D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.02.040 第29卷第2期 北京科技大学学报 Vol.29 No.2 2007年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2007 镍渣制备微晶玻璃的结晶动力学及结晶化过程 马明生倪文王亚利 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要探讨以镍渣为主要原料采用熔融法制备建筑用微晶玻璃·研究引入C2O3作为晶核剂的镍渣微晶玻璃的成核及晶 化过程.利用DsC测试来确定基础玻璃的晶化温度，并利用修正的Johnson~Mehl-Avrami(JMA)方法初步计算以镍渣为主要 原料所制备的基础玻璃在加入质量分数2%的C203作为晶核剂后的结晶活化能￡及结晶动力学参数k(T),计算结果分别 为E=371.1 kJ-mol一，结晶动力学参数k(T)=0.29.采用XRD,SEM和光学显微镜测试、分析及观察方法来鉴定、分析微 晶玻璃试样的主晶相及微观结构·结果显示，加入晶核剂的基础玻璃从930℃开始均匀地析出透辉石相晶体：随着温度的升 高，晶体尺寸也逐渐增大，在温度达到950℃后，对样品进行30mi保温热处理，样品中晶体尺寸达到10~15m 关键词镍渣；微晶玻璃；结晶化：动力学参数 分类号TQ171 20世纪60年代以来，矿渣微晶玻璃以其高机 利用DSC、XRD、偏光显微镜、SEM分析手段研究基 械强度和耐磨耐腐蚀等性能，引起全世界各国研究 础玻璃成核及结晶的过程，本文通过引用修正的 者的关注，并成为近年来研究的热点，1959年前苏 JMA[]方法计算由镍渣制得的基础玻璃在加入 联在实验室条件下利用高炉渣最先成功研制出矿渣 2%的Cr203(质量分数)作为晶核剂的结晶活化能 微晶玻璃，并在60年代生产出可供工业和建筑需要 E及结晶动力学参数k(T,),通过光学显微分析、 的矿渣微晶玻璃产品·在随后的70年代，美国、日 SEM分析和XRD分析检验并证明利用镍渣所制备 本、英国等也进行了开发研究并实现了炉渣微晶玻 的基础玻璃在加入2%C203作为晶核剂后经过晶 璃的工业化生产山，据不完全统计，我国矿业固体 化热处理所析出的晶体为透辉石， 废弃物累计达70亿t以上，占地6万多hm2.利用 这些矿渣等固体废弃物生产具有美观的装饰用建筑 1实验 微晶玻璃、具有特殊功能的微晶玻璃器件，不但处理 1.1实验原料 掉大量的矿渣等固体废弃物，而且还创造数目可观 本实验研究所用的主要原料是闪速炉镍渣，其 的经济价值，提高单位矿产资源的利用率，国家“十 成分见表1.由于在其中含有近40%左右的铁以及 一五”规划中所倡导的“建设资源节约型、环境友好 镍、钴等金属成分，故而先将镍渣进行高温熔炼以期 型社会”这一战略方针中明确指出在今后五年应该 还原提取出其中含有的铁等金属，经过去铁、铜、镍 加大力度“推进粉煤灰、煤矸石、冶金和化工废渣及 等金属的镍渣为主要原料，并加入少量的石英砂、石 尾矿等工业废物利用”，迄今为止，国内外科技工作 灰石、萤石、硝酸钠作为配合料，以C203作为晶 者研究了以高炉渣、铬渣、钨渣等钢铁及有色金属冶 金废弃物来生产微晶玻璃2)，但以镍渣来生产建 核剂 筑装饰用微晶玻璃的工作还处于空白. 表1镍渣化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of nickel slag % 镍渣是在生产有色金属镍过程中排放出的固体 废弃物，其中含有SiOz、Mg0、Al203、Ca0以及Fe、 SiO:Mg0Al2OsCa0 NiO Co0Cu0Fe0其他合计 Cu、Ni等金属元素，本实验研究了经过除铁、铜、镍 34.618.862.263.30.290.200.2043.017.27 等金属后的镍渣为主要原料制备建筑用微晶玻璃的 1.2实验过程 核化、晶化过程和机理.通过引入C203为晶核剂， 在镍渣提铁中加入石灰石作为降低高温渣体黏 收稿日期：2006-09-08修回日期：2006-11-08 度的助溶剂，以100g镍渣计，加入石灰石的质量为 作者简介：马明生(1980一)，男，博士研究生：倪文(1962一)，男， 45.37g,故而经过提铁后的二次渣硅酸盐熔体为一 教授，博士生导师 个高钙的CMAS体系（化学成分表2中的二次渣）镍渣制备微晶玻璃的结晶动力学及结晶化过程 马明生 倪 文 王亚利 北京科技大学土木与环境工程学院‚北京100083 摘 要 探讨以镍渣为主要原料采用熔融法制备建筑用微晶玻璃．