合成的混杂岩组合物、方法及由该方法生成的产品的制作方法

专利名称：合成的混杂岩组合物、方法及由该方法生成的产品的制作方法
专利说明合成的混杂岩组合物、方法及由该方法生成的产品 发明领域 本发明一般涉及合成的混杂岩物质组合物、产品以及使用尾矿(mine tailings)、矿开采岩(mine development rock)、矿灰、矿渣、矿粉、矿泥和类似的矿石废料作为起始原料的相关方法。
相关技术说明 矿回收和废弃矿物加工不是很新的工业。存在许多系统、工艺和方法来实现环境矿清理，并从主要由废弃矿物组成的原材料生产有用产品。
美国专利第3,870,535号公开了处理煤开采废料以生产粘结材料(cementitious material)的方法，所述黏结材料在大气压下自硬化，并可用作结构填充物、路基材料，或者作为固结的聚集体屏障以防止穿透性渗透和因此产生的地面水污染。所述方法包括使用石灰(以中和硫酸)或者石灰和火山灰材料(如飞灰)处理来自煤提取过程的煤开采尾矿，以在含有从尾矿释放的硫酸根离子的湿气存在下，于大气压下反应至少几天，并且在某些情况下还与尾矿中的可溶性铁产物反应。要求保护的产品是煤开采废料和化学计量不同浓度的石灰、水和飞灰的混合物。该发明产品一般是3CaO、Al2O3、3CaSO4、30-32H2O或3CaO、Al2O3、CaSO4和10-12H2O的多种。产品样品的渗透性测试数据表明，在100下七天固化期结束后，渗透性降低。而且，压缩强度数据表明，PSI中测试的压缩强度随固化期进展而增加。关于组合物密度和可塑性的详细信息未公开。然而，该组合物本质是有粘结性的，并因此在应用和潜在实用中是受限制的。基于黏结剂的产品的公知缺点包括高孔隙率和由于温度和气候波动所产生的结构不稳定性。
美国专利第5,286,427号公开了通过使用尾矿废料生产结构建筑材料来实现环境清理的方法。该方法包括提供用于生产结构建筑材料的设备；提供用于生产建筑材料的原料，该原料包含未处理尾矿(具有适合直接使用的材料分级)，作为经处理的硅砂加黏结剂和铝粉的替代物；分析所述尾矿以确定组成和所含其他原料的重量百分比含量；从所述尾矿制备浆料，并将该浆料与其他原料结合以生成批浆料(batch slurry)；根据尾矿中的重量百分比含量来调节其他原料的量；并通过所提供的设备加工所述批浆料，包括生成建筑结构材料的最终固化步骤。由于发生在浇铸阶段(casting stages)的化学反应，因此生产的浆料从流体形式变化为建筑材料的半固体形式。所述半固体形式膨胀并与模具形状一致，并有利于在固化之前被切成较小单元。所生成并要求保护的压热充气处理的黏结剂仅具有有限的功用，因为该组合物缺乏可塑性并因此不能有效的随后再成形。有关该材料渗透性、孔隙率和所需固化时段的信息未公开。如前所述，黏结剂的公知缺点包括高孔隙率和由于温度和气候波动而产生的结构不稳定性。
美国专利第6,825,139号公开了结晶组合物、多晶制品、产品和使用煤灰作为起始原料的相关方法。该方法包括将煤灰颗粒与至少一种玻璃形成剂和至少一种结晶催化剂混合，熔化该组合以形成混合物，并将所得到的混合物冷却至室温以形成包含SiO2、Al2O、CaO、Fe2O3、TiO2、MgO、Na2O、Li2O、CeO2、ZrO2、K2O5、P2O5、Cr2O3、ZnO和MnO2的同质、非多孔多晶制品。该多晶制品是通过催化结晶作用从玻璃组合物获得的多晶材料，且由均匀分布于其余玻璃相的一种或多种结晶矿物相组成。电子显微术揭示的微观结构鉴定显示了晶体尺寸约1μm的密集玻璃陶瓷结构。由X射线衍射所证明的该组合物的矿物组成揭示了主要结晶相是钙长石，而其他结晶相包括钠长石和二硅酸锂。发现玻璃密度最高达2720kg/m3；孔隙率小于0.02％；且弯曲强度最大达150MPa。然而，组合物被加热至需要添加至少一种结晶催化剂以实现各结晶相的温度，达到该程度时，所述组合物、产品和相应的方法是相对繁琐的，并且如果在催化剂添加过程中出现失误则容易不准确。
相对同质的采掘矿料的大量加工已经制成了许多各种质量和耐久性的瓷砖产品。例如，通过加工天然矿物组分和掺合剂(admixtures)的混合物而制成的常规陶瓷可根据其玻璃含量分类为非玻璃质的、半玻璃质的和玻璃质的。非玻璃质陶瓷(例如Dai-Tile)通常由粘土、滑石和碳酸盐矿物生产，并具有超过约7％的吸水率。这些组合物中未使用熔剂矿物(如长石)。通过ASTM C373检测，该类型的非玻璃质Dai-Tile具有13-14％的吸水率。该类型的砖几乎无玻璃含量，并通过固态反应和烧结而获得其结构完整性。半玻璃质陶瓷(例如Balmor)通常具有一定的玻璃含量和约4％至约7％的相应吸水率。其为红色本体产品，其颜色归因于其天然的铁含量。所述本体通常由含有天然石英和长石的天然含粘土的土混合物制成。所述长石用作助熔剂以在烧制过程中生成液相，所述液相在冷却过程中转化为玻璃。包括瓷砖的玻璃质陶瓷(例如Granitifiandre Kashmir White)具有小于4％的吸水率。纯瓷产品的吸水率值通常小于约0.5％。这些材料主要由高岭土、石英和长石原料制成。这些材料具有高玻璃含量(通常20-30％)，并且特征在于缺乏冷却过程中从熔体沉淀的结晶相。这些材料通常含有通过高岭土原料在升高的烧制温度下固态分解所生成的矿物莫来石(mineralmullite)(3Al2O3-2 SiO2)。
可商业途径获得的瓷砖材料-非玻璃质的

图1是由Dai-TileTM生产的非玻璃质商业瓷砖的扫描电子微探针反向散射电子(BSE)图像。该BSE图像显示了主要为不连续片状颗粒(1和2)的该非玻璃质瓷砖的典型显微组构，所述片状颗粒被黏结(烧结)，没有明显的玻璃基质。主要片状颗粒的能量色散X射线(EDX)微量化学分析谱显示了硅酸镁化学组成。该组成与在该瓷砖样品上进行的X射线衍射分析(XRD)所鉴定的矿物“顽辉石”(MgO-SiO2)相符。顽辉石矿物相没有“生长”或从熔体结晶析出(因为不存在)，但作为高温假同晶固态替代矿物而形成，替代最初大部分滑石原料。滑石是含水硅酸镁矿物Mg3Si4O10(OH)2)。
浅色(白色)反应边缘(3)围绕空隙(黑色)，其中一些空隙含有部分溶解的颗粒(4)。EDX分析表明，边缘(3)具有与通过XRD分析检测的矿物堇青石(MgO-Al2O3-SiO2)相一致的硅酸镁铝化学组成。一些空隙中央的部分溶解的颗粒具有方镁石的典型氧化镁化学组成。该MgO材料的丰度低至不能在XRD分析中检测。
具有二氧化硅化学组成的较少的角形颗粒(5)与通过XRD分析检测为该瓷砖中较少组分的石英的组成(SiO2)一致。
大量的空隙空间(黑色)例证了该非玻璃质瓷砖材料(6)的高孔隙率。该材料中明显玻璃状基质的缺乏导致差的颗粒-基质结合接触(7)。这些物理性质都有助于该瓷砖所测定的更大吸水率、更低硬度和更低弹性模量(MOR-机械强度的量度)。
