5.5.1 الزجاج الزخرفي المصنوع من مخلفات الحديد

يُعد استخدام مخلفات خام الحديد في صهر مواد الزجاج الزخرفي عالية الجودة وسيلة فعالة للاستفادة الشاملة من هذه المخلفات وتحقيق التنمية المستدامة للمؤسسات. وقد أجرت جامعة تونغجي أبحاثًا تجريبية حول صهر الزجاج الزخرفي باستخدام مخلفات عالية المحتوى من الحديد والألومنيوم من مدينة نانجينغ كمواد خام رئيسية.

5.5.1.1 المواد الخام

المادة الخام الرئيسية هي مخلفات الحديد، وهي ذات لون وردي فاتح، ومسحوقية، ودرجة نعومتها أقل من 0.589 ملم. والمعادن الرئيسية هي الكوارتز، والفلسبار، وخامات الكبريتيد، وتتميز بمحتوى عالٍ من الحديد وأكسيد الألومنيوم. وترد النسب الكتلية لمختلف الأكاسيد في الجدول 5-15. ويمكن استخدام مخلفات الحديد مباشرةً بعد تجفيفها دون الحاجة إلى معالجة إضافية.

تشمل المواد الخام المساعدة الحجر الرملي والحجر الجيري والدولوميت. ويتم طحن الحجر الرملي والحجر الجيري والدولوميت طحنًا دقيقًا حتى يصل حجم الجسيمات إلى أقل من 0.589 ملم. كما يمكن استخدام رمل الكوارتز أو صخور السيليكا بدلاً من الحجر الرملي.

الجدول 5-15: التركيب الكيميائي لمخلفات الحديد (%)

5.5.1.2 مسار العملية

تتمثل خطوات العملية في: تحضير المواد الخام → الصهر → التلدين → الزجاج.

يتم وزن مخلفات الحديد والمواد الخام المساعدة، ثم غربلتها وخلطها بنسب محددة. تُضاف الدفعة إلى بوتقة الفرن باستخدام طريقة التغذية عالية الحرارة عند درجة حرارة تتراوح بين 1000 و1200 درجة مئوية، على أن تُضاف الدفعة المتبقية على مراحل. ويتم تحديد الفاصل الزمني بين عمليات الإضافة بناءً على درجة انصهار الدفعة الأساسية في البوتقة. بعد إضافة جميع المواد، تُرفع درجة حرارة الفرن إلى 1400–1450 درجة مئوية وتُحافظ عليها. خلال فترة الحفاظ على درجة الحرارة، تُحدد حالة انصهار الدفعة في البوت من خلال المراقبة من مقدمة الفرن، وأخذ عينات من الدفعة، وسحب الأسلاك. وعندما يتبين أن الدفعة في البوت قد ذابت تمامًا، وتحولت إلى حالة زجاجية، وخالية من الرغوة وحبيبات الرمل غير المذابة والفقاعات، تُخفض درجة حرارة الفرن بمقدار 100–250 درجة مئوية وتُحافظ عليها لمدة 10–20 دقيقة، ثم يُخرج البوت للصب. يُصنع قالب التشكيل من صفيحة حديدية، بأبعاد 70 مم × 70 مم × 10 مم و100 مم × 10 مم × 10 مم. بعد 2–3 دقائق، يُفك القالب عن الزجاج ويُرسل إلى فرن مافل للتلدين عند درجة حرارة تتراوح بين 520–620 درجة مئوية. يُترك الزجاج عند هذه الدرجة لمدة 15 دقيقة تقريبًا، ثم يُقطع التيار الكهربائي، ويُترك ليبرد بشكل طبيعي داخل الفرن حتى تصل درجة حرارته إلى 50–100 درجة مئوية قبل إزالته. وبدلاً من ذلك، يمكن وضع الزجاج الذي أُخرج من القالب مباشرةً في البيرلايت الموسع للتلدين باستخدام الحرارة المتبقية فيه.

5.5.1.3 النتائج التجريبية

من خلال تجارب متكررة، تم تحديد التركيب الكيميائي لزجاج مخلفات الحديد على أنه يقع في النطاق التالي: SiO₂ 48%–62%، Al₂O₃ 9%–10.3%، CaO 8%–19%، MgO 2%–3%، Fe₂O₃ 18%–20%. المعلمات الرئيسية لعملية تصنيع زجاج مخلفات الحديد هي: جرعة مخلفات الحديد (كنسبة مئوية من كتلة الدفعة): 70%؛ المواد الخام المساعدة: الحجر الرملي 10%–30%؛ الحجر الجيري 5%–25%؛ معدل صهر الدفعة >70%؛ درجة حرارة التزجيج 1400–1450 درجة مئوية؛ درجة حرارة التشكيل 1000–1200 درجة مئوية؛ درجة حرارة التلدين 520–620 درجة مئوية.

