镍渣基富铁微晶玻璃的制备与性能研究

作     者：阮锦榜 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李小明

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：微晶玻璃 镍渣 热处理 析晶动力学 资源化利用 

摘      要：富铁镍渣是硫化镍矿经闪速炉或富氧顶吹炉冶炼金属镍后的产生的Fe O-Si O系熔渣,现阶段因缺少高效经济的消纳方式,其存量已超4000万t,既浪费土地空间引起生态环境污染,又使渣中资源组分也得不到利用。如何实现镍渣高效经济利用是当前迫切需解决的重要问题。微晶玻璃兼顾了玻璃和陶瓷的特性,当前在诸多领域有普遍应用。镍渣化学成分与微晶玻璃组成有一定的相似性,同时渣中铁及其氧化物可以充当成核剂,利用镍渣制备微晶玻璃是其高效资源化利用的可能途径。本文以某公司富氧顶吹炉产生的镍渣为原料,通过复配工业废玻璃,在不外加晶核剂的情况下,采用熔融法制备了主晶相为铁透辉石和辉石的镍渣基富铁微晶玻璃。利用DSC、XRD、FT-IR、SEM-EDS以及力学性能测试等分析手段,确定了微晶玻璃的热处理制度,表征了微晶玻璃的物相组成、网络结构、微观形貌,研究了镍渣添加量以及热处理制度对微晶玻璃性能的影响,并利用响应曲面法对微晶玻璃热处理制度进行了优化,确定出最佳的热处理制度。同时,利用基辛格(Kissinger)方程对微晶玻璃体系的析晶行为进行了分析。改变镍渣添加量的研究发现,镍渣的引入明显降低了基础玻璃的析晶温度,对体系析晶起到了显著的促进作用。随着镍渣添加比例增大,基础玻璃析晶能力逐渐增强,不同配方玻璃试样中析出晶相的种类没有改变,均为铁透辉石(FeCa Mg Al(Si O))和辉石(Ca Mg(Si O)),晶体形状多以枝状和颗粒状为主,玻璃体系网络结构的有序化程度提高。综合分析结果发现,当镍渣添加比为25%时,微晶玻璃样品的结构相对最优、具有良好的化学稳定性、显微硬度平均值最大,超过了大理石和花岗岩,具备一定的应用价值。基于镍渣添加量实验结果,以镍渣添加比为25%的微晶玻璃为研究对象展开热处理制度优化方案的研究。利用两步法热处理工艺对基础玻璃试样进行加热保温处理,来制备微晶玻璃试样,并对其理化性能进行表征。借助响应曲面法确定显微硬度最佳条件为:核化时间60min、核化温度820℃、晶化时间90min、晶化温度880℃,在这一条件下模型预测的微晶玻璃显微硬度达到了874.61MPa。此外,获得的析晶动力学参数显示,微晶玻璃具备良好的结晶能力,析晶过程受表面晶化机理控制。