可商业获得的瓷砖材料-半玻璃质的 图2是BalmorTM半玻璃质商业瓷砖的扫描电子微探针反向散射电子(BSE)图像。图2显示了包含部分至完全溶解的原生矿物颗粒的该半玻璃质瓷砖的典型显微组构。这些矿物颗粒的EDX分析揭示的化学组成与经XRD分析鉴定为该砖材料组分的特定矿物相关联。这些矿物颗粒包括钾-长石(10)、斜长石(11)、石英(12)和针铁矿(Fe(OH)2)(13)。
这些原生矿物颗粒由半连续的无定形玻璃基质黏结。两个玻璃状基质区域(14和15)的EDX微量化学分析显示，这两个玻璃状区域中的阳离子K、Na和Ca的具体比例类似于两个相邻长石的组成(比较10与14，11与15)。这种相似性表明，玻璃组成可随阳离子组成而变化，并受相邻矿物颗粒中特定阳离子组分的影响，所述矿物颗粒熔化或溶解生成玻璃基质材料。
图2显示该半玻璃质瓷砖的玻璃状基质是半连续的，导致了中度的保留的孔隙16。所述孔隙大多(但非完全)是不相连的，导致了更低的吸水性质。原生颗粒不完全结合(17)至玻璃状基质，这导致材料耐久性和硬度的下降。
图2还显示在玻璃状基质中无次生微晶矿物。无证据表明，新结晶矿物相在冷却过程中从熔体沉淀。
可商业获得的瓷砖材料-玻璃质的 图3是Granitifiandre Kashmir White玻璃质瓷砖的扫描电子微探针反向散射电子(BSE)图像。该BSE图像显示了包含剩余部分溶解的原生颗粒的该玻璃质瓷砖的典型显微组构。一些颗粒的EDX微量化学分析与XRD分析相关联，以证实该瓷砖的矿物组成主要为石英(20)、斜长石(21)和锆石(22)。
图3揭示，石英颗粒边界显示明显的溶解迹象(20)，而长石颗粒大量地乃至完全熔化或溶解(21)。较少量的锆石颗粒明显为掺合物，以在瓷砖体中实现斑纹结构(表面22)。玻璃状基质看起来为连续的，仅留下少数孤立的空隙或孔，并产生低吸水性质(23)。
图3也显示在玻璃状基质中无明显次生微晶矿物，并表明没有这种次生矿物从熔体生成。然而，XRD分析中鉴定了莫来石-从高岭土固态转化生成的矿物。由于其典型的针形晶体形状和非常小的颗粒尺寸，BSE分析未确切鉴定其存在于陶瓷中。莫来石的总原子量(密度)可能太类似于玻璃基质，使其不能区别于玻璃。
如上所讨论的，加工废弃矿物(如尾矿)常规方法的无效率和常规陶瓷产品固有的结构及组成限制-特别是孔隙率和相应的吸水率、降低的硬度和低弹性模量-证明存在如下双重需求(1)以低成本和高安全性回收矿物废料(如尾矿)的有效果且有效率的策略；和(2)低成本且容易生产的无粘土玻璃质合成岩石材料，其具有优良的且迄今不能同时获得的特征，所述特征包括低孔隙率；无釉化的不渗透性；后续再成形的高度可塑性；以及高强度和耐久性。本发明同时解决了上述双重需求。

背景技术：
在美国和国外，尾矿和矿回收的努力已经引起广泛的环境关注。尾矿是留在隔离区(containment areas)，或者从特定位置提取金属后被排放至接收水的废物，尾矿主要由含有多种成岩矿物的废岩组成，包括作为主要组分的结晶硅石、长石和粘土矿物；以及包括碳酸盐、硫酸盐、硫化物和云母类的次要组分。尾矿相关的污染问题涉及尾矿隔离区的结构完整性和稳定性，以及如果隔离失败而产生污染影响的可能。这些问题的核心是尾矿对地面和地面水的污染可能，以及相应地，这种潜在污染对直接邻近尾矿隔离区的居民生活的影响。
需要有效的矿回收策略以及安全处理潜在危险的尾矿是采矿和环境工业等的广泛共识。从环境安全和经济角度都不容置疑的是，需要以安全方式处理尾矿，而不是继续试图隔离。同样，其他矿物废料引起了类似的环境污染关注，其安全和有效处理的需要也是公认的。
远溯至古美索不达米亚，研究者已经找到他们所认为的泥浆形成的玄武岩板。认为该地区居民使用玄武岩作为主要原料用于多种目的，包括陶器、建筑、书写材料、艺术品和工具。在从泥浆重新生成玄武岩的模拟研究中，研究者能够如下模拟玄武岩的组成和结构使用当地冲积泥浆作为起始原料，并在持久时段内以规定的温度范围加热该原料。所得到的玄武岩特征在于嵌入玻璃状基质的无光泽斜辉石(clinopyroxene)晶体，且最终玄武岩中很少存在或完全没有起始原料残留。玄武岩很可能强度有限，因为其缺乏聚集显微组构。由于观察到许多大孔(一些大小为3mm)的存在，玄武岩具有高吸水率，可能大大超过7％。
在更近期的废料实例中，电力燃煤所产生的飞灰和底灰是煤中无机矿物生成的大多不可燃烧的残质。仅在美国，每年产生大概数百万吨的飞灰和底灰。在废物焚烧炉和生物质燃烧发电厂中也产生飞灰和底灰。矿渣废料来自金属加工操作。采石和挖泥操作经常生成硅酸盐废料(如碎屑或泥渣)，其必须以安全的方式处理。
常规上，使用相对纯的矿物材料(高岭土、长石、石英、滑石等)来生产多种具有不同组成和质量程度的陶瓷材料。如前所述，非玻璃质Dai-Tile、半玻璃质Balmor Tile和玻璃质Granitifiandre KashmirWhite砖代表了其中非常少数。然而，这些和大量其他常规陶瓷产品(瓷砖、餐具、卫生设备等)通常通过依赖于粘土(大多为高岭土)可塑性和粘合(未烧制状态)的方法来生产，并一般使用相对纯的原料。如前所述，常规陶瓷也表明了许多不希望的特征，所述特征包括中至高的孔隙率和吸水率、低硬度和强度以及在冷却时不形成有助于产物耐久性的次生微晶。而且，在常规陶瓷的生产中，很关注原料成分的质量和纯度。另外，原料中的污染物可导致对常规产品有关结构完整性的严重质量损害和装饰性质上的缺陷。令人惊讶地，申请人的方法和组合物可耐受更高浓度的许多材料，而所述材料在常规陶瓷生产中被认为是污染。这种材料包括铁、镁、锰、硫及其化合物。
环境清理工业中需要开发有效且有效率的策略，用于回收矿、在提取完矿物后处理尾矿、处理矿开采岩、处理来自电厂和焚烧炉的飞灰和底灰、处理矿渣并处理碎屑或矿泥。合成岩工业存在同样重要的需求以成本有效和相对快的方式生产低孔隙率、易于生产、低吸收的玻璃质砖。
发明概述 本发明提供了通过加工原始尾矿和类似废料而得到的结晶和玻璃组合物，该组合物可用于生成有价值的产品和制品，用于多种用途，特别是但不限于商业和住宅建筑工业，例如地板砖、墙砖、屋顶砖、砖、块、板壁、嵌板、辅面、台面、路基聚集物和其他建筑材料。该独特的组合物包含碎屑相(clast phase)、玻璃相和结晶相。所述碎屑相进一步包含矿物颗粒、类矿物颗粒、玻璃小球或岩石碎片，其中任何物质可以是部分熔化或部分溶解或通过化学反应部分转化的。所述玻璃相提供了将所述碎屑黏结在一起的基质。所述结晶相被所述玻璃相完全包裹，通过从熔体生长而形成。通过独特玻璃相(其进一步包含新生成的结晶相)熔合在一起的碎屑的独特组合物，特征在于具有优良物理和结构特征的微观聚集角砾岩(合成岩/玻璃基质)结构，所述优良物理和结构特征包括低孔隙率、低吸收、提高的强度和耐久性、有利于初加工后再成形的保留的可塑性以及与常规合成岩石材料易于区分的化学属性，通过扫描电子微探针分析证明。
