微晶玻璃也叫玻璃陶瓷，是一种由基础玻璃控制晶化行为而制成的微晶体和玻璃相均匀分布的材料。微晶玻璃同普通玻璃的区别在于它具有结晶结构，而同陶瓷材料的区别则在于它的结晶结构要细得多。利用尾矿废渣制备微晶玻璃，可以开发出高性能、低成本的高档建筑装饰或工业用耐磨损耐腐蚀材料，使尾矿资源获得了再生，有利于环境保护，又提高了材料的技术含量和附加值。因此，尾矿废渣微晶玻璃将成为二十一世纪的绿色环境材料，并将获得广泛应用。

1．实验原料及试验仪器

铁矿尾矿，氧化铝，石英，碳酸钙，碳酸钠，碳酸钾，氧化镁。

电子天平，SX2-12-16箱式电阻炉，Lcp-1型差热分析仪，BDX3200型X射线衍射仪，DL103电热鼓风干燥箱，切割机，抛磨机等。

2. 实验与结果分析

2.1 铁尾矿的特征及成分

采用唐山地区铁尾矿，其颜色呈青色，粒度较细，颗粒小于100目，尾矿中含泥土较少，为理想的砂质尾矿。经检测，铁尾矿成分见表1。

                        表1  原料铁尾矿的化学组成（wt%）

2.2 微晶玻璃配方研究

由表1可以看出，唐山地区铁尾矿成分属于CaO-Al₂O₃-SiO₂系基础玻璃系，经热处理制得的微晶玻璃其主晶相为β-硅灰石、透辉石和钙长石。此类微晶玻璃在耐腐蚀、耐磨损、机械强度、吸水率等方面明显优于传统的建筑装饰材料。

参照CaO-Al₂O₃-SiO₂系统相图，选择接近共熔点或相界点上确定基础玻璃的成份的组成。并根据对微晶玻璃的性能要求，结合微晶玻璃的工艺特点，在确定微晶玻璃的组成时，应使形成体中析出最大量的均匀的微小晶体。同时，引入适当的晶核剂，能促使玻璃的整体晶化，本实验经过研究探索，采用复合晶核剂，添加Cr₂O₃为1％，添加TiO₂为3％，这样可以达到双碱效应，使其离子堆积密度好，促进晶核在玻璃熔体中的溶解度，并降低界面能，使成核活化能降低；为降低玻璃熔体的粘度，加速熔制和澄清，加入氧化钾和氧化钠作为助熔剂；同时为改善玻璃的工艺和晶化特性，加入少量的有利的氧化物，可使析晶种类增加，有利于生成细晶结构^[4]。

微晶玻璃的化学组成和配方见表2，表3。

                     表2 CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃成分

                          表3微晶玻璃原料配料成分表

2.3 工艺流程

本实验采用烧结法工艺，其工艺流程为：配料→混匀→熔制→水淬→干燥→过筛→铺料→晶化→抛磨→切割→成品。

2.3.1玻璃料的熔制

按照表3中所示的矿物组成进行配料，进行混合，使之达到均匀。将粘土坩埚放入SX2-12-16箱式电阻炉中，预先焙烧至1450℃。并在此温度下将配合料加入到粘土坩埚中放回电阻炉中熔化，保温45分钟。将坩埚中熔制好的配合料迅速倒入冷水中进行水淬处理。将水淬好的玻璃料放入DL103电热鼓风干燥箱中干燥。将部分干燥好的玻璃料研磨至-200目以下，供差热分析使用。

2.3.2差热分析及热处理

将磨细的原始玻璃粉末，在Lcp-1型差热分析仪上进行热分析；参比物为α-Al₂O₃；升温速率为10℃/min。通过一系列试验得到表3配方的差热曲线见图1。

最佳成核温度介于T_g点（退火点）和比它高50℃的温度之间。为获得理想的微晶结构，确定出核化温度为T_g＋50℃；晶化温度一般取晶体生长的放热峰温度。因此确定其核化温度为770℃，晶化温度为870℃，升温速率控制在5℃/min，核化保温90min，晶化保温60min。

http://s7/mw690/001pLQBOzy7bBLhxGwm66&690

图1 铁尾矿玻璃差热分析图

将水淬后的玻璃料进行破碎，并按照细下粗上铺放在粘土模具上，在成核温度和晶化温度下分别保温90min和60min，然后自然冷却。

2.3.3 X射线衍射分析

本试验采用BDX3200型X射线衍射仪测定样品的X射线衍射图谱，工作电压为36KV，工作电流为20mA，Cu-Co靶，扫描速度为2°/min。

http://s12/mw690/001pLQBOzy7bBLhBHcL8b&690

图2 铁尾矿微晶玻璃的X射线衍射图

由试样的XRD图谱（图2）可以看出，配方经过晶化处理后均有晶体析出，主晶相为透辉石，次晶相为硅灰石和尖晶石。主晶相的含量在70%以上。

2.3.4 偏光显微分析

偏光显微镜下观察（图3），试样有明显的晶相析出。试样晶体呈针状、纤维状、放射状，相互交错，颗粒间界限不明显，形成集合体。

http://s9/mw690/001pLQBOzy7bBLkrkJGa8&690

图3  试样微晶玻璃的显微结构照片

3. 结论

  本实验铁尾矿微晶玻璃采用复合晶核剂效果较好，TiO₂晶核剂添加量为3％，Cr₂O₃晶核剂添加量为1％。其主晶相为透辉石，次晶相为硅灰石和尖晶石。适当的热处理工艺制度可使基础玻璃有效地成核与晶化，进而制得细小晶体均匀分布的微晶玻璃材料。经分析比较，确定唐山地区铁尾矿微晶玻璃的热处理工艺为：核化温度770℃，核化保温时间为60分钟；晶化温度为870℃，晶化保温时间为60分钟。升温速率为5℃/min。