研究引入 Cr2O3 作为晶核剂的镍渣微晶玻璃的成核及晶 化过程．利用 DSC 测试来确定基础玻璃的晶化温度‚并利用修正的 Johnson-Meh-l Avrami（JMA）方法初步计算以镍渣为主要 原料所制备的基础玻璃在加入质量分数2％的 Cr2O3 作为晶核剂后的结晶活化能 E 及结晶动力学参数 k（ Tp）‚计算结果分别 为 E＝371∙1kJ·mol －1‚结晶动力学参数 k（ Tp）＝0∙29．采用 XRD、SEM 和光学显微镜测试、分析及观察方法来鉴定、分析微 晶玻璃试样的主晶相及微观结构．结果显示‚加入晶核剂的基础玻璃从930℃开始均匀地析出透辉石相晶体；随着温度的升 高‚晶体尺寸也逐渐增大‚在温度达到950℃后‚对样品进行30min 保温热处理‚样品中晶体尺寸达到10～15μm． 关键词 镍渣；微晶玻璃；结晶化；动力学参数 分类号 T Q171 收稿日期：20060908 修回日期：20061108 作者简介：马明生（1980－）‚男‚博士研究生；倪 文（1962－） ‚男‚ 教授‚博士生导师 20世纪60年代以来‚矿渣微晶玻璃以其高机 械强度和耐磨耐腐蚀等性能‚引起全世界各国研究 者的关注‚并成为近年来研究的热点．1959年前苏 联在实验室条件下利用高炉渣最先成功研制出矿渣 微晶玻璃‚并在60年代生产出可供工业和建筑需要 的矿渣微晶玻璃产品．在随后的70年代‚美国、日 本、英国等也进行了开发研究并实现了炉渣微晶玻 璃的工业化生产［1］．据不完全统计‚我国矿业固体 废弃物累计达70亿 t 以上‚占地6万多 hm 2．利用 这些矿渣等固体废弃物生产具有美观的装饰用建筑 微晶玻璃、具有特殊功能的微晶玻璃器件‚不但处理 掉大量的矿渣等固体废弃物‚而且还创造数目可观 的经济价值‚提高单位矿产资源的利用率．国家“十 一五”规划中所倡导的“建设资源节约型、环境友好 型社会”这一战略方针中明确指出在今后五年应该 加大力度“推进粉煤灰、煤矸石、冶金和化工废渣及 尾矿等工业废物利用”．迄今为止‚国内外科技工作 者研究了以高炉渣、铬渣、钨渣等钢铁及有色金属冶 金废弃物来生产微晶玻璃［2－4］‚但以镍渣来生产建 筑装饰用微晶玻璃的工作还处于空白． 镍渣是在生产有色金属镍过程中排放出的固体 废弃物‚其中含有 SiO2、MgO、Al2O3、CaO 以及 Fe、 Cu、Ni 等金属元素．本实验研究了经过除铁、铜、镍 等金属后的镍渣为主要原料制备建筑用微晶玻璃的 核化、晶化过程和机理．通过引入 Cr2O3 为晶核剂‚ 利用 DSC、XRD、偏光显微镜、SEM 分析手段研究基 础玻璃成核及结晶的过程．本文通过引用修正的 JMA ［5－6］ 方法计算由镍渣制得的基础玻璃在加入 2％的 Cr2O3（质量分数）作为晶核剂的结晶活化能 E 及结晶动力学参数 k（ Tp）．通过光学显微分析、 SEM 分析和 XRD 分析检验并证明利用镍渣所制备 的基础玻璃在加入2％ Cr2O3 作为晶核剂后经过晶 化热处理所析出的晶体为透辉石． 1 实验 1∙1 实验原料 本实验研究所用的主要原料是闪速炉镍渣‚其 成分见表1．由于在其中含有近40％左右的铁以及 镍、钴等金属成分‚故而先将镍渣进行高温熔炼以期 还原提取出其中含有的铁等金属．经过去铁、铜、镍 等金属的镍渣为主要原料‚并加入少量的石英砂、石 灰石、萤石、硝酸钠作为配合料‚以 Cr2O3 作为晶 核剂． 表1 镍渣化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of nickel slag ％ SiO2 MgO Al2O3 CaO NiO CoO CuO FeO 其他合计 34∙61 8∙86 2∙26 3∙3 0∙29 0∙20 0∙20 43∙01 7∙27 1∙2 实验过程 在镍渣提铁中加入石灰石作为降低高温渣体黏 度的助溶剂．以100g 镍渣计‚加入石灰石的质量为 45∙37g‚故而经过提铁后的二次渣硅酸盐熔体为一 个高钙的 CMAS 体系（化学成分表2中的二次渣）． 第29卷 第2期 2007年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．2 Feb．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．02．040