玻璃相(玻璃基质)是通过部分熔化一组最初原始矿物组分而生成的，所述组分可以包括存在于多种岩石类型中的长石、石英和矿物材料，并且所述组分还可作为单独的矿物颗粒(单矿物的)或作为岩石碎片(多矿物的)存在。在最佳熔化期后，将所得到的玻璃基质冷却最佳冷却期，在所述冷却期间，具有不同比例铁、镁、钙和硫的独特硅酸盐和非硅酸盐矿物从熔体结晶生成分布于玻璃基质各处的小微晶。重要的是，新生成的次生微晶包括起始原料中不存在且在可商业途径获得的同类型陶瓷中未发现的特定链硅酸盐、网硅酸盐和硫酸盐化合物。偶尔，这些矿物中的一些可以见于可商业途径获得的陶瓷中；但是那些矿物不是从熔体相生成的次生微晶，而是起始原料的残余物。本发明陶瓷材料中生成的具体矿物受废弃矿物原料(如尾矿、灰等)的独特化学组成所影响。
链硅酸盐是单链和双链硅酸盐矿物。辉石族的链硅酸盐包含单链、非水化、含铁镁的链硅酸盐。闪石族的链硅酸盐包含双链、水化、含铁镁的链硅酸盐。硅灰石是链硅酸盐族中的硅酸钙矿物。
网硅酸盐是架状硅酸盐矿物，包括如石英和长石族矿物。斜长石是具有不同量钠和钙的长石矿物的固溶体系列。
硫酸盐矿物是一族含有硫的矿物。石膏和无水石膏是硫酸钙，且无水石膏形成脱水形式，而石膏为水化形式。
辉石，特别是顽辉石和紫苏辉石(含铁的顽辉石)，以及普通辉石(augite)、透辉石、古铜辉石和易变辉石一般不存在于起始原料中，并且未在玻璃质、半玻璃质或陶瓷中检测到。而通过X射线衍射分析(XRD)和使用能量色散X射线分光计(EDS)的扫描电子微探针分析(微探针)，仅在高孔隙率陶瓷(如上述非玻璃质陶瓷Dai-Tile)中检测到辉石。然而，微探针分析揭示，非玻璃质陶瓷中的辉石的形态向本领域技术人员表明，那些辉石是通过固体化学反应而非从熔体相结晶而产生。相反，在原始矿岩材料中检测到了闪石(特别是角闪石形式)，而在加工后的材料中未检测到，原因是这些化合物没有经受住高温加工，结果在加热过程中脱水并键分解。
硅灰石和斜长石是一些非玻璃质常规陶瓷中实现特定陶瓷类型和性质的常见成分。然而，使用微探针分析和EDS技术在常规陶瓷中没有检测到作为新结晶相的硅灰石和斜长石，相反，其以烧结的原生矿物颗粒出现。
无水石膏和/或石膏常规不存在于起始原料中，并且未在常规的非玻璃质、半玻璃质或玻璃质陶瓷中被检测到。
本发明组合物和产品包含最初尾矿碎片以及新生成的矿物相，这使其在组成上不仅区别于尾矿起始原料，而且更重要的是区别于常规的合成岩组合物和相应的产品。起始原料、本发明组合物和产品以及常规合成岩组合物之间的关键组成差异在于存在或不存在链硅酸盐矿物(特别是辉石、硅灰石)、网硅酸盐(特别是斜长石)和硫酸盐(特别是无水石膏)。如下更全面阐述的，本发明组合物和产品含有迄今未在低孔隙率的玻璃质合成岩材料中检测到的链硅酸盐、新生成的斜长石、硅灰石和无水石膏。可以在本合成岩中生成的特定辉石矿物可包括但不限于如下一种或多种普通辉石、透辉石、紫苏辉石、易变辉石、古铜辉石和顽辉石。
另外，本发明使用独特的加热和冷却策略，完全不需要添加结晶催化剂。即，将原料加热至所述原料的一些但非全部组分开始至少部分熔化的温度。在这些温度下，生成能够流动的液相，以覆盖单个聚集颗粒、使其结合在一起并填充空隙空间。所述液相还可开始溶解其他固体材料。在以适当的未淬火(unquenched)速率冷却后，该液相可部分结晶且不需要添加成核添加剂，因为由于是部分熔化的，其中已经存在固体表面以启动结晶。温度下挤压材料的机械压力可帮助将所述液相分布于各种固体表面并增加结合。从空隙空间真空除去气体可帮助排除使用所述液相填充所述空隙的阻力。
通常，原料的最先液化组分是玻璃颗粒或长石，其多数在大约1050℃至1300℃的温度下液化。优选地，所述原料包含在1100℃至1200℃的温度范围内变成液体的玻璃或长石。当冷却从峰值温度开始时，在最初几百度的冷却过程中，从这些温度的冷却优选以足以使结晶发生的慢速进行，所述速度优选约1℃/分钟至50℃/分钟，更优选约5℃/分钟至20℃/分钟，最优选约10℃/分钟。当材料经过600℃至500℃的温度范围时，还特别优选以最高10℃/分钟的速度冷却，以避免由于材料中可能存在的任何石英的β至α相转变所伴随的体积变化而发生的破碎。
在随后的本发明实施方案和实施例中，一定量的含有岩石碎片和单个矿物颗粒的尾矿(例如历史上的Idaho-maryland尾矿(HIMT))在成形室中被加热至优选1100℃至1200℃范围内的最佳温度，并因此在优选约0.5小时至6小时的最佳时段内部分熔化。在部分熔化过程中，HIMT原料同时接受压力改变，优选应用1psi至200psi机械力至所述材料，并且还可以进一步应用真空以降低绝对压力至约1mbar至600mbar的范围内，以除去空隙气相。
在压力改变下加热HIMT原料，形成部分熔化的基质，然后将该基质冷却最佳的时段。在冷却期间，新生成的具有不同比例的硅、铝、铁、镁、钙和硫的矿物微晶从最初原料熔体结晶，生成分布于玻璃基质各处的小微晶。如前所述，本发明不使用添加的为促进结晶过程的结晶催化剂或成核剂。
存在于玻璃基质中的新生成的结晶矿物包含来自辉石族、斜长石族和硫酸盐族的矿物组合。新结晶矿物的形态特征表明其次生生长是从最初的原料熔体的生长，而非通过固态玻璃反应。最值得注意的是，这些次生生长指示包括新生矿物大体均一的尺寸、晶形和整个玻璃基质的均一组成。
在一个实施方案中，本发明提供了玻璃质、非多孔、不可渗透的多晶组合物，该组合物包含一定量的碎屑、一定量的玻璃基质和一定量的至少一个次生结晶相。所述碎屑包含单矿物(如石英)颗粒或岩石碎片或未熔化的玻璃碎片或类矿物颗粒。所述玻璃基质分布于碎屑之间，与碎屑结合，并填充于几乎全部空隙空间。所述至少一个次生结晶相包含在玻璃基质内，并包含从熔体生成的晶体，所述熔体的矿物组成选自含铁与镁的矿物、辉石(例如，斜辉石、斜方辉石、普通辉石、透辉石、紫苏辉石、易变辉石、古铜辉石、顽辉石)、钛铁矿、金红石、硅灰石、堇青石和无水石膏。
在一个实施方案中，本发明提供了加工尾矿生成玻璃质、非多孔、不可渗透的多晶组合物的方法。所述方法包括空气干燥尾矿样品至湿度小于3％；筛分所述尾矿以除去大于516微米的材料；并在约900℃下于空气中煅烧所述尾矿。然后使用约350psi的压力在约1130℃下于管中将该尾矿机械压缩约60小时，随后以大约1℃/分钟至3℃/分钟的速度冷却，生成包含碎屑相、玻璃相和至少一个结晶相的所述组合物。所述碎屑相包含单矿物(如石英)颗粒或岩石碎片。所述玻璃相分布于所述碎屑相之间，与碎屑颗粒结合，并填充于几乎全部周围的空隙空间。所述至少一个结晶相包含在所述玻璃相内，并包含从熔体生成的晶体，所述熔体的矿物组成与选自古铜辉石、普通辉石和易变辉石的矿物一致。
在另一实施方案中，本发明提供了加工尾矿生成玻璃质、非多孔、不可渗透的多晶组合物的方法。所述方法包括空气干燥尾矿样品至湿度小于3％；筛分所述尾矿以除去大于516微米的材料；并在约900℃下于空气中煅烧所述尾矿。然后使用约300psi的压力在约1140℃的温度下将该尾矿于管中机械压缩约6小时，随后以大约10℃/分钟至20℃/分钟的速度冷却，生成包含碎屑相、玻璃相和至少一个结晶相的所述组合物。所述碎屑相包含单矿物(如石英)颗粒或岩石碎片。所述玻璃相分布于所述碎屑相之间，与碎屑颗粒结合，并填充于几乎全部周围空隙空间。所述至少一个结晶相包含在所述玻璃相内，并包含从熔体生成的晶体，所述熔体的矿物组成与选自古铜辉石、普通辉石、易变辉石、无水石膏和钛铁矿的矿物一致。
