镁质耐火原料--合成镁白云石砂

    定义：合成镁白云石砂是在充分分析白云石化学组成CaO-MgO-Fe2O3-Al2O3-SiO2五元系高温下的相关系与熔融关系基础上，针对各矿物相的特点和制造与使用中的作用，通过优化原料，人工控制其组成与结构而开发的一种白云石砂。

1合成镁白云石砂的相分析：   

1)CaO-MgO二元系

白云石为CaO，MgO复合物，纯净的白云石可用CaO-MgO二元系描述。CaO与MgO均为高熔点氧化物，其中MgO特征前面已有叙述，这里只简要介绍一下CaO，CaO与MgO结晶构造相同。同属立方晶系，NaCl型结构，Fm3m空间群。但由于Ca2+离子半径大(Ca2+=0.100nm)在充填氧离子密堆体八面体空隙时，将空隙撑松，晶格常数比MgO大，a=0.48nm，结构较松弛，不稳定，常温下极易与水反应：CaO+H2O→Ca(OH)2，密度由CaO的3.346g/cm3降至Ca(OH)2的2.343g/cm3，体积膨胀(97.92%)，组织松散，结构破坏，这是含游离CaO材料在制造和使用中的一个困难。CaO熔点a刀割鸡2570℃，高温下极为稳定，特别对SiO2，反应生成高熔点的C2S和C3S，高温强度高，即使进入液相，粘度也很大，抗酸性熔渣，抗热冲击能力都强于MgO。但抵抗含铁熔渣的侵蚀能力不如MgO。CaO吸收铁氧将生成低熔点的C2F(熔点1436℃)和C4AF(熔点1415℃)。CaO由于有吸收金属液中P、S和Al2O3、SiO2等夹杂物的作用，含方钙石耐火材料的开发与利用倍受重视。纯CaO坩锅也是熔炼铀的材料。

纯净白云石任何ω(MgO)/ω(CaO)比材料均有很高的熔融温度。但制成品中CaO对SiO2的稳定性和吸收金属液中非金属夹杂物的功能较MgO优越，而MgO对Fe2O3(FeO)的稳定性比CaO好。因此，根据冶金炉渣中SiO2，Fe2O3(FeO)的变化规律及不同的使用要求，应合理选择合成砂ω(MgO)/ω(CaO)比。

2)CaO-MgO-SiO系

CaO-MgO-SiO2三元系统相图中，在白云石(MgO-CaO)材料中引入SiO2，会使熔点急剧下降，但只要SiO2的数量不超过MgO-C3S连线，在含有游离CaO的组成范围内，仍具有较高的耐高温性能。

CaO-MgO-Al2O3系(图1)表明，在白云石材料中加入Al2O3，熔融温度将从2400℃缓慢降至1700℃。但如果ω(MgO)/ω(CaO)比向富MgO侧移动，如对于ω(MgO)/ω(CaO)=80/20的组成物，熔融温度将由约2700℃降至1950℃。

3)合成镁白云石砂的可能相组成

从提高合成镁白云石砂的耐高温性能角度出发，合成砂组成中的MgO/CaO比应选择在MgO-CaO系的富MgO侧，一般按 控制。基于合成原料的组成，合成镁白云石砂的化学成分仍属MgO-CaO-Fe2O3-Al2O3-SiO2五元系统，但CaO/SiO2比>2(质量1.87)或3(质量2.80)并受Al2O3/SiO2比控制，其相组成的变化规律见。表1-1。

1）制造工艺要点

依据相组成特征分析，首先确立合成镁白云石砂ω(MgO)/ω(CaO)比和杂质总量。针对我国原料资源的情况，一般按ω(MgO)/ω(CaO)=75±2/20±2，杂质Fe2O3、Al2O3、SiO2总量<2.5%(或3.5%)级别，选取原料，采用二步煅烧工艺制造合成砂，其型的工艺流程见图2。

图2 合成镁白云石砂的工艺流程

在上述工艺流程中，菱镁石原料是否精选或精选方法(浮选，热选等)，应视原料的纯度和对合成砂的化学成分要求而定。菱镁石，石灰石或白云石的轻烧温度，应视原料产地不同而异，依据各地实践，有如下经验表达式：

菱镁石轻烧温度=原料分解温度+(250±20)℃

石灰石轻烧温度=原料分解温度+(100±20)℃

高压压球(坯)和高温煅烧也很关键。压球(坯)密度一般在1.85~2.10g/cm3之间，最高可达2.35g/cm3。煅烧可以在回转窑，竖窑和隧道窑内进行，目前国内主要采用后两种窑炉煅烧，煅烧温度被动在1650~1700℃，制得合成砂的颗粒体积密度在3.28~3.35g/cm3。如果采用回转窑煅烧，还可以进一步提高合成砂的煅烧温度，如果能将煅烧温度提高至1800℃以上，可能制得抗水化型的优质合成镁白云石砂。

合成镁白云石砂也可以采用一步煅烧工艺，即将高纯镁精矿，与消石灰或白云石进行超细磨，-320目含量在90%以上，成型压力达137×106Pa以上，煅烧温度为1650-1700℃，制得颗粒体密>3.3g/cm3的高纯合成镁白云石砂。

2)合成镁白云石砂的性能

合成镁白云石砂原料经优化，组成更合理，成分更均匀，制造工艺更科学合理，因此，它的许多性质较传统的烧结白云石砂更优越。首先，合成砂化学纯度高w(MgO)/w(CaO)比合理(通常控制在75/25)，矿物组成更加理想。主晶相方镁石(MgO)、方钙石(CaO)合量都在90%以上，纯度高者在95%甚至97%以上。而基质相以高熔点的硅酸三钙(C3S 2070℃分解)为主，低熔点的C4AF和C2F一般含量均较少。其次，显微结构好。由于合成砂原料经轻烧充分混合细磨和煅烧温度高，使得方镁石，方钙石结晶发育良好，方镁石晶粒间直接结合程度高，连成网络，方钙石分布在方镁石基底之中，均匀充填在方镁石晶间空隙内，为其所包围。基质相C3S粒状或不规则状晶体多是集聚出现。少量C4AF和C2F分布在上述晶体之间。呈不规则孤立状。

合成镁白云石砂中方镁石,方钙石晶粒随煅烧温度的提高而增加,但方钙石的增长速率不如方镁石。方镁石与方钙石分布均匀，后者为前者包围，CaO在高温下固溶于MgO之中，而冷却过程中沉析出来。

合成镁白云石砂矿物组成和显微组织结构的特点,决定了它在性能上的特点:耐高温，高温强度高，抗转炉渣侵蚀能力强，抗水化性能好。主晶相MgO(熔点2800℃) ，CaO(熔点2570℃)和主要基质相C3S(2070℃分解为CaO和液相)均为高熔点矿物，决定了材料具有较高的耐高温性能，较高的煅烧温度使方镁石晶粒发育成多角形，直接结合程度增强，其高温抗折强度相应提高。