專利名稱：生產(chǎn)玻璃的方法和用該方法生產(chǎn)的玻璃的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)玻璃的方法，該玻璃是以混合物形式的原料為基礎制備的，該混合物主要由含礦物的成分構成，該方法中，經(jīng)初始預處理后的母料被壓制成坯塊，該坯塊被硬化，隨后例如在高爐中在供氧條件下被熔化，熔化物被驟冷并干燥。
本發(fā)明還涉及一種以混合物形式的原料為基礎制備的玻璃，該混合物主要由含礦物的成分構成。
本發(fā)明還涉及這樣混合并制備而成的玻璃的用途。
本領域技術人員都知道，在大多數(shù)工業(yè)化國家中，來自城市凈化設備的淤渣構成很大的廢物問題。這些淤渣例如可以產(chǎn)生自污水的化學處理過程，它們隨后將被脫水。經(jīng)脫水的淤渣一般由70-80％的水、10-15％的有機材料和10-15％的礦物成分組成。
淤渣廢物可以以濕或干的形式散布在農(nóng)田中作為肥料。淤渣中所含的諸如低溶解度的重金屬和鐵和鋁的磷酸鹽一類的物質不能被莊稼所利用，因此這些物質有滲入地下水中或破壞土壤結構的危險。
或者，可以將干的淤渣廢物堆放在很大的填埋坑中。填埋坑的場地要求意味著這類場所必須是敞開式的。當淤渣暴露在降雨中時，可能含有的重金屬和痕量元素將被浸出并污染周圍環(huán)境。
處理淤渣的常用方法是焚燒淤渣。由此產(chǎn)生了隨后必然要被堆放的灰。目前只在這種灰中發(fā)現(xiàn)了上述重金屬和鐵和鋁磷酸鹽，這些灰在堆放時會導致與以上相同的被浸出和滲透的問題。應當對此補充說明一下，干淤渣的熱值遠遠小于傳統(tǒng)可燃物的熱值。作為這種情況的一個例子，可以提到的是干淤渣的熱值為12-13MJ/kg，這大約是木材的一半。這種低熱值因而意味著干淤渣僅僅非常偶然地被用作能源。
工業(yè)上產(chǎn)生大量廢物，它們很少能被再利用，因而也構成了嚴重且昂貴的堆放問題。
通過再利用以上的廢物，可以降低不斷增長的并因此而日益昂貴的對堆放場所的需求。
因此需要以一種經(jīng)濟的方式再利用各種廢物，以便由此來降低對堆放場所的需求，而且與此同時不產(chǎn)生含有對環(huán)境有害且危害健康的物質的堆放材料。
本發(fā)明的第一個目的是提供一種商業(yè)上可采用的具有高硬度和高耐磨性的玻璃，其中使用了來自工業(yè)化加工和處理過程的淤渣和各種廢物，并且淤渣和廢物中所含的含礦物的、對環(huán)境有害且危害健康的物質不會影響周圍環(huán)境。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種生產(chǎn)這種玻璃的方法。
用以達到這些目的的本發(fā)明的新穎而獨特的特征是，在開始的段落中述及的預處理包括制備一種含礦物成分的混合物，該含礦物成分來自例如出自凈化設備的淤渣以及一種或幾種其它含礦物的廢物和/或天然瀝青。
當一種或幾種含礦物的廢物和/或天然瀝青含有較大的成分時，最好在其進入混合物前減小其尺寸，從而形成一種易于充氣的多孔混合物。
當氧氣被混入這種混合物中時，該混合物將自燃，而且淤渣中所含的脂肪、蛋白質和可溶性碳水化合物將在大約60-70℃的溫度下被分解成水和CO2。
由含礦物的成分構成的混合物的以上熱處理將在以下被稱為礦化作用。脂肪、蛋白質和可溶性碳水化合物的完全分解一般在20-40天內完成。
該預處理隨后還包括將混合物的含水量調節(jié)到20-35wt％，優(yōu)選27-33wt％。通過調節(jié)含水量，混合物將適于被壓制成坯塊，特別有益的具體方案是該坯塊的尺寸大于60mm。