بعد عملية التلدين، يصبح زجاج مخلفات الحديد أسود فاحمًا ولامعًا، ومتجانسًا ومتسقًا دون أي اختلاف في اللون، وخاليًا من الفقاعات والعيوب. يمكن طحن السطح وصقله؛ وبعد الصقل، يصبح أملس كالمرآة، مع لمعان سطحي لا يقل عن 115 (اللمعان الطبيعي بدون صقل يبلغ 110). بالمقارنة مع الرخام والجرانيت الطبيعيين (اللمعان 78–90)، فإن هذا الزجاج الزخرفي المصنوع من مخلفات الحديد يتميز بمظهر أكثر جلالًا وأناقة. بل إن خصائصه الفيزيائية والكيميائية تتفوق حتى على المواد المماثلة. ويُظهر التحليل الأولي للتكلفة أن الزجاج الزخرفي المصنوع من مخلفات الحديد يتمتع بفوائد اقتصادية جيدة، وقيمة مضافة عالية، وآفاق واعدة للتطوير والتطبيق.

5.5.2 الزجاج الزخرفي المصنوع من مخلفات النحاس

استخدمت جامعة تونغجي مخلفات النحاس الغنية بالألومنيوم والحديد والمحتوية على الكبريت، المستخرجة من منطقة جيلين، كمواد خام رئيسية، واستنادًا إلى الأبحاث المختبرية، أكملت اختبارات التوسيع على نطاق صناعي للزجاج الزخرفي المصنوع من مخلفات النحاس، وذلك باستخدام فرن بوتقة من أحد مصانع الزجاج.

5.5.2.1 المواد الخام

المادة الخام الرئيسية للزجاج الزخرفي المصنوع من مخلفات النحاس هي مخلفات النحاس نفسها. ويتألف تركيبها المعدني بشكل أساسي من الكوارتز والفلسبار وخامات الكبريتيد؛ ولونها رمادي، حيث يمر 100% من خلال فتحة قطرها 0.589 مم. يظهر التركيب الكيميائي في الجدول 5-16، بينما تظهر خصائص التلبيد لمخلفات النحاس في الجدول 5-17. وبعد التبريد السريع للمادة المنصهرة، تتحول إلى خليط من طور الحجر المصبوب وطور الزجاج المليء بالفقاعات والرغوة وحبيبات الرمل غير المنصهرة، ولونها أسود. المواد الخام المساعدة هي رمل السيليكا والكالسيت.

الجدول 5-16: التركيب الكيميائي لمخلفات النحاس (%)

الجدول 5-17: خصائص التلبيد لمخلفات النحاس

5.5.2.2 مسار العملية

تبلغ نسبة الخلط حوالي 60% من مخلفات النحاس ممزوجة بحوالي 40% من المواد المساعدة. ويشبه تدفق عملية الاختبار الصناعي بشكل أساسي تدفق عملية إنتاج الزجاج الزخرفي من مخلفات الحديد:

تحضير المواد الخام → التغذية → الصهر في البوت → الصب، والضغط، والقولبة بالنفخ → التلدين في فرن تلدين دفعي → القطع، والطحن، والتلميع

5.5.2.3 معلمات العملية

ترد معلمات العملية الرئيسية في الجدول 5-18.

الجدول 5-18: المعلمات الرئيسية لعملية صهر زجاج مخلفات النحاس

الزجاج الزخرفي المصنوع من مخلفات النحاس يتميز بلونه الأسود الفاحم واللامع، وهو خالٍ من الشوائب والفقاعات، ويمكن قصه وصقله وتلميعه. وبعد التلميع، لا يقل لمعان سطحه عن 100. وبالمقارنة مع الرخام الطبيعي، فإنه أغمق لونًا وأكثر تجانسًا، مما يضفي تأثيرًا زخرفيًا أنيقًا ومهيبًا وسخيًا. وتفي خصائصه الفيزيائية والكيميائية بمتطلبات الأداء الفني للمواد الزخرفية، كما أن مظهره وتأثيره الزخرفي يتفوقان على الرخام الطبيعي. ويُظهر التحليل الأولي للتكلفة أن إنتاج الزجاج الزخرفي المصنوع من مخلفات النحاس يحقق فوائد اقتصادية جيدة وقيمة مضافة عالية نسبيًا.

5.6 إنتاج السيراميك الزجاجي المعماري من المخلفات

السيراميك الزجاجي هو مادة تُصنع من الزجاج الأساسي من خلال عملية تبلور خاضعة للرقابة، مما يؤدي إلى توزيع متجانس للبلورات الدقيقة والمرحلة الزجاجية. تتميز بمعاملات تمدد حراري منخفضة، وقوة ميكانيكية عالية، ومقاومة ملحوظة للتآكل، ومقاومة للعوامل الجوية، ومقاومة جيدة للاهتزاز، وتستخدم على نطاق واسع في الهندسة المعمارية، والطب الحيوي، والهندسة الميكانيكية، والكهرومغناطيسية، وغيرها من المجالات. المكون الرئيسي للسيراميك الزجاجي المعماري هو SiO₂، وعادةً ما تزيد نسبة كتلة SiO₂ في مخلفات المعادن عن 60%، مع وجود مكونات أخرى تقع أيضًا ضمن نطاق تكوين الزجاج، مما يلبي متطلبات التركيب الكيميائي.