在另一实施方案中，本发明提供了加工变质火山(metavolcanic)矿开采岩生成玻璃质、非多孔、不可渗透的多晶组合物的方法。所述方法包括空气干燥所述开采岩至湿度小于3％；并经由516微米筛网筛分所述开采岩。然后，在部分真空大气中，用在约30psi和160psi之间振荡限定时间的机械压力，在约1160℃温度下，通过美国专利第6,547,550号(Guenther)中描述的装置加工开采岩粉末约60分钟，随后以大约5℃/分钟至15℃/分钟的速度冷却，生成包含碎屑相、玻璃相和至少一个结晶相的所述组合物。所述碎屑相包含多矿物碎屑和单矿物碎屑。所述玻璃相分布于所述碎屑相之间，与碎屑颗粒结合，并填充于几乎全部周围空隙空间。所述至少一个结晶相包含在所述玻璃相内，并包含从熔体生成的晶体，所述熔体的矿物组成与选自普通辉石、易变辉石、磁赤铁矿和钛铁矿的矿物一致。
在另一实施方案中，本发明提供了加工煤飞灰生成玻璃质、非多孔、不可渗透的多晶组合物的方法。所述方法包括空气干燥所述煤飞灰样品至湿度小于3％；使用516微米的筛网筛分所述煤飞灰；并随后煅烧所述煤飞灰。然后在约300psi的压力和约1115℃的温度下将该煤飞灰于管中机械压缩约10小时，随后以大约10℃/分钟至20℃/分钟的速度冷却，生成包含碎屑相、玻璃相和至少一个结晶相的所述组合物。所述碎屑相包含来自最初原料组分的残留碎屑。所述玻璃相分布于所述碎屑相之间，与碎屑颗粒结合，并填充于几乎全部周围空隙空间。所述至少一个结晶相包含在所述玻璃相内，并包含从熔体生成的晶体，所述熔体的矿物组成与选自硅灰石、斜长石长石、无水石膏和硫酸钙的矿物一致。
在另一实施方案中，本发明提供了加工选自下述的废料生成玻璃质、非多孔、不可渗透的多晶组合物的方法尾矿、废弃岩石、采石废料、矿泥、飞灰、底灰、煤灰、焚烧炉灰、木灰和矿渣。所述方法包括使所述废料经过筛分装置；将所述废料从所述筛分装置运送至加热的旋转室，用于化学转化；将所述废料从所述加热的旋转室运送至任选安装有真空装置的第二个加热的室；将所述废料从所述第二个加热的室运送至位于加热元件内的第三个加热的室；在所述第三个加热的室中施加压力至所述废料，生成混杂岩；通过模具设备挤出所述混杂岩并将所述混杂岩从所述第三个加热的室移出，以随后使用或进一步改变。
总而言之，本发明的益处、优点和令人惊讶的发现是显著的。首要地，有关本发明的令人惊讶的发现是最终组合物和相应产品中存在辉石链硅酸盐。迄今，还未在如本发明的玻璃质、低孔隙率、低吸收合成岩材料中检测到辉石矿物化合物。而通常仅在高孔隙率、非玻璃质材料中检测到辉石。
同样令人惊讶的是如下事实本发明在不添加结晶催化剂或其他成核剂的情况下实现了最大的结晶作用。本发明的原料未被加热超过其熔点，而仅被部分熔化，这保留了玻璃基质中已经存在的结晶核位点。相反，常规合成岩组合物必须使用结晶催化剂以促进晶体生成，因为相应的原料被加热至高于其熔点并在加工过程中被完全熔化至同质状态，这破坏了潜在的结晶位点。需要常规的结晶催化以提供结晶位点。
本发明另一令人惊讶的发现是本发明的玻璃基质可包含各种量的玻璃，但是具有少于约20％玻璃的组合物实现了不渗透性。常规的低渗透或不渗透合成岩材料需要高玻璃含量以实现不渗透性。
本发明的优点还有提供了在玻璃-结合液体基质内包含结晶颗粒的组合物，这使所述组合物在高温下保持了不同于常规粘土砖的显著可塑性。由于该提高的可塑性水平，所述组合物可以在初加热或再加热时被压缩、滚卷或注射成其他形状以及初步制备后的各种有用产品。例如，精细颗粒形式的固体组合物可被压制成聚集物和圆石，用于多种建筑用途，包括用于水泥、路基和圆石块中。或者，可向所述组合物添加公知的磨料(如碳化硅、石英和石榴子石)，以便随后用于砂磨块和砂轮。
本发明另一优点是，所述固体组合物和相应的产品不需要釉化即是不可渗透的。本发明的不渗透性直接原因是如下事实不同于常规的合成岩材料，所述组合物和产品由于连续的玻璃基质结构而基本上具有零开孔率，所述玻璃基质结构围绕在遍布于其中的微晶周围。除了某些罕见的玻璃质的昂贵粘土产品(如瓷器)外，常规的合成岩和陶瓷产品需要釉化以获得不渗透性。
如前所述，本发明基本具有零开孔率，这导致产品比常规陶瓷材料具有更少的孔和更高的不渗透性。令人惊讶地，本发明可包括空隙(闭合的孔)，以产生更轻重量的建筑型材料，且不损害本发明的不渗透特征。
本发明还存在其他方面和替代或优选的实施方案。这将随说明书的深入而变得显而易见。
附图简述 图1是从可商业途径获得的(Dai-Tile)非玻璃质瓷砖的扫描电子微探针分析获得的显微照片。
图2是从可商业途径获得的(Balmor)半玻璃质瓷砖的扫描电子微探针分析获得的显微照片。
图3是从可商业途径获得的(Granitifiandre，Kashmir White)玻璃质瓷砖的扫描电子微探针分析获得的显微照片。
图4是从本发明加工尾矿的方法得到的产品的扫描电子微探针分析获得的显微照片，包括所述产品组成的图示。
图5是从本发明加工尾矿的方法得到的产品的扫描电子微探针分析获得的显微照片，包括所述产品组成的图示。
图6是从本发明加工矿开采岩的方法得到的产品的扫描电子微探针分析获得的显微照片，包括所述产品组成的图示。
图7是从本发明加工煤飞灰的方法得到的产品的扫描电子微探针分析获得的显微照片，包括所述产品组成的图示。
图8是描绘加工废矿料的装置和方法的示意流程图。
发明详述 第一实施方案 本实施方案是使用缓慢冷却方案加工尾矿的装置和方法，其生成本发明的组合物和相应产品。
表1.一些原料的组成 实施例1 将来自Idaho-maryland金矿的尾矿样品(总体组成显示于表1)空气干燥至湿度小于3％，并筛分以除去大于516微米(30目)的材料。尾矿原料在900℃的空气中煅烧。煅烧后，该材料(无需添加剂)使用活塞在约350psi压力和1130℃温度下于氮化物键合的碳化硅工艺管中机械压缩延长的时段，约60小时。然后，以1℃/分钟至3℃/分钟的速度缓慢冷却该材料，生成合成岩混杂材料，然后从工艺管移出。通过方法ASTM C373测定，所得到的合成岩混杂材料试样具有约85MPa(12320psi)的平均弹性模量和约0.3％的平均吸水率。得到的其他数据显示于表2。
表2.示例合成岩混杂材料的物理性质 图4是Idaho-maryland尾矿原料的该合成岩混杂材料的扫描电子微探针反向散射电子(BSE)图像。图4描绘了该合成岩材料的独特显微组构典型的三个特征相。这三相包括碎屑(部分溶解的残留尾矿原料原生颗粒)；从部分熔化的原生矿物颗粒得到的玻璃相；和次生结晶相，其包含存在于该玻璃相中的类似尺寸的微晶。次生矿物在冷却和形成所述玻璃相之前从熔体结晶。图4显示了具有圆形边缘的残留原生石英颗粒，表明其之前角形颗粒边界的溶解(31)。最初原料组分(如长石)的多数其他原生矿物组分接近完全熔化，几乎未留下其存在于该合成岩中的证据，除了保留母体矿物化学标记的斑纹区域(32)外。
