利用高炉矿渣生产微晶玻璃的可行性分析
1 概 述
随着钢铁产量增加，钢铁废渣量也增加。据统计，莱芜钢铁集团有限公司（简称莱钢）2005年的水渣产量超过200万t，钢渣产量也在80万t以上。莱钢遵循“废物是放错了位置的资源”的原则，充分开发固体废物的综合利用。目前，国内高炉矿渣的主要利用途径是用于生产水泥和矿渣微粉，但该方案投资大，经济效益低以及产品市场波动大等，总的来说，高炉矿渣的高效益利用途径并不多，因此，寻求高炉矿渣高附价值综合利用途径，一直是人们所探索和追求的目标。
作为高强、高档、高附加值的微晶玻璃，在建筑、装饰和工业上作耐磨、耐腐、耐高温、电绝缘等材料方面具有极为广阔的市场及前景。建筑微晶玻璃其原始玻璃组成基本上属于CaO-MgO-Al2O3-SiO2系统[1]，主晶相一般有硅灰石、钙长石、钙黄长石、透辉石等。经过国内外科学家长期、大量的研究实践[2]，发现以高炉矿渣为主要原料，添加适当的辅助原料，可以生产性能优良的矿渣微晶玻璃，且生产过程无再次污染，产品无放射性污染，市场供不应求，矿渣微晶玻璃也被称为21世纪的绿色建材。因此，利用高炉矿渣制备性能优良的矿渣微晶玻璃对于提高钢铁废渣的利用率和附加值、增加企业经济效益、减轻环境污染具有重要的意义。
2 矿渣微晶玻璃的生产
2.1 基本原理
高炉渣和基础玻璃的主要成分含量对比见表1。从表中的数据可以看出，高炉渣主要化学成分CaO、A12O3、SiO2是CaO—Al2O3—MgO—SiO2系统微晶玻璃的重要组成；R2O（K2O＋Na2O）、Fe203不仅有利于玻璃的熔制，还可以作为微晶玻璃的晶核剂[3]。高炉渣中除SiO2偏低外，其他成分都偏高，可以用硅砂作为二氧化硅的原料加入，既可提高SiO2的含量同时又降低其它成分的含量。在高炉渣中按比例加入硅砂、萤石等调整原料，经充分混匀后，将其加热至其高温熔融状态下，形成CaO—Al2O3—MgO—SiO2系的玻璃，并通过加入不同的氧化物可以调节出不同颜色的微晶玻璃。
表1 高炉渣和基础玻璃的成分对比 %
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2.2 生产工艺
就原理而言，建筑微晶玻璃的生产原则上可采用平板玻璃任何一种生产工艺，但是，微晶玻璃的热处理制度和普通玻璃有着根本的区别。目前生产技术基本成熟的工业化生产工艺有压延法和烧结法。
压延成型工艺为前苏联在20世纪70年代所创[4]，流程为:配料→混合→熔化→压延成型→热切割→热处理→冷加工→成品。用矿渣及其它玻璃原料混合熔化后拉制成平板状晶化玻璃，再经磨抛成为具有漂亮花纹的微晶玻璃，用于建筑装饰。压延微晶玻璃板幅面大、质量稳定、产量大。缺点是投资大，产品的品种规格较少，在国内技术尚不成熟。
国内现以烧结法为主。烧结法包括熔融水淬烧结法和直接烧结法。一般利用钢厂的钢渣、高炉渣生产微晶玻璃常采用熔融水淬烧结法。熔融水淬烧结法微晶玻璃装饰板生产工艺是将配合料在高温熔制为玻璃，熔融好的玻璃由大块料倒入水中淬冷，经水淬后的玻璃易于粉碎为细小颗粒，再装入特殊的模具中，采用与陶瓷烧结类似的方法，将它们堆积在耐火材料模框内进行热处理，让玻璃粉在半熔融状态下致密化，并成核析晶。
熔融水淬烧结法制备矿渣微晶玻璃的优点是：（1）不需要通过传统的玻璃成形阶段，适合于需要较高熔制温度的微晶玻璃生产；（2）玻璃经水淬后，颗粒细小，表面积增加，比熔融法制得的玻璃更易于晶化；（3）可不使用晶核剂；（4）规格及厚度可变。其主要缺点：（1）能耗高；（2）对原料粉末颗粒要求严格，太细或太粗都会影响制品的致密度。为此，可以根据钢厂的实际情况，采用熔融态高炉渣利用技术和蓄热式燃烧技术，以及严格控制颗粒的粒度分布的方式，能有效地解决这些问题。燃料采用钢厂富余的高炉、焦炉煤气，替代了国内微晶玻璃生产厂普遍采用的石油液化气、天然气、重油等高成本燃料。生产工艺流程如图1 所示。
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图1 矿渣微晶玻璃生产工艺流程
各种原辅材料按比例配合混匀后，送入窑头料仓；然后把混匀原料送进熔窑进行高温熔化，澄清后经过流液道流入料池，流下时用加压水枪冲水急冷，使玻璃体水淬成6mm以下的颗粒后脱水排升，再靠自身温度烘干，过筛后提升至熟料仓备用。再将玻璃晶体按各种规格装车成型，推入晶化退火炉中高温成型晶化退火；然后对成型晶化的产品进行磨、抛、切裁、形成成品。