بدأت الأبحاث المتعلقة بتطوير وتطبيق السيراميك الزجاجي المصنوع من مخلفات التعدين على الصعيد الدولي منذ عشرينيات القرن العشرين. ومنذ خمسينيات وستينيات القرن العشرين، نجحت العديد من الدول في تحقيق تطبيق واسع النطاق لمخلفات التعدين في صناعة الزجاج. في الصين، بدأت الأبحاث حول السيراميك الزجاجي المصنوع من المخلفات المعدنية في ثمانينيات القرن الماضي، وبحلول التسعينيات، بدأت التجارب على نطاق صناعي بقيادة الجامعات الرائدة في مجال أبحاث علوم المواد. وبالاستفادة من الخبرات الدولية المتقدمة، حققت الصين تقدمًا هائلاً في تكنولوجيا إنتاج الألواح الزخرفية المصنوعة من السيراميك الزجاجي، ونجحت في حل العديد من المشكلات مثل تصميم تركيبة الزجاج الأساسي، وصهر الزجاج، وتحبيب الزجاج، والتحكم في قدرة جزيئات الزجاج على التبلور. وقد تم إتقان التقنيات الرئيسية لإنتاج السيراميك الزجاجي من مخلفات التعدين المختلفة، وتم تحقيق الإنتاج الصناعي في تيانجين، وقوانغدونغ، ومنغوليا الداخلية، وهيبي، وأماكن أخرى.

تشمل عمليات إنتاج السيراميك الزجاجي من مخلفات التعدين طريقة الصهر وطريقة التلبيد. وفي الصين، تُستخدم عادةً طريقة التلبيد الأكثر نضجًا، والتي تجمع بين تقنيات معالجة الزجاج والسيراميك والحجر. ولا تتطلب هذه الطريقة مرحلة تشكيل الزجاج، كما أنها لا تحتاج بالضرورة إلى عوامل تكوين النوى. وهي توفر معدلات إنتاج عالية، وأوقات تبلور قصيرة، وتوفيرًا في الطاقة، وسماكة منتج قابلة للتعديل، كما تسهل إنتاج الألواح المشكلة والألواح المنحنية المختلفة ذات الأنماط التي تشبه الحجر الطبيعي، مما يجعلها أكثر ملاءمة للإنتاج الصناعي. وتتمثل خطوات العملية بالتفصيل في: معالجة المواد الخام → التجميع والخلط → صهر الزجاج → التبريد بالماء لتشكيل الحبيبات → الغربلة → وضع الطبقة وتحميل القالب → التلبيد والتسوية → التشكيل بالتبلور → الطحن والتلميع → القطع → فحص المنتج النهائي. تشبه عملية الصهر عملية صهر الزجاج؛ بينما تستعير عمليات التبريد بالماء والتبلور تقنيات من مجال السيراميك؛ أما عمليات الطحن والتلميع والقطع فتتبع تقنيات معالجة الحجر. أما المواد الخام الكيميائية المساعدة، مثل مواد التذويب والملونات ومساعدات التلبيد، فهي جميعها كواشف نقية كيميائيًا تُستخدم مباشرةً. تشمل عوامل التبلور الشائعة لسيراميك الزجاج من مخلفات التعدين ZnO و TiO₂ و Cr₂O₃ وغيرها. وتعد أكاسيد الفلزات القلوية Na₂O و K₂O و Li₂O مواد تذويب فعالة جدًّا، كما أن بعض عوامل التبلور نفسها لها تأثيرات تذويب، مثل TiO₂. يمكن اختيار الملونات من مواد غير عضوية مختلفة أو أكاسيد معدنية حسب اللون المطلوب. لزيادة سرعة التلبيد وخفض درجة حرارة التلبيد، يمكن إضافة كميات صغيرة من الهاليدات أو خلائط غير عضوية متنوعة كمساعدات للتلبيد.