具有铝矽酸盐组成的玻璃相(33)含有痕量阳离子，如钾、钙、钠、镁和铁(33)。遍及陶瓷中的玻璃的EDS微量化学分析表明，玻璃组分是非均质的，随铝∶硅的比例以及痕量阳离子含量(34)而变化。
新生成的(次生)微晶构成该合成岩的结晶相。更长的加工时间导致生成占该材料体积40-50％的次生微晶。通过EDS测定，该微晶以两种可辨别的形态出现，每种形态具有独特的化学组成。一些微晶以窄板条状和骨骼状出现，并单独或成簇存在(35)。该形态的微晶统一具有最类似于古铜辉石族辉石的化学组成，具有高含量的镁和低含量的钙和铁(35)。板条状微晶的尺寸为1μm至3μm宽和5μm至25μm长。
另一常见的微晶形态是等径块状，同样单独和成簇存在(36)。该微晶形态的钙∶铁比例类似于普通辉石或易变辉石族的辉石，具有高含量的钙和低含量的铁。这些块状微晶的尺寸范围从4μm至15μm。
该合成岩材料中的连续玻璃相留有广泛间隔分离的、相互很少或没有联系的空隙，导致非常低的吸收值(37)。
第二实施方案 本实施方案为使用快速冷却方案加工尾矿的方法，其导致生成本发明的组合物和相应产品。
实施例2 将来自Idaho-maryland金矿的尾矿样品(总体组成显示于表1)空气干燥至湿度小于3％，并筛分以除去大于516微米(30目)的材料。尾矿原料在900℃的空气中煅烧。煅烧后，该材料(无需添加剂)使用活塞在约300psi压力和1140℃温度下于氮化物键合的碳化硅工艺管中机械压缩，停留时间约6小时。然后通过成型面(land)长度为3.5cm的矩形模具(15.2cm×1.3cm)挤出材料，并随后以约10℃/分钟至20℃/分钟的速度冷却该材料，生成合成岩混杂材料。通过方法ASTM C373测定，所得到的合成岩混杂材料试样具有约42MPa(6060psi)的平均弹性模量和约3.2％的平均吸水率。得到的其他数据显示于表2。
图5显示所得到的合成岩混杂材料的扫描电子微探针反向散射电子(BSE)图像。图5描绘了该合成岩材料的独特显微组构典型的三个特征相。这三相包括碎屑(部分溶解的残留尾矿原料原生颗粒)；从部分熔化的原生矿物颗粒得到的玻璃相；和次生结晶相，其包含包裹于该玻璃相中的类似尺寸的微晶。次生矿物在冷却过程中从熔体结晶，可能在所述玻璃相形成之前。图5显示了具有圆形边缘的残留原生石英颗粒，表明其之前角形颗粒边界的溶解(41)。最初原料组分的多数其他原生矿物组分接近完全熔化，几乎未留下其存在于该合成岩中的证据。
具有铝矽酸盐组成的玻璃相(42)含有痕量阳离子，如钾、钙、钠、镁和铁(42)。遍及陶瓷中的玻璃的EDS微量化学分析表明，玻璃组分是非均质的，随铝∶硅的比例以及痕量阳离子含量(43)而变化。
四种新生成的次生微晶在该合成岩材料中是明显的，包括两种不同的辉石类型无水石膏和钛铁矿。通过EDS测定，辉石微晶以两种形态出现，每种形态具有独特的化学组成。一种辉石微晶形态为窄板条状(44)。板条型辉石统一具有最类似于古铜辉石族辉石的化学组成，具有高含量的镁和低含量的钙和铁(44)。该微晶的尺寸范围是1.5μm至3μm宽和5μm至50μm长。更快的加工时间来生产该材料(相对于实施例1)，防止了微晶的复合物团簇生成。其他辉石微晶以等径块状形态存在(45)。等径块状类型辉石单独和简单成簇存在。等径块状辉石微晶形态的钙∶铁比例类似于普通辉石或易变辉石族，具有高含量的钙和低含量的铁。所述块状微晶范围从1μm至5μm。
该合成岩中的硫与钙结合生成无水石膏微晶簇(46)。所述簇中的单个微晶尺寸范围从2μm至7μm。
小的类似尺寸的钛铁矿(氧化铁钛)微晶(尺寸为1μm至5μm)随机分布于玻璃状基质(47)。
该合成岩材料中的连续玻璃相留有很少且广泛间隔分离的、相互很少或没有联系的空隙(48)，导致非常低的吸收值。
第三实施方案 本实施方案为使用快速冷却方案加工变质火山矿开采岩的方法，其导致生成本发明的组合物和相应产品。
实施例3 将来自Idaho-maryland矿的变质火山(安山岩、英安岩、辉绿岩和其他)岩石(开采岩)的岩芯样品复合物空气干燥至湿度小于3％，并研磨至足以100％穿过516微米(30目)筛网的小尺寸。该开采岩粉末组成如表1所示。在部分真空大气中(约170mbar绝对压力)，用在约30psi和160psi之间振荡10分钟的机械压力，在1160℃温度下，通过美国专利第6,547,550号(Guenther)中描述的装置加工开采岩粉末，而无需添加剂，停留时间约60分钟，之后挤出固结的合成岩混杂材料塞(plug)。挤出之后，所述塞以约5℃/分钟至15℃/分钟的速度冷却。通过方法ASTM C373测定，所得到的合成岩混杂材料试样具有约64MPa(9280psi)的平均弹性模量和约0.8％的平均吸水率。得到的其他数据显示于表2。
图6是从混合的Idaho-maryland开采岩原料得到的合成岩材料的扫描电子微探针反向散射电子(BSE)图像。图6描绘了该合成岩材料的独特显微组构典型的三个特征相，共同构成聚集物(或角砾岩)分布。这三相包括部分溶解的残留的最初变质火山原料组分的原生颗粒；从部分熔化的原生矿物颗粒得到的玻璃相；和次生结晶相，其包含包裹于该玻璃相中的类似尺寸的微晶。次生矿物在冷却过程中从熔体结晶，可能在所述玻璃相形成之前。图6显示了多种原生组分的大量残留颗粒，形成相对粗糙的碎屑部分。这些原生岩屑颗粒包括多矿物变质火山岩碎片(51)和单矿物的矿物颗粒(52)。以包含一种矿物的单矿物颗粒或者以包含多种矿物的多矿物岩石碎片存在的特定矿物包括斜长石(53)；辉石(54)；和分解的绿泥石残留物(55)。也存在但未显示于图6中的来自所述原料组分的其他原生矿物包括榍石、石英和赭石。
变质火山岩原料中长石(53)的部分熔化有利于熔体相的形成，所述熔体相在冷却后形成玻璃基质(56)。圆形长石颗粒边缘表明其之前角形颗粒边界的溶解或熔化。具有铝矽酸盐组成的玻璃相(56)含有痕量阳离子，如钾、钙、钠、镁和铁。遍及陶瓷中的玻璃的EDS微量化学分析表明，玻璃组成是非均质的，随铝∶硅的比例以及痕量阳离子含量(57)而变化。
图6描绘了从熔体结晶的主要次生结晶相的生成。辉石微晶簇出现于所述玻璃相(58)内的不同位置。所述簇内的单个辉石微晶具有等径块状形态，且钙∶铁比例类似于普通辉石或易变辉石族。从熔体结晶但未示于图6中的其他次生矿物包括磁赤铁矿(尖晶石族)和钛铁矿(氧化铁钛)。
该合成岩材料的连续玻璃相包裹几乎全部的碎屑颗粒边缘，导致广泛间隔分离的空隙(59)。所述分离的空隙之间几乎没有或没有联系，导致对该合成岩混杂材料所测定的吸收值非常低。
该合成岩材料的独特结构特征是由三种重要组分生成的聚集角砾岩显微组构，所述组分包括1)原生残留碎屑，2)玻璃相，和3)次生微晶相。该组分(或组成成分)的聚集角砾岩结构分布产生了强的聚集显微组构，具有该合成岩材料所特有的更高强度和耐久性。
第四实施方案 该实施方案是使用快速冷却方案加工煤飞灰的方法，其导致生成本发明的组合物和相应产品。