3 投资及效益分析
作为矿渣微晶玻璃主要原料的矿渣是冶金高炉的副产品，属工业废料，主要配料硅砂在自然界储量非常丰富。莱钢集团当前年产高炉矿渣在300万t左右，而且附近周边地区的硅砂资源丰富，这就为矿渣微晶玻璃的生产提供了充足、低廉的原料保证。同时矿渣微晶玻璃的物化性能非常出色，可应用于很多领域，因而，矿渣微晶玻璃性能优良，应用领域广，有着很好的市场前景。
按照年产30万m2（厚度20mm）矿渣微晶玻璃生产线设计，需设备投资3500万元，共需要400名工作人员，建设周期为1年，生产成本为300元/m2。目前微晶玻璃的市场售价为400元/m2。
利用钢铁渣生产微晶玻璃给钢铁渣的利用提供了一个新的途径，不仅提高钢铁渣的有效利用率（原料中的钢铁渣总掺量可达55%以上），还可以在减少钢渣的排放，改善环境的同时，产生可观的经济效益，实现“变废为宝”的资源循环再利用。
4 应用前景
近年来，由于微晶玻璃装饰板色彩艳丽，色差小且永不褪色；结构致密，纹理清晰；坚硬耐磨，耐风化，防腐蚀；不吸水，独特的抗冻性和耐污染性，无放射性等优点日益被人们所认识和认可，且其理化性能和装饰效果远优于天然石材和高档建陶产品[5]。因此，人们可利用微晶玻璃装饰板代替天然大理石或花岗岩等材料用作外墙、内墙、地板、楼梯踏板、电梯井内地板、立柱贴面、大厅柜台面、卫生间台面、炊事案板等处的装饰材料，也可用作阳台、门窗和分隔墙体的结构材料，各种高档家具、高档珍贵工艺品的制作及其它各种用途的装饰材料。现已用于机场、车站、办公大楼、地铁、宾馆、酒店等高档公用建筑和别墅等高档住房场所。理化性能优于天然石材和高档陶瓷的建筑微晶玻璃装饰板，将被广大普通消费者所接受，从而进入普通百姓的家庭装饰。建筑微晶玻璃行业一旦形成，其应用前景将十分美好。
同时矿渣微晶玻璃的物化性能非常出色，可应用于很多领域，如具有很高的耐磨性、轻质高强、很好的热性能和化学耐腐蚀性能以及良好的绝缘性能等，可以代替铸石和陶瓷用作建筑材料、装饰材料和化工机械材料等；在采矿工业中可代替钢材用作导槽、料斗溜槽的衬里，使用寿命可提高5～10倍；用作选煤厂水力旋流器中的锥体，使用寿命相当于碳钢或灰口铸铁的10～12倍；同时减轻重量20%；在防腐工程中，可用微晶玻璃装饰板代替铸石砌筑耐酸池、贮槽、电解槽；造纸工业的蒸煮锅、酸性水解锅、硫酸吸收塔、氯气干燥塔、反应器；石油化工设备的内衬等以及防酸性气体和液体的地面、墙壁。理化性能优于铸石的微晶玻璃板在防腐工程中应用前景十分广阔。用作管道输送固体或水悬浮物及溶液时，其耐化学腐蚀性和耐磨性均好于同类产品。因而，矿渣微晶玻璃性能优良，应用领域广，有着很好的市场前景。从市场反馈的信息来看，目前几家生产微晶玻璃的厂家生产经营情况良好，产品在国内市场供不应求，而且目前国外尚无微晶玻璃的规模化生产厂家，产品出口前景看好。
5 结束语
以高炉矿渣为主要原料生产矿渣微晶玻璃实用可行，符合国家的环保和产业政策，也符合莱钢大力发展循环经济、建设生态莱钢的战略思想，同时具有良好的市场前景和环保效益。如果将矿渣微晶玻璃项目作为莱钢创建“节约型企业”战略的一部分，若能成功实施，将为我国大型钢铁企业综合利用钢铁废渣、实现可持续发展探索了一条发展之路。该项目不仅可以实现钢铁渣的合理综合利用，保护环境，还能带来可观的经济效益，成为莱钢发展非钢产业新的经济增长点，在实现良好的社会效益和生态效益的同时，可实现经济效益的最大化。
参考文献：
[1] 杨家宽，肖波，王秀萍，等.利用工业废渣制备微晶玻璃进展[J].玻璃与搪瓷，2002,（6）:47-52.
[2] 蒋伟锋.高炉水渣综合利用[J].中国资源综合利用，2003，（3）：28-29.
[3] 邓春明,肖汉宁,赵运才.尾矿废渣微晶玻璃[J].陶瓷工程，2001,（12）：23-26.
[4] 谭金华，微晶玻璃的生产工艺、现状及发展前景[J].石材，2002,（4）：35-38.
[5] 曾利群,李坦平.建筑微晶玻璃引领新潮流[J].建材工业信息，2003,（8）：29-31.
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