5.6.1 إنتاج السيراميك الزجاجي من مخلفات الحديد

بناءً على تركيبة مخلفات الحديد، تنتمي السيراميك الزجاجي المستخرج من المخلفات عمومًا إلى نظامي CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂ (CMAS) و CaO-Al₂O₃-SiO₂ (CAS). تؤدي نسب السيليكات إلى الأكسجين المختلفة إلى تكوين مراحل بلورية مختلفة. عندما تكون محتويات SiO₂ و Al₂O₃ منخفضة، تميل السيليكات ذات نسب Si/O المنخفضة (مثل الولاستونيت) إلى التكوّن. وعندما تكون محتويات SiO₂ و Al₂O₃ مرتفعة، تميل سيليكات الهيكل (مثل الفلسبار) إلى التكوّن، مما ينتج عنه بنية زجاجية مستقرة يصعب تبلورها. لتحقيق قوة ميكانيكية عالية، ومقاومة جيدة للتآكل، واستقرار كيميائي، واستقرار حراري في السيراميك الزجاجي المصنوع من مخلفات الحديد، يُختار عادةً الديوبسيد (CaMg(SiO₃)₂) أو الولاستونيت (β-CaSiO₃) كأطوار بلورية رئيسية.

في الوقت الحالي، لا يمكن استخدام مخلفات الحديد في الصين إلا لإنتاج السيراميك الزجاجي ذي الألوان الداكنة، مما يحد من نطاق تطبيقاتها. ولا تزال أعمال البحث والتطوير المتعلقة بالسيراميك الزجاجي المصنوع من مخلفات الحديد ذات المحتوى العالي من الحديد في مرحلة التجارب المختبرية؛ ولم يدخل مرحلة التجارب الصناعية سوى الزجاج الزخرفي المصنوع من مخلفات الحديد والمخصص للديكور المعماري. كما أن الأبحاث المتعلقة بمخلفات الحديد تقتصر إلى حد كبير على المناطق الغنية بالسيليكا، وينبغي توسيع نطاقها لتشمل المناطق ذات المحتوى المتوسط والمنخفض من السيليكا لاستكشاف مجالات تطبيق جديدة.

(1) استخدمت جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا مخلفات الحديد والصخور المهملة من دامياو كمواد خام رئيسية لإنتاج الجرانيت الزجاجي-السيراميكي المصنوع من مخلفات التعدين (وهو نوع من السيراميك الزجاجي). وتتساوى قوة الضغط وقوة الانحناء واللمعان ومقاومة الأحماض والقلويات وغيرها من الخصائص مع تلك الموجودة في الجرانيت الطبيعي أو تتفوق عليها. ويمكن تشكيله بأشكال خاصة، ويتميز بأنماط جميلة، كما يمكن تعديل ألوانه وفقًا لمتطلبات السوق (على سبيل المثال، يمكن إنتاج ألوان زرقاء لا توجد في الحجر الطبيعي)، مع اختلاف طفيف في اللون.

1. مسار العملية: التجميع → الصهر → التبريد بالماء → التبلور بالتسخين → القطع، الطحن، التلميع → المنتج النهائي.

① التركيب: المكون الكيميائي الرئيسي للزجاج الخزفي هو SiO₂، يليه CaO، ثم Na₂O، ثم Al₂O₃، بالإضافة إلى كميات ضئيلة من MgO، K₂O، ZnO، وBaO. أما المراحل البلورية الرئيسية فهي البيروكسين والديوبسيد. ويجب تحسين التركيبة بناءً على تكوين المخلفات من خلال إجراء التجارب.

② الصهر: تتراوح درجة حرارة الصهر بين 1450 و1500 درجة مئوية تقريبًا، ويستغرق الصهر من 2 إلى 5 ساعات. يجب أن يكون التقليب متجانسًا؛ ويجب أن يكتمل الصهر دون بقاء أي قطع صلبة؛ وأن تتلاشى الفقاعات تمامًا. وإلا، فستتأثر جودة السيراميك الزجاجي.

③ التبريد بالماء: تُسكب المادة المذابة بالكامل في ماء بارد لإنتاج جزيئات زجاجية لا يتجاوز حجمها 5 مم.

④ التبلور: تُنثر جزيئات الزجاج المجففة في قوالب مقاومة للحرارة وتُسخَّن من أجل التبلور. قبل بلوغ درجة حرارة 700–800 درجة مئوية، يمكن أن يكون معدل التسخين أسرع، حوالي 300 درجة مئوية/ساعة أو أكثر. يبدأ الزجاج في التليين والتبلور عند درجة حرارة تتراوح بين 700 و800 درجة مئوية؛ ويجب ألا يكون معدل التسخين سريعًا جدًّا (وإلا فإن عملية التبلور لن تكتمل)، حيث يجب أن يتراوح بين 120 و180 درجة مئوية في الساعة. عند التسخين إلى 1100–1200 درجة مئوية، تصبح مادة الزجاج شبه منصهرة ويتساوى سطحها؛ يُترك على هذه الدرجة لمدة 1–2 ساعة. ثم يُبرد ببطء. يجب ألا يكون معدل التبريد سريعًا جدًّا، وإلا فقد يتشقق المنتج.

⑤ القطع، الصقل، التلميع: يكون سطح المنتج بعد التبلور مسطحًا بالفعل، لكنه غير مستوٍ تمامًا. وباستخدام معدات القطع والصقل والتلميع التقليدية الخاصة بالحجر، يمكن الحصول على تشطيب مصقول مثالي. علاوة على ذلك، فإن سماكة الصقل أقل من تلك الخاصة بالحجر العادي، مما يرفع من الكفاءة.