实施例4 煤飞灰材料获自煤发电厂，具体在Valmy train 2，Winnemucca，NV。原料组成示于表1。材料经空气干燥至湿度小于3％，并经筛分以100％穿过516微米(30目)的筛网。煅烧后，经煅烧的煤飞灰材料(无需添加剂)使用活塞在约300psi压力和1115℃温度下于氮化物键合的碳化硅工艺管中机械压缩，停留时间为约10小时。然后，该材料经圆柱状模具挤出，并随后以约10℃/分钟至20℃/分钟的速度冷却，生成合成岩混杂材料。通过方法ASTM C373测定，所得到的合成岩混杂材料试样具有约57MPa(8230psi)的平均弹性模量和约0.7％的平均吸水率。得到的其他数据显示于表2。
图7是从煤飞灰废料原料制成的合成岩材料的扫描电子微探针反向散射电子(BSE)图像。图7描绘了共同构成聚集结构分布的该合成岩材料的独特显微组构典型的三个特征相。这三相包括最初飞灰原料组分的部分溶解的残留原生颗粒碎屑；从部分熔化的原生矿物和飞灰颗粒得到的玻璃相；和次生结晶相，其包含包裹于该玻璃相内的类似尺寸的微晶。次生矿物在冷却过程中从熔体结晶，可能在形成所述玻璃相之前。图7显示了保留在该合成岩中的原生组分的残留颗粒，包括石英(61)和飞灰玻璃小球(62)。
部分熔化的飞灰玻璃小球-主要的原料组分-生成了熔体相，所述熔体相在冷却后形成连续的玻璃基质(63)。具有铝矽酸盐组成的玻璃相(63)含有痕量阳离子，如钾、钙、钠、镁和铁。遍及陶瓷中的玻璃的EDS微量化学分析表明，玻璃组成是非均质的，随铝∶硅比例以及痕量阳离子含量(64)而变化。
图7描绘了最多四种次生结晶相的生成，所述结晶相在冷却过程中从熔体结晶。这些次生结晶相包括硅灰石微晶(65)簇，其中一些在残留原生石英颗粒(61)上成核；随机分布于玻璃相中的板条状斜长石(66)和辉石(67)微晶；和图7中未显示的块状无水石膏微晶(硫酸钙)。无水石膏相是该合成岩材料的主要组分并作为硫的主要受体(receptacle)，硫是煤飞灰废料的主要组分。
单个硅灰石微晶的尺寸范围从1μm至6μm。板条状斜长石和辉石微晶宽度为1μm至5μm，长度为2μm至15μm。更大的块状无水石膏斑晶的尺寸可使用偏振光显微镜分辨，且通常尺寸范围从10μm至70μm。
该合成岩材料的连续玻璃相包裹原生和次生矿物颗粒的全部颗粒边缘，导致少数(如果有)分离的空隙(68)。该合成岩中主要的空隙空间是固有的(inherited)并与原生飞灰小球(69)相关。分离的空隙之间几乎没有或没有联系，导致对该合成岩材料测定的吸收值非常低。
该合成岩材料的独特结构特征是由三种重要组分产生的聚集角砾岩显微组构，所述组分包括1)原生残留碎屑，其在该实施例中包括矿物颗粒和类矿物颗粒如玻璃状飞灰小球，2)玻璃相，和3)次生微晶相。在原生石英颗粒周围结晶的大硅灰石微晶的成簇出现，促成粗聚集部分(65)。组分(或组成成分)的该聚集角砾岩结构分布产生了强的聚集显微组构，具有该合成岩材料所特有的更高强度和耐久性。
第五实施方案 本实施方案是加工废弃矿物材料(如尾矿、灰、矿渣、矿泥等)的方法，该方法导致生成本发明组合物和相应产品。
参考图8，用于生产合成混杂岩的原料100可以是例如尾矿、废岩、采石粉、矿泥、飞灰、底灰、煤灰、焚烧炉灰、木灰、矿渣，或这些材料相互之间的混合物或与纯陶瓷原料的混合物，所述陶瓷原料如粘土、长石、石英、滑石等。硅酸盐废矿特别适合用作原料。原料100输送至筛分装置120，该筛分装置120具有出口121，用于尺寸大于预定筛孔尺寸的过大颗粒122，并且还具有出口123，用于尺寸小于预定筛孔尺寸的过小颗粒124。过大颗粒122可经由磨碎过程(未显示)后再循环至筛分装置120，或者被处理掉。
原料的过小颗粒124被运送至旋转煅烧炉130的漏斗131。例如通过发动机136驱动进料钻137，从而将颗粒状原料输送至加热的旋转桶132。桶132通过各种方式中的任何方式加热，所述方式包括但不限于电阻加热器、煤气炉和由其他过程排出或废弃的热能。传动138转动桶132，所述桶132可具有光滑内表面，或者可具有波状或别样的粗糙表面，例如具有升降杆，以为所述材料提供在其经过所述桶时被反复升降的方式。桶132与水平面成小角度倾斜，以缓慢向排出组件133传动粉末。煅烧炉130任选具有用于添加空气或其他气体的气体进气口135和用于排出燃烧产物或其他气态分解产物的排气口134。煅烧炉130以提高的温度(但低于所述材料开始软化并熔结的温度)操作以使所述材料预热并干燥。可以在所述煅烧炉进行其他有用的化学转化，包括但不限于有机材料的燃烧、水化矿物转化至脱水氧化物、去硫、碳酸盐分解等。这些操作的各自的过程温度是不同的，但一般在100摄氏度至1000摄氏度范围内。
煅烧的颗粒材料139以该范围(优选约800摄氏度至1000摄氏度)内的温度排出，并穿过阀140至漏斗150。可关闭阀140以在漏斗150和煅烧炉130之间提供真空封闭的密封。优选地，阀140是高温旋转阀，该阀可在保持压差的同时使材料连续流过。
漏斗150优选是绝热的，或者提供有热源以保持颗粒材料的温度。可提供真空出口151以连接至真空152。真空除去颗粒材料中携带的和空隙气体，并促进从后续挤出步骤生成无空隙合成混杂岩材料。真空还可减少矿物氧化并增加所得产物中的结晶种类或水平。
漏斗150的法兰孔(flange opening)161连接至位于法兰孔161的进料器160。进料器160可作为往复式活塞，或者作为钻，或者作为两者。钻162通过柄163和传动164旋转，从而将颗粒合成混杂岩材料送入挤出机桶180。整体钻/传动组件可例如借助液压活塞165轴向移动，所述液压活塞165由于泵或液压动力单元167产生的压力在液压缸166中轴向移动。钻162的轴向移动也将颗粒材料送入挤出机桶180。
用于本发明的钻和活塞两方面一起使用的典型操作循环如下。在几乎没有、没有或者可能的来自液压活塞165的反向力下，传动164转动钻162，这将颗粒材料送入挤出机桶180。当挤出机桶180中可获得的空间被填满新送来的颗粒材料时，停止传动164，并且钻162停止转动。然后通过动力单元167为液压活塞165供能，以在钻162上提供轴向力，进而推动挤出机桶180中的材料。通过该方式使材料沿挤出机桶180轴向移动预定距离。一旦达到所述预定距离，则减小液压活塞施加的力，并可以重复循环。
挤出机桶180可由具有如下性质的材料制成极好的抗高温性，良好的热传导性，可接受的强度，和极好的抗挤出机中待加工材料润湿的性质或抗与所述材料反应的性质。优选地，挤出机桶180由碳化硅(SiC)制成。最优选地，挤出机桶180由氮化物键合的碳化硅(SiN-SiC)制成，例如获自St.Gobain Industrial Ceramics的AdvancerTM材料。
挤出机桶180夹在进料器160和支架190之间，并在熔炉170内被支持。熔炉170例如通过电阻加热器或者通过气体燃烧来提供热，并为方便维护而优选劈裂管设计，并且优选具有多个沿其长度的温度控制带。熔炉170提供热能以使挤出机桶180的温度提高至足以熔合、熔结、部分熔化或实现需要的内部材料的玻璃化。在挤出机桶180内，通过进料器160进料的颗粒材料被轴向送至减径管模具181并被加热，从而使颗粒材料固结并玻璃化为至少部分熔化的合成混杂岩材料。