當該坯塊的含水量大于35wt％時，該坯塊將不堅固或不能保持均勻的形狀。含水量低于20wt％時，會發(fā)生分離而不適當?shù)亟档团鲏K的強度。
均勻的坯塊被堆積起來并在隨后的例如在高爐中進行的燃燒處理中被更好地利用。
通過按照上述方式調節(jié)坯塊的含水量，可以最適宜地進行隨后的坯塊硬化，從而使坯塊保持均勻的形狀。硬化例如可以在75-110℃的溫度下發(fā)生，直到坯塊的含水量為15-20wt％。
有益的硬化條件的例子是在110℃的溫度下硬化3小時，或在80℃硬6小時。在這兩種情況中，得到了具有未硬化的芯和硬化了的殼的坯塊。
通過這種硬化，可以制成具有硬的表面且密度為1.2-1.3g/cm3的非吸濕性坯塊。
由于坯塊有非吸濕性，因而它們存儲很穩(wěn)定。由于它們有特別硬的表面，因而它們可經(jīng)受強烈的機械加工。因此可以將連續(xù)產(chǎn)生出的坯塊存儲起來，于是有益地對廢料進行了連續(xù)處理。
用已知的方法在一個高爐中在氧化條件下將坯塊熔化，從而使熔化物中所含的全部無機物呈氧化物形式。作為已知方法的一個例子，可提到US 3,729,198中公開的Anderson方法，但也可以采用其它的熔化方式。
熔化期間，僅損失了少量諸如硫、鋅或氯的元素，因為它們能以升華物的形式脫離。
坯塊在1400-1500℃的溫度下熔化成玻璃，坯塊的這種具有未硬化的芯和非常硬的表面的特殊結構使坯塊的芯和殼都發(fā)生了燃燒反應。當坯塊被賦予以上適當限定的形狀和尺寸時，高爐中的堆積坯塊之間的間隙中也發(fā)生燃燒反應。
盡管呈不溶性有機材料形式的坯塊中所含的能量少于傳統(tǒng)燃料中所含的能量，但可以通過控制含氧的供應氣而以最少的額外燃料消耗來熔化坯塊。優(yōu)選的燃料是焦炭，在一個有益的方案中，其用量不超過待熔化的坯塊量的10wt％。
在本發(fā)明方法的另一個優(yōu)選實施方案中，坯塊具有足以使坯塊完全熔化的能量而無需存在額外的燃料。
將所得的熔化物驟冷，從而形成至少部分粒化了的熔渣。這些熔渣由100％的玻璃構成，即，它們因含有氧化鐵而經(jīng)常呈黑色。
?；说娜墼S后可被碾碎并被分裂成較小的顆粒，顆粒的尺寸取決于以后的預計用途。如果需要，分裂的顆?？砂闯叽邕M行分級，從而制成尤其適合于以后目的的特定級分。
通過對構成玻璃原料一部分的含礦物成分的化學組成提出一些要求，就可以形成硬度大于600的玻璃，該硬度按Vickers硬度標度測量。
按照本發(fā)明的目的，原料除了來自例如凈化設備的淤渣外還包括一種或幾種來自工業(yè)中的其它的含礦物廢物。這些廢物例如可作為唯一的另外含礦物成分而構成原料的一部分。
作為以上混合物的第一種替換物，原料可以是由淤渣、含礦物的成分和天然瀝青構成的混合物。在另一種可用來替換的原料中，混合物可由熔渣和天然瀝青構成。
為了能滿足對玻璃的化學組成的要求，必須了解所有含礦物成分的化學組成。
這些信息可以便利且便宜地通過用X射線熒光分析法對含礦物成分進行分析而獲得。
于是可以依據(jù)這些分析結果來混合不同的含礦物成分，從而可以由上述方法生產(chǎn)出有30％以上的無機成分來源于淤渣的玻璃。
含礦物廢物的例子有汽車碎片來自汽車破碎過程的輕質部分鐵屑來自軋鋼過程的氧化屑型砂用過的鑄造用型砂，包括呋喃砂和膨潤土砂石榴石用過的石榴石型噴砂用砂(貴榴石，一種Al、Fe和Mg的硅酸鹽)硅酸鋁用過的噴砂用砂剛玉用過的噴砂用砂，其主要形式是來自發(fā)電廠的底部熔渣的玻璃耐火MgO磚耐火的熔融金屬或模制磚，主要由礦物方鎂石(MgO)制成耐火磚由硅酸鋁硅線石和高嶺土以及少量石英制成的耐火材料來自PVC的灰來自熱解PVC的填料，由TiO2、CaCO3、高嶺土(Al2SiO4(OH))和滑石(MgSiO4(OH))的混合物構成紙廢料來自造紙過程的廢料，由木纖維和諸如石灰、高嶺土和滑石的含礦物的紙?zhí)盍蠘嫵蛇@些廢物可以含有較大的成分，它們必須在進入礦化步驟前被分裂成較小的顆粒。