2. خصائص المنتج: ترد خصائص السيراميك الزجاجي المصنوع من مخلفات الحديد في دامياو في الجدول 5-19. وكما يتضح، يُظهر هذا السيراميك الزجاجي المصنوع من مخلفات الحديد أداءً ممتازًا، وهو نوع جديد واعد من الحجر الصناعي.

الجدول 5-19: خصائص الجرانيت الزجاجي-السيراميكي المستخرج من مخلفات التعدين

① عينة مقاس 15 مم × 15 مم × 15 مم، تم غمرها في محلول حمض الهيدروكلوريك 3% عند درجة حرارة 25 درجة مئوية لمدة 650 ساعة، وفقدان الوزن (%).
② عينة مقاس 15 مم × 15 مم × 15 مم، تم غمرها في محلول كلوريد الصوديوم 3% عند درجة حرارة 25 درجة مئوية لمدة 650 ساعة، وفقدان الوزن (%).

(2) قامت جامعة شنيانغ جيانزو وجامعة نورث إيسترن بتطوير عملية مشتركة باستخدام مخلفات الحديد من وايتوشان ومخلفات منجم الذهب في شينتشينغ، مع إضافة أكاسيد معدلة وعوامل تكوين نوى مناسبة، ثم الخلط، والصهر عند درجة حرارة 1450 درجة مئوية، تليها المعالجة الحرارية بالتلدين، وتكوين النوى، والتبلور. وبالحفاظ على درجة حرارة التبلور ودرجة حرارة التبلور لمدة ساعتين، ثم التبريد الطبيعي، يتم إنتاج سيراميك زجاجي معماري يحتوي على الديوبسيد كمرحلة بلورية رئيسية. ويمكن أن تصل نسبة إضافة المخلفات إلى ما يزيد عن 65%. أظهر الإنتاج التجريبي أن النطاق الأمثل لتركيبة السيراميك الزجاجي المعماري المصنوع من مخلفات المعادن هو: SiO₂ 50%–60%، Al₂O₃ 6%–9%، CaO 11%–13%، MgO 3%–5%، K₂O 3%–5%، FeO+Fe₂O₃ 2%–8%.

(3) قام تيان يينغليانغ وزملاؤه بتحليل تركيبة مخلفات الحديد من مقاطعة مييون، بكين. ووجدوا أن المكونات الرئيسية هي SiO₂، Al₂O₃، Fe₂O₃، مع كميات معينة من CaO، MgO، Na₂O، K₂O، ومحتوى عالٍ من الحديد. وقرروا إضافة كميات مناسبة من CaO و MgO لتشكيل نظام زجاج سيراميكي من CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂. وأدت إضافة كمية صغيرة من الكبريت إلى تحويل جزء من الحديد إلى كبريتيد الحديدوز، مما ساعد على التبلور. وقد استُخدمت سلسلة العمليات التالية في تحضير السيراميك الزجاجي: التعبئة → الخلط → الصهر → التبريد بالماء → الغربلة → وضع الطبقة → التبلور → الطحن والتلميع → القطع → المنتج النهائي. وبلغت النسبة الكتلية لمخلفات الحديد أكثر من 60%. وبلغت قوة الانحناء للمنتج النهائي 50.2 ميجا باسكال ومتوسط الصلابة المجهرية 675.4، في حين تبلغ قوة الانحناء للرخام والجرانيت 17–19 ميجا باسكال فقط ومتوسط الصلابة المجهرية 153.6. وبالتالي، يوفر هذا البحث مسارًا جيدًا لاستغلال موارد مخلفات الحديد.

(4) أجرى تشانغ جينروي وزملاؤه دراسة حول تحضير السيراميك الزجاجي باستخدام مخلفات الحديد من تانغشان. واستنادًا إلى تحليل تركيبة المخلفات، قاموا باستكشاف تركيبات السيراميك الزجاجي، وتحديد نوع وكمية عوامل التبلور، واختيار عملية معالجة حرارية مناسبة. وأظهرت النتائج أن عوامل التبلور المركبة تعمل بشكل أفضل: بإضافة 3% TiO₂ و1% Cr₂O₃. درجة حرارة التبلور 770 درجة مئوية، ومدة الاستقرار 60 دقيقة؛ ودرجة حرارة التبلور 870 درجة مئوية، ومدة الاستقرار 60 دقيقة؛ ومعدل التسخين 5 درجات مئوية/دقيقة. وكانت المرحلة البلورية الرئيسية للسيراميك الزجاجي الناتج هي الديوبسيد، مع وجود مرحلتين ثانويتين هما الولاستونيت والإسبينيل.