连接至挤出机桶180末端的减径管模具181提供了对所述至少部分熔化的合成混杂岩材料流的阻力，并从而增加了由液压活塞165施加的运送材料所必需的压力，提供了用于固结材料的机制。连接至减径管模具181末端的任选成型面模具(land die)182可进一步提高对流动的阻力。当没有成型面模具182时，可使用间隔器，例如类似于挤出机桶180的附加的短桶。在挤出机的排出端，即成型面模具或间隔器退出熔炉170的地方，安置了由坚固绝热材料(优选氧化锆)制成的绝热体环183。绝热体环183使从熔炉至支架190的热传导最小化，并安置于支架190内的凹孔(repressed opening)中。
支架190是坚硬的板，其允许挤出的合成混杂岩产品130穿过中央孔，同时提供对绝热环183、成型面模具182、减径管模具181和挤出机桶180的压缩力。支架190受多个硬弹簧191的支持，每个弹簧反作用于安装在固定坚硬支持物上的测压仪192。
挤出的合成混杂岩产品130排出成型面模具182，前进通过绝热环183和支架190，并被加热的室200和220内多个滚筒201支持和传送。维持加热的室200和220内的温度，以便挤出的合成混杂岩材料230仍为可变形的，足以被连接至传动器212的切割器210所切割。在切割后，挤出的合成混杂岩材料230可从加热的室220移出，并可通过各种方式冷却以生成有用的产品。或者，挤出的合成混杂岩材料230可被送至后续操作，如压缩、成形、轴轧、塑型或高温釉化，从而有效地利用材料中的热。
权利要求
1.一种以组合方式包含熔合混合物的组合物，所述混合物具有
碎屑相；
玻璃相；和
至少一个结晶相，
其中所述至少一个结晶相包含分散于所述玻璃相中的新生成的微晶。
2.权利要求1的组合物，其中所述至少一个结晶相包含化学组成与下述矿物族成员一致的微晶辉石矿物族、斜长石矿物族、硅灰石矿物族或硫酸盐矿物族。
3.权利要求1的组合物，其中所述至少一个结晶相包含镁、钙和铁浓度符合辉石矿物族成员特征性化学组成的微晶。
4.权利要求1的组合物，其中所述至少一个结晶相包含化学组成与具有(Mg，Fe2+)2[Si2O6]化学组成的辉石矿物族成员一致的微晶。
5.权利要求1的组合物，其中所述至少一个结晶相包含化学组成与具有(Ca，Na，Mg，Fe2+，Mn，Fe3+，Al，Ti)2[(Si，Al)2O6]化学组成的辉石矿物族成员一致的微晶。
6.权利要求1的组合物，其中所述至少一个结晶相包含化学组成与具有(Mg，Fe2+Ca)(Mg，Fe2+)[Si2O6]化学组成的辉石矿物族成员一致的微晶。
7.权利要求1的组合物，其中所述至少一个结晶相包含化学组成与具有Ca(Mg，Fe)[Si2O6]化学组成的辉石矿物族成员一致的微晶。
8.权利要求1的组合物，其中所述至少一个结晶相包含无水CaSO4。
9.权利要求1的组合物，其中所述至少一个结晶相包含具有与辉石矿物族成员一致的板条状形态特征的微晶。
10.权利要求1的组合物，其中所述至少一个结晶相包含具有与辉石矿物族成员一致的等径块状形态特征的微晶。
11.权利要求1的组合物，其中所述至少一个结晶相包含单个或成簇存在的微晶。
12.权利要求1的组合物，其中所述玻璃相是非均质的，并包含铝、硅和更低浓度的阳离子。
13.权利要求1的组合物，其中所述碎屑相是部分溶解的，并包含来自最初原料组分的残留原生碎屑；并且其中所述至少一个结晶相包含从熔体新生成的次生微晶。
14.权利要求1的组合物，其中所述至少一个结晶相包含化学组成与具有(Mg，Fe2+)2[Si2O6]和(Ca，Na，Mg，Fe2+，Mn，Fe3+，Al，Ti)2[(Si，Al)2O6]化学组成的辉石矿物族成员一致的微晶。
15.权利要求14的组合物，其中所述碎屑相是部分溶解的，并包含来自最初原料组分的残留原生颗粒；并且其中所述至少一个结晶相包含从熔体新生成的次生微晶。
16.一种以组合方式包含熔合混合物的组合物，所述混合物具有
碎屑相；
包含铝、硅和更少量阳离子的非均质玻璃相；和
多个新生成的结晶相，
其中所述多个新生成的结晶相分布于所述玻璃相中，并包含化学组成与具有(Mg，Fe2+)2[Si2O6]、(Ca，Na，Mg，Fe2+，Mn，Fe3+，Al，Ti)2[(Si，Al)2O6]、(CaSO4)和(FeTiO3)化学组成的辉石矿物族成员一致的微晶。
17.权利要求16的组合物，其中所述碎屑相是部分溶解的，并包含来自最初原料组分的残留原生碎屑；并且
其中所述多个新生成的结晶相包含从熔体新生成的次生微晶。
18.一种以组合方式包含熔合混合物的组合物，所述混合物具有
碎屑相；
包含铝、硅和更少量阳离子的非均质玻璃相；和
多个新生成的结晶相，
其中所述多个新生成的结晶相分布于所述玻璃相中，并包含组分浓度与具有(Mg，Fe2+)2[Si2O6]、(Mg，Fe2+Ca)(Mg，Fe2+)[Si2O6]、(CaSO4)和(FeTiO3)化学组成的辉石矿物族成员一致的微晶。
19.权利要求18的组合物，其中所述碎屑相是部分溶解的，并包含来自最初原料组分的残留原生碎屑；
其中所述多个新生成的结晶相包含从熔体新生成的次生微晶。
20.一种以组合方式包含熔合混合物的组合物，所述混合物具有
残留碎屑；
玻璃相；和
多个新生成的结晶相，
其中所述多个新生成的结晶相包含分布于所述玻璃相中的微晶。
21.权利要求20的组合物，其中所述残留碎屑是单矿物的和多矿物的。
22.权利要求20的组合物，其中所述残留碎屑包含矿物斜长石、辉石和分解的绿泥石。
23.权利要求20的组合物，其中所述玻璃相是非均质的，并包含铝、硅和更少量的阳离子。
24.权利要求23的组合物，其中所述阳离子以组合方式包含钾、钙、钠、镁和铁。
25.权利要求20的组合物，其中所述多个新生成的结晶相包含化学组成与具有(Ca，Na，Mg，Fe2+，Mn，Fe3+，Al，Ti)2 [(Si，Al)2O6]和(Mg，Fe2+Ca)(Mg，Fe2+)[Si2O6]化学组成的辉石矿物族成员一致的微晶。
26.权利要求20的组合物，其中所述多个新生成的结晶相包含具有等径块状形态特征的微晶，该微晶的化学组成与具有(Ca，Na，Mg，Fe2+，Mn，Fe3+，Al，Ti)2[(Si，Al)2O6]和(Mg，Fe2+Ca)(Mg，Fe2+)[Si2O6]化学组成的辉石矿物族成员一致。
27.一种以组合方式包含熔合混合物的组合物，所述混合物具有
石英和残留灰矿物和类矿物颗粒；
玻璃相；和
多个新生成的结晶相，
其中所述多个新生成的结晶相包含分布于所述玻璃相中的微晶。
28.权利要求27的组合物，其中所述玻璃相是非均质的，并且以组合方式包含铝、硅和更少量的阳离子。
29.权利要求27的组合物，其中所述多个新生成的结晶相包含化学组成与(Ca[SiO3])化学组成一致的微晶。
30.权利要求27的组合物，其中所述多个新生成的结晶相包含板条状的斜长石微晶。
31.权利要求27的组合物，其中所述多个新生成的结晶相包含辉石微晶。
32.权利要求27的组合物，其中所述多个新生成的结晶相包含具有(CaSO4)化学组成的微晶。