玻璃的化學組成可以由構成部分玻璃的單個含礦物成分的化學組成信息計算出來，考慮到一些化學方面的要求，這些單個含礦物成分被適當?shù)亟Y合起來，這些化學方面的要求是指玻璃是硬的，而且玻璃中所含的有害于環(huán)境和健康的礦物不會影響周圍環(huán)境。
玻璃中所含的礦物在熔化時成為氧化物形式，形成的礦物氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO和P2O5的重量百分含量一起構成玻璃的至少90wt％，在一個特別優(yōu)選的方案中，所述的礦物氧化物一起構成玻璃的至少95wt％。
為了使具有以上化學組成的玻璃的硬度大于600(按Vickers硬度標度)，以及使玻璃中所含的有害于環(huán)境和健康的礦物無效，玻璃中的CaO/P2O5比例必須進一步滿足以下不等式wt％ CaO≥1.33 * wt％ P2O5以及下文中被稱為堿度(Bi)的(wt%CaO-(1.33*wt%P2O5))+wt%MgOwt%SiO2]]>在(wt％ CaO-1.33 * wt％ P2O5)＞0時Bi必須介于0.15和0.50之間。
為了在二氧化硅、三氧化二鋁和三氧化二鐵之間達到一種平衡的比例，玻璃的化學組成還必須滿足以下要求硅酸鹽模量Ms=SiO2Al2O3]]>介于2.2和3.2之間，鐵模量Mf=Fe2O3Al2O3]]>介于0.56和1.00之間。
當滿足了對化學組成的要求時，玻璃的比重將為2.7-3.1g/cm3，優(yōu)選為2.8-3.0g/cm3，尤其是2.9g/cm3。
當滿足了對礦物氧化物的以上要求時，獲得了主要由下表1所述的礦物氧化物組成的玻璃。該玻璃還將含有極少量的微量元素。表2中列出了玻璃中的這些微量元素的含量。這些微量元素可以是有毒的或致癌的，但當采用本發(fā)明的方法來生產(chǎn)玻璃時，已使它們不會影響周圍環(huán)境。
表1表2礦物氧化物在玻璃中的含量 微量元素在玻璃中的含量SiO235-50wt％ Sb ＜0.007wt％有毒的Al2O315-25wt％ Pb ＜0.020wt％微量元Fe2O35-15wt％ Cd ＜0.009wt％素CaO 5-20wt％ Sn ＜0.043wt％MgO 1-10wt％MnO2＜1wt％TiO2＜3wt％As ＜0.009wt％P2O51-10wt％ Be ＜0.007wt％癌的K2O ＜2wt％Cr ＜0.001wt％量元Na2O＜2wt％Co ＜0.007wt％素其它 ＜5wt％Ni ＜0.022wt％對所含礦物氧化物的化學組成作出了以上要求、并且按本發(fā)明方法生產(chǎn)的玻璃可以最適宜地被用作噴砂處理中的發(fā)泡劑。
或者，?；娜墼杀蝗蹮挷⒂糜谏a(chǎn)熔渣棉。
另外，這種玻璃在它沒有用時可以作為本發(fā)明玻璃中的含礦物廢物而被再利用。
用本發(fā)明的方法生產(chǎn)出了一種其中的有害于環(huán)境且危害健康的物質不會浸出的玻璃。因此這種玻璃也可以作為用于許多目的的填料，例如用在混凝土和瀝青中。
本發(fā)明玻璃的許多不同的應用形式以及含礦物廢物的再利用意味著可以節(jié)省大量昂貴的原料。另外，廢物的日益增長量減少了，而且對填埋坑的需求顯著減少。