5.6.2 إنتاج السيراميك الزجاجي من مخلفات التنغستن

قامت جامعة جنوب وسط الصين، بالتعاون مع الأكاديمية الصينية للعلوم الجيولوجية، بتطوير نوع جديد من السيراميك الزجاجي المصنوع من مخلفات التنغستن من خلال إجراء تجارب. وتتميز هذه العملية بالبساطة وانخفاض التكلفة. وتتمثل المادة الخام الرئيسية في مخلفات التنغستن، مع استخدام الفلسبار والحجر الجيري كمواد مساعدة. ويتم خلط الدفعة بشكل متجانس، ووضعها في بوتقة من الكوراندوم، ثم صهرها في فرن مقاوم يعمل بقضبان من السيليكون والموليبدينوم. وباستخدام 1% Sb₂O₃ (نسبة الكتلة، كما هو الحال أدناه) و4% NH₄NO₃ كعوامل تنقية، وتبلغ درجة حرارة التغذية 1200 درجة مئوية، ودرجة حرارة الصهر 1550 درجة مئوية، ويتم الحفاظ على هذه الدرجة لمدة 2.5 ساعة، ثم يتم تنقيته عند 1580 درجة مئوية لمدة 1.5 ساعة. يتم تبريد الزجاج المنصهر في الماء لإنتاج حبيبات زجاجية، والتي يتم بعد ذلك توزيعها بشكل طبيعي في قوالب مقاومة للحرارة. لتسهيل إخراج القوالب، يتم طلاء السطح الداخلي للقالب بملاط من رمل الكوارتز والكاولين. بعد تعبئة القوالب، يتم إرسال المادة إلى فرن لعملية التحويل إلى سيراميك. باستخدام هذه العملية، تم إنتاج عينات من السيراميك الزجاجي باللون الأصفر الفاتح بمقاس 100 مم × 100 مم × 10 مم، ذات بنية كثيفة وموحدة، ومسام قليلة جدًّا، ومظهر مسطح ولامع دون تشوه، وأسطح تظهر أنماطًا طبيعية تشبه الرخام. وأظهرت الاختبارات أن قوة الانحناء والضغط والصدمات، ومقاومة التآكل الكيميائي لهذا الزجاج الخزفي ممتازة، متفوقةً على الرخام والجرانيت الطبيعيين.

استخدم كوانغ جينغزونغ وزملاؤه مخلفات التنغستن كمادة خام رئيسية (بنسبة 55%–75%) دون إضافة عوامل تنوي، وقاموا بتحضير سيراميك زجاجي من مخلفات التنغستن باستخدام طريقة التبلور بالصب. والمرحلة البلورية الرئيسية هي β-الولاستونيت. وتتمثل آلية التبلور في التبلور السطحي، وهي عملية بسيطة ومنخفضة التكلفة.

استخدم وانغ تشنغيو وآخرون مخلفات التنغستن، والفلسبار، والحجر الجيري، والميرابيليت، ورماد الصودا كمواد خام رئيسية، مع الفلوريت وصخور الفوسفات كعوامل تنوي، لتصنيع سيراميك زجاجي من مخلفات التنغستن بلون أبيض حليبي باستخدام طريقة الصهر. وتتراوح درجة الحرارة المثلى للتبلور بين 680 و700 درجة مئوية، ودرجة حرارة التبلور بين 900 و950 درجة مئوية، مع وجود مراحل بلورية من الولاستونيت والأباتيت.

5.6.3 إنتاج السيراميك الزجاجي من مخلفات الذهب

استخدم غاو شويا وزملاؤه في جامعة شانشي للعلوم والتكنولوجيا مخلفات منجم هانيين للذهب (شانشي) والكالسيت كمواد خام رئيسية، مع إضافة المواد الأخرى المطلوبة مثل البوراكس، وأكسيد الزنك (ZnO)، وأكسيد الكروم (Cr₂O₃)، Sb₂O₃، وغيرها، لتحضير سيراميك زجاجي بنظام CaO-Al₂O₃-SiO₂ بطريقة الصهر. من خلال التجارب الاستكشافية، تم تحديد النسبة الكتلية لمكونات الدفعة على النحو التالي: مخلفات الذهب 63.5%، الكالسيت 27.1%، البوراكس 4.7%، ZnO 1.6%، Cr₂O₃ 0.8%، Na₂SiF₆ 1.2%، وSb₂O₃ 1.2%.