33.一种以组合方式包含熔合混合物的组合物，所述混合物具有
石英和灰残留矿物和类矿物颗粒；
玻璃相；和
多个新生成的结晶相，
其中所述多个新生成的结晶相包含具有(Ca[SiO3])化学组成的微晶、板条状斜长石微晶、辉石微晶和具有(CaSO4)化学组成的微晶。
34.一种通过如下方法制成的混杂岩
回收选自尾矿、飞灰、底灰、矿渣、采石粉或矿泥的废料；并
使所述废料经受压力；并
使所述废料经受热；
从而所述废料转化成特征为吸水率小于7％的混杂岩。
35.权利要求34的混杂岩，其中所述混杂岩特征为吸水率小于4％。
36.权利要求34的混杂岩，其中所述混杂岩特征为吸水率小于1％。
37.权利要求34的混杂岩，其中所述混杂岩特征为吸水率小于0.5％。
38.权利要求34的方法，其中所述废料被运送至筛分装置，以将过小和过大的尾矿颗粒由待加工的尾矿分离。
39.权利要求38的方法，其中所述废料在筛分后被运送至加热的旋转室。
40.权利要求39的方法，其中所述废料在所述加热的旋转室内经历化学转化。
41.权利要求40的方法，其中所述废料的所述化学转化包括干燥、预热、燃烧、脱水、去硫、分解等。
42.权利要求40的方法，其中所述废料排出所述加热的旋转室，并穿过阀后进入第二个加热的室。
43.权利要求42的方法，其中所述阀是旋转阀并能够连续通过所述废料，同时保持压力梯度。
44.权利要求42的方法，其中在所述第二个加热的室内对所述废料施加真空。
45.权利要求42的方法，其中所述废料排出所述第二个加热的室，并向前运送入位于加热元件内的第三个加热的室。
46.权利要求45的方法，其中在所述第三个加热的室内对所述废料施加压力，持续预定的时间量。
47.权利要求46的方法，其中所述混杂岩穿过模具设备并从所述第三个加热的室移出，用于随后用途，或者运送至最后的加热的室，用于进一步改变。
48.一种将选自尾矿、飞灰、底灰、矿渣、采石粉或矿泥的废料转化成特征为吸水率小于7％的混杂岩的方法，其步骤包括
对所述尾矿施加压力；
加热所述尾矿；并
形成有用且可变形的产品。
49.权利要求48的方法，其中所述废料在加热的室内以优化的温度和优化的压力加热并加压，持续优化的时段。
50.权利要求49的方法，其中所述废料在所述加热的室内以约1130℃的温度加热并加压，持续约60小时的时段。
51.权利要求49的方法，其中在加热过程中，所述废料以约350psi的压力被加压。
52.权利要求49的方法，其中所述废料以大约1度/分钟至3度/分钟的速度冷却。
53.权利要求49的方法，其中所述废料在所述加热的室内以约1140℃的温度加热并加压，持续约6小时的时段。
54.权利要求53的方法，其中在加热过程中，所述废料以约300psi的压力被加压。
55.权利要求53的方法，其中所述废料以大约10度/分钟至20度/分钟的速度冷却。
56.权利要求49的方法，其中所述废料在所述加热的室内以约1160℃的温度加热并加压，持续约60分钟的时段。
57.权利要求56的方法，其中在加热过程中，所述废料在约30psi和160psi之间振荡的压力下被加压。
58.权利要求56的方法，其中所述废料以大约5℃/分钟至15℃/分钟的速度冷却。
59.权利要求57的方法，其中所述废料在部分真空环境中经受所述振荡的压力。
60.权利要求49的方法，其中所述废料在所述加热的室内以约1115℃的温度加热并加压，持续约10小时。
61.权利要求60的方法，其中在加热过程中，所述废料以约300psi的压力被加压。
62.权利要求60的方法，其中所述废料以大约10℃/分钟至20℃/分钟的速度冷却。
63.权利要求49的方法，其中所述混杂岩经由模具被挤出，以固结所述混杂岩，从而形成有用的产品。
64.一种混杂岩，其特征在于其尾矿原生组分，所述组分被改变，以借助其中分布有微晶的玻璃基质而表现出更低的吸水率。
65.一种混杂岩，其特征在于其尾矿或硅酸盐废料的原生组分，所述硅酸盐废料选自矿开采岩、飞灰、底灰、矿渣、采石粉或矿泥；
所述混杂岩如下生成回收所述尾矿或所述硅酸盐废料，并对所述尾矿或硅酸盐废料施加压力，并加热所述尾矿或硅酸盐废料，以表现出低吸水率。
66.一种混杂岩，其特征在于部分溶解的颗粒相，该混杂岩以组合方式包含
残留尾矿；
玻璃相；和
分布于所述玻璃相中的结晶相，
从而所述混杂岩表现出低吸水率。
67.一种混杂岩，其特征在于其尾矿或硅酸盐废料组分，所述硅酸盐废料选自矿开采岩、飞灰、底灰、矿渣、采石粉或矿泥；
玻璃相；和
至少一个分布于所述玻璃相中的结晶相，
所述混杂岩如下生成回收所述尾矿或所述硅酸盐废料，并对所述尾矿或硅酸盐废料施加压力，并加热所述尾矿或硅酸盐废料，以表现出低吸水率。
68.一种用于生成混杂岩的装置，该装置以组合方式包含
预热硅酸盐废料的部件，所述硅酸盐废料选自尾矿、矿开采岩、飞灰、底灰、矿渣、采石粉或矿泥；将硅酸盐废料加入加热的室的部件；加热所述加热的室的部件；和从所述加热的室的出口运送塑性混杂岩的部件。
69.权利要求68的装置，其中所述用于预热硅酸盐废料的部件包含加热的旋转室，该旋转室保持在最佳温度以预热并干燥硅酸盐废料，且不熔化所述硅酸盐废料。
70.权利要求69的装置，其中所述加热的旋转室以优化的角度安置，以利于将所述硅酸盐废料向排出组件驱动。
71.权利要求69的装置，其中所述加热的旋转室任选安装有气体入口和出口，分别用于进入和排出空气、气体等。
72.权利要求69的装置，其中所述加热的旋转室的所述最佳温度为大约800℃至1000℃。
73.权利要求68的装置，其中所述用于将硅酸盐废料加入所述加热的室的部件包含由轴向力或旋转力驱动的双重能力施压组件。
74.权利要求73的装置，其中所述施压组件由液力提供动力。
75.权利要求68的装置，其中所述用于加热所述加热的室的部件包括在大体围绕所述加热的室的加热元件中安装所述加热的室。
76.权利要求75的装置，其中所述加热元件包括劈裂管设计并整体上由多个温度带构成。
77.权利要求75的装置，其中所述加热元件通过电阻加热器、气体燃烧等提供热。
78.权利要求68的装置，其中所述从所述加热的室的出口运送塑性混杂岩的部件包括固结所述塑性混杂岩材料的抗压设备；和带孔的模具设备，所述孔允许所述塑性混杂岩材料穿过。
全文摘要
本发明涉及合成的混杂岩组合物、产品以及使用矿石废料起始原料生产有价值产品和制品的相关方法，所述起始原料如尾矿、矿开采岩、矿灰、矿渣、矿粉、矿泥，所述有价值产品和制品的特征在于优良的物理和结构特征，包括低孔隙率、低吸收、提高的强度和耐久性和保留的可塑性。扫描电子微探针分析证明，所得到的材料在组成和化学上不同于常规合成岩材料，并具有多种应用，特别是有关商业和住宅建筑的应用。
文档编号C03C14/00GK101228096SQ200680026944
公开日2008年7月23日 申请日期2006年8月9日 优先权日2005年8月25日
发明者R·京特, J·L·伍德, C·E·弗拉默, I·I·常, R·D·维尔沃克 申请人:塞拉美克斯特有限责任公司