在以下的原料混合物的例子中，來自工業(yè)和廢物處理過程中的廢物超過95％。所有種類廢物的化學組成是已知的，并用X射線熒光分析法進行了確定。下文中，術語淤渣灰被用來表示干的、經(jīng)熱處理的脫水淤渣。其它的含礦物成分用以上的規(guī)定來表述。
分別在pH為4和pH為7時就浸出情況對玻璃進行分析。每千克玻璃用100升水浸出3小時。按照來自丹麥“Vandkvalitetsinstitut”(＝水質研究所)的常用標準方法，將這兩次浸出所得的樣品匯集起來，并通過原子吸收光度學方法在石墨加熱爐中進行分析。由此得到了以下的浸出結果表4礦物瀝濾后的濃度(ppm) 初始礦物含量(％)Cr ＜0.1＜0.02Cd 0.02 1Ni 0.8 0.4Pb 0.06 0.03Sb 0.08 0.15Be ＜0.04 ＜4Co 4.2 14Sn 0.18 0.18Mo 0.4 0.43Cu 72 0.36表4表明，僅有很少一部分最初含有的元素被浸出。實施例2(中試工廠規(guī)模)原料由33wt％的淤渣灰、10wt％的鑄造用砂、6wt％的鋼砂、4.0wt％的用過的耐火MgO磚、11wt％的用過的石榴石、20wt％的礦化淤渣、8wt％的用過的Al2O3和8wt％的石灰石的混合物構成。將該混合物碾壓至粒徑小于3mm，并在燃氣式中試旋轉爐中在1490℃完全熔化。產(chǎn)物是一種熔化物，它在水中驟冷后被?；⑺玫牟ＡЦ稍?、碾壓并篩分成粒徑為0.4-1.4mm的級分。將經(jīng)篩分的級分分別在18/8鋼和鋼37的噴砂處理中作為發(fā)泡劑來進行試驗。在剛玉(HV100＝1800)和硅酸鋁(HV100＝600)噴砂處理中進行相應的試驗。這些試驗的結果展示在附

圖1和2中。
圖1展示了18/8鋼的噴砂處理結果，其中的發(fā)泡劑分別是實施例2中制備的玻璃、硅酸鋁和剛玉，以及圖2展示了鋼37的噴砂處理結果，其中的發(fā)泡劑分別是實施例2中制備的玻璃、硅酸鋁和剛玉。
這些圖表明，在對18/8鋼和鋼37進行噴砂處理時，本發(fā)明的玻璃顯著優(yōu)于硅酸鋁和剛玉，這與噴砂角度無關。在對18/8鋼進行噴砂處理時，該玻璃正好與硅酸鋁一樣好。而最佳結果是在噴砂角度大于約50°時獲得的(sine 50°＝0.77)。在對鋼37進行噴砂處理時，證實了在所有測試過的噴砂角度上該玻璃均顯著優(yōu)于硅酸鋁。
表5表明，當采用28wt％的焦炭量時，鐵和磷被熔煉出來。表5還表明，10％的焦炭中所含的能量與坯塊自身的熱值相結合足以熔化該坯塊。實施例4(工業(yè)化規(guī)模，測試硬度和吸濕性)將70.0wt％的礦化淤渣、7.0wt％的鑄造用砂、1.4wt％的橄欖石砂、6.2wt％的木材碾壓至20mm大小，再混入8.7wt％的經(jīng)處理的顆粒殘余物、0.9wt％的用過的石榴石和5.5wt％的石灰石，并礦化40天。礦化期間，坯塊的含水量由56.4wt％降至39.2wt％，高溫氣(pyrogas)的含量由37.3wt％降至25.8wt％，炭含量由12.4wt％變?yōu)?3.2wt％，灰分由50.3wt％增至59.8wt％。坯塊的熱值由11MJ/kg降至8.9MJ/kg。將該混合物調成表6中所列的五種不同的含水量。將混合物壓制成直徑為60mm的坯塊，并在通風爐中于110℃分別硬化1.5小時和3小時。
表6
表6表明，在含水量較高時，礦化的原料變得很軟，以至于在坯塊壓制過程中加工有困難。制成的坯塊變得不均勻，因而沒有在高爐中達到最佳的裝填和通風條件。
每種坯塊中的5個坯塊的總重量為800-1400g。將每種坯塊放入一個袋中，并通過在石材地板上進行墜落試驗來進行分析。試驗結果列在下表7中，并表明在含水量為25wt％至35wt％時，硬化達到了最佳結果。