تم وزن المواد الخام وفقًا لنسبة الكتلة، ثم خلطها وطحنها، وتم تمريرها عبر منخل ذي فتحة 60 ميسه (0.246 مم) للحصول على الدفعة. باستخدام فرن كهربائي بقضيب كربيد السيليكون، تم تسخين الخلطة عند درجة حرارة تتراوح بين 1300 و1350 درجة مئوية لمدة 4 ساعات لإذابة الزجاج بالكامل دون ظهور أي فقاعات مرئية. ثم سُكب الزجاج المنصهر في قالب من الفولاذ المقاوم للصدأ تم تسخينه مسبقًا. وبعد التشكيل، وُضعت العينة في فرن موفيل عند درجة حرارة 600 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة من أجل التلدين. وتم معالجة عينة الزجاج المبردة لتحويلها إلى عينات شريطية مقاس 10 مم × 10 مم × 100 مم. أُجريت المعالجة الحرارية للتبلور في فرن مافل بمعدل تسخين يتراوح بين 3 و5 درجات مئوية في الدقيقة، حيث تم إبقاء العينة عند درجة حرارة التبلور البالغة 820 درجة مئوية لمدة ساعتين، ثم تم تسخينها إلى 890 درجة مئوية وإبقائها عند هذه الدرجة لمدة 3 ساعات، ثم تم تبريدها ببطء إلى درجة حرارة الغرفة للحصول على عينات زجاجية. أظهرت نتائج الاختبار أن المراحل البلورية الرئيسية للزجاج-السيراميك المستخرج من مخلفات الذهب هي البيروكسين والمحلول الصلب من الديوبسيد. وبلغت قوة الانحناء للمنتج 119.2 ميجا باسكال، ومعامل التمدد الحراري 69.5×10⁻⁷/درجة مئوية، والكثافة الظاهرية 2.81 غرام/سم³.

استخدم ليو شوان وزملاؤه في معهد شاندونغ للعلوم الجيولوجية مخلفات الذهب من جياوجيا كمواد خام أساسية لإنتاج السيراميك الزجاجي بطريقة التلبيد، وهي تقنية بسيطة وقابلة للتحكم. وفي التركيبات التجريبية، بلغ معدل الاستفادة الأقصى من المخلفات 60%. وكانت المواد الخام الرئيسية هي مخلفات الذهب والحجر الجيري والكوارتزيت. وتتمثل خطوات العملية في: معالجة المواد الخام → التجزئة والخلط → صهر الزجاج → التبريد بالماء لتشكيل حبيبات → الغربلة → وضع الطبقة وتعبئة القالب → التلبيد والتسوية → التشكيل بالتبلور → الطحن والتلميع → القطع → فحص المنتج النهائي. كانت أبعاد المنتج النهائي 60–90 مم². كان لون المظهر طبيعيًا مع أنماط مميزة، أصفر فاتح، ولم يكن سطح العينة يحتوي على مسام مفتوحة كثيفة. أظهرت اختبارات المقاومة الفيزيائية والكيميائية والحمضية والقلوية أن جميع المؤشرات تفي بالمعايير الصناعية لـ “السيراميك الزجاجي الزخرفي المعماري”.”

5.6.4 إنتاج السيراميك الزجاجي من الموليبدينوم والنيكل ومخلفات التعدين الأخرى

استخدم شين جي وآخرون مخلفات الموليبدينوم كمادة خام رئيسية، مع إضافة مواد مساعدة أخرى، لتصنيع سيراميك زجاجي عالي الأداء بطريقة الصهر. وكانت المواد الخام الرئيسية هي مخلفات الموليبدينوم، ورمل السيليكا، والألومينا (درجة تحليلية)، وكربونات الكالسيوم (درجة تحليلية)، وأكسيد المغنيسيوم (درجة تحليلية)، وكربونات البوتاسيوم (درجة تحليلية)، ورماد الصودا، وما إلى ذلك، مع إضافة مخلفات الموليبدينوم بنسبة 30%. وتم اختيار TiO₂ كعامل تكوين النوى. ويرد جدول المعالجة الحرارية للتبلور في الجدول 5-20. وقد أعد الباحثون عينات من السيراميك الزجاجي تستوفي المعايير الوطنية؛ وترد نتائج الاختبارات في الجدول 5-21.

الجدول 5-20: جدول المعالجة الحرارية للتبلور

الجدول 5-21: عينة من نتائج اختبار الخصائص

تقدمت لي تشانغدا بطلب للحصول على براءة اختراع بعنوان “السيراميك الزجاجي المصنوع من مخلفات التعدين المحتوية على الموليبدينوم وطريقة تصنيعه”، تكشف عن طريقة جديدة للاستفادة الشاملة من مخلفات التعدين المحتوية على الموليبدينوم (Mo 0.01%–0.02%) كمواد خام لإنتاج منتجات من السيراميك الزجاجي ذات إنتاج مستقر. تستخدم هذه الطريقة المخلفات المحتوية على الموليبدينوم لتحل محل المخلفات وأكسيد الكالسيوم ومضافات عوامل التبلور في تركيبة السيراميك الزجاجي، بنسبة إضافة تتراوح بين 40.5% و74.4%. عند استخدام المخلفات المحتوية على الموليبدينوم كمواد خام، يلزم إجراء عملية تجانس مسبق. وتبقى عملية الإنتاج التقليدية دون تغيير، ولا يلزم تعديل المعدات، مما يقلل التكاليف بأكثر من 15% مع تحسين أداء المنتج وقيمته.

