璃核速度增加，较易形成均匀稳定的纳米晶核，在 容易出现炸裂，退火温度超过750时，玻璃表面已840“C核化并在880晶化的试样，其晶粒尺寸小于 失去光泽，即产生了核化作用。因此，确定玻璃的退 100nm，是一种较理想的原位生成纳米晶材料如 火温度为700核化温度为7600C840，晶化 图3(e)所示。当晶化温度从8400C提高到9600C时， 温度为880960。 品粒的长大也非常明显，特别是小晶粒的长大更为 明显。比较图3(e)和图3(f)可发现，虽然晶化温度仅提高80，但晶粒长大了近10倍!后者呈现出近 于定向排列的柱状晶簇，短径约02“m，长度多在 1扯m左右。温度 图1钢铁废渣玻璃的DTA曲线在不同核化和晶化工艺条件下所得微晶陶瓷 的性能如表1所示，试样的核化和晶化时间分别为20(。) 60min和30min。在所试验的核化和晶化条件下，所a)840核化后(b)8406C核化880晶化 有试样均能较快地晶化。图2的XRD结果表明，经(e)840核化960品化 840核化后，试样已基本微晶化，所生成的晶相图2微晶陶瓷的XRD图谱 与晶化的试样基本相同。经880晶化和960cc晶化后，主晶相均为透辉石CaMg(SiO，)：】和普通辉石在不同核化晶化条件下试样的体积密度无明【Ca(Mg，AI，Fe)Si=06，但在960下普通辉石的晶显变化，这是由于玻璃相与晶相的密度相差不大，格常数出现了明显的位移，最显著的特征是在20而且各试样的晶相与玻璃相的相对含量也变化不 为350附近的双峰变成了三个峰和2e为56。附近的大的缘故。但微晶陶瓷的显微硬度、弯曲强度和耐 双峰变成了单峰，同时，普通辉石的含量也有所增磨性则与材料的晶粒大小和晶相含量等结构特征 加。密切相关。晶粒越细，在晶界一I：产生塑性变形的能 表1不同核化晶化条件下微晶陶瓷的性能力越大，因而材料的显微硬度越低，但该材料显示出较高的强度和耐磨性。当材料的晶粒呈柱状交错 排列时，其显微硬度、弯曲强度和耐磨性都有明显 提高，如在840核化960晶化的样品。4结论41 以钢铁工业的高炉矿渣和钢渣为主要原料可 制备出高耐磨微晶陶瓷。该微品陶瓷中矿渣用量可 达60，所得材料的力学性能优良，显微硬度超过注：95氧化铝瓷的磨损率为0132110陶瓷工程增刊1999年11月闰3微晶陶瓷的显徽结构(SEM300001(a)在760核化880。C晶化；(b)在76012核化960晶化 (c)在800核化880；晶化；(d)在800核化960晶化 (e)在840核化880。C晶化；(f)在840。E核化960。C晶化12GPa，弯曲强度高达300MPa以上。该微晶陶瓷与简单、所得材料性能优良等特点，符合国家环境保 GCrl5钢对磨时，磨损奉不到GCrl5钢的4，即护和社会可持续发展战略的要求，具有显著的社会 耐磨性比钢高26倍，比95氧化铝瓷高3倍。经济效益和推广应用价值。 42以ZrO：和Cr20，为晶核剂，矿渣玻璃经760一840核化及880屯一960。c晶化后，得到的参考文献 主晶相为透辉石和普盈辉石，晶相总含量可达90，晶粒尺寸约01b,m一03tzm，与核化和品化1 P w麦克米伦著王仞千泽微晶玻璃中国建筑工业温度密切相关。出版社，198843用钢铁废渣制备微晶陶瓷具有成本低、L艺2濡守芹等编新型玻璃同挤大学出版社，19923宋申明，刘书君，五洪标矿渣微晶玻璃的研制玻璃与!堕童三堡埴型!生!旦一：!L：一搪瓷，1983；11(5 J：510玻璃析晶性能的影响玻璃与搪瓷，1997；25(3)：59 4陈惠君，董大奎，陈云芳等钢渣玻璃及微晶玻璃的研究8滕立东复合晶核剂(MnO，+caF)对铝硅酸盐玻璃析晶玻璃与搪瓷，1988：16(2)：17 行为的影响作用研究硅酸盐通报，1997：(3)：62“66 5唐绍裘，粱忠军，陈圄荣锑炉渣玻璃陶瓷的研究中国9肖兴成，江伟辉，王永兰等钛渣微晶玻璃晶化工艺的研陶瓷，1993；(2)：2835究，玻璃与搪瓷，1999：27(2 J：7116段仁官，粱开明，顾守仁TiO：对粉煤灰玻璃晶化影响的10蒋文玖石棉尾矿微晶玻璃装饰板材的研制玻璃与搪 研究玻璃与搪瓷。1997；25(3)：I4瓷，1998；26(1)31347滕立东邵明兰陆德明金矿尾砂引人量对透辉石微晶(上接第107页)l Okabe TSaito KDevelopment of woo&ceramicsIn： 尝试采用一种新的手段以桦木等原木为原料YaIliamoto RProceedings of the 3rd IUMRS intcmatiohal Cmfference OFt Advanced Maleri-Is Amsterdam制各SiC陶瓷，初步展示并讨论了不同原料在整个 Elsevier Science B V。1994，681684制备过程及产物中的相互差异和自身的组织遗传2山本良一编著，王天民译环境材料北京：化学工业性，发现了酚醛树脂的双向作用。 出版社，1997 1113马荣乔冠军金志浩木材陶瓷的制备参考文献