表權利要求
1.一種生產(chǎn)玻璃的方法，該玻璃是以主要含礦物成分的混合物形式的原料為基礎制備的，并且其中經(jīng)初始預處理后的原料被壓制成干坯塊，該坯塊被硬化，隨后例如在高爐中在供氧條件下被熔化，熔化物被驟冷并干燥，其特征在于預處理包括以下步驟-制備一種含礦物成分的混合物，該含礦物成分來自例如出自凈化設備的淤渣，以及一種或幾種其它含礦物的廢物和/或天然瀝青，-使混合物中所含的可溶性有機材料熱分解，和-將混合物的含水量調節(jié)到20-35wt％，優(yōu)選27-33wt％。
2.權利要求1的方法，其特征在于坯塊在由燃料燃燒所供給的額外能量下被熔化，燃料的量至多占待熔化坯塊量的10wt％。
3.權利要求1或2的方法，其特征在于坯塊的密度為1.2-1.3g/cm3。
4.權利要求1、2或3的方法，其特征在于坯塊在75-110℃的溫度下被硬化至含水量為15-20wt％。
5.一種玻璃，該玻璃是以主要含礦物成分的混合物形式的原料為基礎制備的，其特征在于含礦物的成分包含例如出自凈化設備的淤渣，以及一種或幾種其它含礦物的廢物和/或天然瀝青。
6.權利要求5的玻璃，其特征在于玻璃中含有30wt％以上的來自淤渣的無機成分。
7.權利要求5或6的玻璃，其特征在于玻璃中所含的礦物呈氧化物形式，礦物氧化物二氧化硅(SiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)、三氧化二鐵(Fe2O3)、氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)和五氧化二磷(P2O5)的重量百分含量一起構成玻璃的至少90wt％。
8.權利要求7的玻璃，其特征在于玻璃中的礦物氧化物氧化鈣與五氧化二磷的重量百分含量之比由以下不等式定義wt％ CaO≥1.33 * wt％ P2O5。
9.權利要求7或8的玻璃，其特征在于玻璃中的礦物氧化物氧化鈣、五氧化二磷和氧化鎂的重量百分含量與玻璃中的二氧化硅的重量百分含量有如下關系(wt%CaO-(1.33*wt%P2O5))+wt%MgOwt%SiO2]]>介于0.15和0.5之間。
10.權利要求7-9中任一項的玻璃，其特征在于玻璃中的礦物氧化物三氧化二鐵與三氧化二鋁的重量百分含量之比為0.56-1.00，玻璃中的二氧化硅與三氧化二鋁的重量百分含量之比為2.2-3.2。
11.權利要求5-10中任一項的玻璃，其特征在于玻璃的比重為2.7-3.1g/cm3，優(yōu)選為2.8-3.0g/cm3，尤其是2.9g/cm3。
12.權利要求5-11中任一項的玻璃，其特征在于玻璃的硬度為HV100≥600。
13.經(jīng)過分級的權利要求5-12中任一項的玻璃的用途，其特征在于經(jīng)過分級的玻璃被用于噴砂。
全文摘要
一種以混合物形式的原料為基礎制備的玻璃，該混合物主要由含礦物的成分構成，含礦物的成分包含例如出自凈化設備的淤渣以及工業(yè)廢物，該玻璃具有一種根據(jù)構成部分玻璃的含礦物成分的化學組成信息調節(jié)而成的確定化學組成。該玻璃是這樣由原料制成的在原料被礦化后將其壓制成坯塊，將坯塊硬化，隨后例如在高爐中在供氧條件下將其熔化，將熔化物驟冷并干燥。大量的通常要被堆積起來的經(jīng)處理或未經(jīng)處理的廢物可以被再利用，并用來生產(chǎn)玻璃。
文檔編號C03C3/062GK1413174SQ00817574
公開日2003年4月23日 申請日期2000年12月6日 優(yōu)先權日1999年12月6日
發(fā)明者M·朱爾, E·范德爾 申請人:Rgs90公司