استكشف لي زيلين وآخرون طريقة لإنتاج سيراميك زجاجي أسود نقي باستخدام مخلفات النيكل كمادة خام رئيسية، مع ديوبسايد الحديد والمغنيسيوم كمرحلة بلورية رئيسية، وذلك باستخدام عملية الدرفلة. وكانت المخلفات المستخدمة هي مخلفات النيكل من منجم هونغتشيلينغ للنيكل التابع لشركة جيلين جيان للصناعات النيكلية المحدودة، بعد عملية التعويم لاستخلاص خامات كبريتيد النحاس والنيكل. يرد تفصيل للتركيب الكيميائي الرئيسي لمخلفات النيكل في الجدول 5-22. ومن خلال التجارب، تم تحديد الصيغة الأساسية لإنتاج السيراميك الزجاجي من مخلفات النيكل كما هو موضح في الجدول 5-23. نطاق التركيب الزجاجي المناسب (wt%) هو: SiO₂ 37–39، CaO 13–15، Al₂O₃ 15–18، MgO 13–15، FeO 7.5–9، (K₂O+Na₂O) 3–6، TiO₂ 2–3. تبلغ درجات حرارة التبلور والتبلور 780 درجة مئوية و900 درجة مئوية، على التوالي. وبلغت قوة الانحناء لعينات السيراميك الزجاجي المحضرة 45.4–98.6 ميجا باسكال، وصلابة السطح وفقًا لمقياس موس 6–7، وامتصاص الماء 0.

الجدول 5-22: التركيب الكيميائي الرئيسي لمخلفات النيكل (%)

الجدول 5-23: الصيغة الأساسية لإنتاج السيراميك الزجاجي من مخلفات النيكل

استخدم يو جيان تشانغ مخلفات النيوبيوم والتنتالوم من نانبينغ، بمقاطعة فوجيان، كمادة خام رئيسية، مع إضافة مسحوق الكوارتز الطبيعي والحجر الجيري، لإنتاج سيراميك زجاجي قائم على الولاستونيت باستخدام طريقة التلبيد. ووفقًا للتحليل التجريبي، فإن مخلفات النيوبيوم والتنتالوم غنية بـ SiO₂ و Al₂O₃ وكمية معينة من Na₂O، مما يجعلها مناسبة لتحضير السيراميك الزجاجي بنظام CaO-Al₂O₃-SiO₂ مع الوالاستونيت كمرحلة بلورية رئيسية. أظهرت النتائج أن نسبة إضافة المخلفات يمكن أن تصل إلى 50%، ودرجة حرارة الانصهار المناسبة هي 1450 درجة مئوية، وتحدث عملية التبلور عند 855 درجة مئوية لمدة 3 ساعات، والتبلور عند 920 درجة مئوية لمدة ساعتين، مما ينتج عنه سيراميك زجاجي بحجم حبيبات بلورية يتراوح بين 100 و300 نانومتر تقريبًا، وتوزيع متجانس، وتشكل الطور البلوري نسبة تبلغ 60%. وتتفوق خصائصه الفيزيائية والكيميائية على بلاط السيراميك والجرانيت الطبيعي والرخام الطبيعي. كما أجرى كوانغ جينغزونغ بحثًا تجريبيًّا حول تحضير السيراميك الزجاجي باستخدام مخلفات النيوبيوم والتنتالوم كمواد خام رئيسية. وقد أظهرت الألواح الزخرفية المركبة المصنوعة من السيراميك الزجاجي والمُعدة من مخلفات التنتالوم والنيوبيوم تبلورًا جيدًا، وارتباطًا جيدًا بين الجسم والطلاء الزجاجي، وتلبيدًا كاملاً، وسطحًا خاليًا من المسام. يمكن أن يصل معدل استخدام مخلفات التنتالوم والنيوبيوم في طلاء السيراميك الزجاجي إلى 40%–50%.

استخدمت جامعة تونغجي، بالتعاون مع مصنع شنغهاي رقم 2 للأواني الزجاجية، مخلفات النحاس من لانغياشان (آنهوي) كمواد خام رئيسية، مع رمل السيليكا والكالسيت كمواد مساعدة (نسبة الخلط: مخلفات النحاس ~60%، المواد المساعدة ~40%). وبعد إجراء تجارب صناعية، تمكنوا من تطوير مادة زجاجية-سيراميكية من مخلفات النحاس قادرة على استبدال الرخام والجرانيت والبلاط الخزفي، وتتميز بقوة عالية ومقاومة للتآكل والتلف. وقام ليو ويبينغ وزملاؤه بتصنيع ألواح زجاجية-سيراميكية ورمل كوارتز ملون من مخلفات النحاس، تتمتع بخصائص فيزيائية وكيميائية جيدة تضاهي تلك الموجودة في الحجر الطبيعي.