浅析镁砂组成结构与性能的关系

浅析镁砂组成、结构与性能的关系原料是制造（生产）耐火制品的基础，只有性能稳定的原料，辅以稳定的生产工艺过程，才能制得性能稳定的制品。镁质耐火原料，可通过其化学矿物组成，显微结构和一些工艺性质对其质量做出评价。原料的性质和质量，不仅影响制品的性质和使用效果，也决定着生产工艺技术参数的选择，因此，无论从生产和使用角度，都应对耐火原料有较为深入的了解和研究。我国镁砂的基本概况镁砂因其具有良好的抗碱性渣侵蚀的能力，被广泛应用于生产镁碳砖，铝镁碳砖、镁铝尖晶石砖等碱性镁质制品中。通过对烧结镁砂体积密度、显气孔率和显微结构的研究及分析，可以系统地了解烧结镁砂的微观结构与宏观性能之间的联系。我国每年生产菱镁矿1800万吨、镁砂1000万吨，占世界镁砂产量的80%左右。由菱镁矿生产镁砂的方法主要有烧结法和电熔法。菱镁矿煅烧后发生分解反应为MgCO3→MgO+CO2。350℃开始反应，在550℃~650℃环境下反应激烈，到1000℃分解完全。此时的MgO质地疏松，化学活性很大，称为轻烧MgO（活性MgO）。由于其煅烧后由块状变为粉状，又称为轻烧MgO粉。温度继续升高，MgO晶体长大，晶格缺陷得到校正，化学活性变小，体积收缩，结构致密，此时约1500℃~1600℃，称为烧结MgO或“死烧”MgO。工业上称为镁砂。判断镁砂的烧结情况可以用密度、重烧收缩、水化性能和灼减来衡量。沸腾炉、悬浮炉生产的镁砂一般活性较高，隧道窑、反射窑生产的一般活性较低，回转窑生产的活性介于前二者之间。目前镁砂的分类如下：烧结镁砂分为普通镁砂、中档镁砂、高纯镁砂，电熔镁砂分为普通电熔镁砂、大结晶电熔镁砂。此外，还有海水镁砂和卤水镁砂。镁砂的性能。方镁石膨胀系数较大（14×10-6～15×10-6℃-1），化学性质稳定，在1540℃以下与各种耐火材料（除硅砖）不起反应或反应微弱，对含有CaO和FeO的碱性炉渣有极好的抵抗能力。方镁石在高于2300℃时易挥发（熔点2800℃）；高温下易被碳还原成金属镁；在空气中，特别是在潮湿空气中，方镁石易水化而生成Mg(OH)2。镁砂的结晶尺寸。镁砂的结晶尺寸一般，各品种结晶尺寸如下：轻烧镁粉小于3μm，烧结镁砂40μm~200μm，电熔镁砂200μm~1500μm（或大于5000μm）。镁砂的颜色。镁砂尤其是纯净方镁石无色，随着铁含量的增加，颜色由无色变为黄色至褐色。镁砂中方镁石晶粒间结合方式分为：硅酸盐结合（胶结结合）与直接结合。镁砂的化学组成。主要成分为MgO，次要成分包括CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3；矿物组成：主要矿物为方镁石M（2800℃），次要矿物与次要成分CaO和SiO2的相对含量有关，即与CaO/SiO2比例有关系。烧结镁砂的性能在烧结镁砂中，普通镁砂和中档镁砂都属于胶结结构。根据显微结构图片，中档镁砂颗粒为浑圆状，晶间胶结物较多，其体积密度平均为3.06g/cm3，气孔率12.21%，晶粒大小为95.43μm，晶界宽度10.19μm，气孔大小24.74μm。高纯镁砂属于直接结合结构，其晶间胶结物较少，其体积密度平均为3.17g/cm3，气孔率2.23%~3.18%；晶粒尺寸范围为46.13μm~74.96μm，平均为70μm；晶界宽度范围为4.60μm~5.94μm，平均为5.2μm；气孔范围为10.07μm~20.94μm，平均为15μm。高纯镁砂晶界中的硅酸盐相少，主要为高熔点相C2S，中档镁砂晶界中的硅酸盐相较多，主要为低熔点相CMS。电熔镁砂的性能电熔镁砂是由天然菱镁矿、轻烧镁粉或烧结镁砂在电弧炉中经2750℃以上的高温熔融而成，其强度、抗侵蚀性及化学惰性均优于烧结镁砂。电熔镁砂具有晶体发育良好、晶粒粗大、均质性好、方镁石直接接触程度较高等优点，但是很脆。其显微结构特点是晶界窄、气孔低。研究人员选取大石桥、海城几个大型主要生产电熔镁砂的厂家不同部位的电熔镁砂进行分析，调查了几个典型厂家电熔镁砂的体积密度、显气孔率和几个典型厂家电熔镁砂的成分含量。根据上述结果，研究人员选取熔炼镁砂坨不同部位的试样，进行显微结构分析，编号依次为距坨中心0mm~200mm处的试样a、距坨中心200mm~500mm处的试样b、距坨中心500mm~600mm处的试样c、距坨中心为600mm~800mm处的试样d。由电熔镁砂的晶粒特征可见，距坨中心0mm~200mm处的试样a晶粒大小不等，相对比较小，形状不规则，存在浑圆状晶粒；距坨中心200mm~500mm处的试样b，晶粒大小不均匀，但是晶粒形状多为六边形，3个晶粒的交界处多为120°角，边界多为直边；距坨中心500mm~600mm处的试样c，晶粒细小，比较均匀；距坨中心为600mm~800mm处的试样d，也就是皮砂层，晶粒均匀且非常小，皮砂层与里面纯度相对较高的一层分界线清晰可见。由电熔镁砂的晶界特征可见，距坨中心0mm~200mm处的试样a晶粒之间的晶界清晰可见，晶界宽度均匀，相对较宽，晶界线稍显圆滑；距坨中心200mm~500mm处的试样b，晶界宽度均匀，晶界细小且平直，晶粒之间的连接紧凑；距坨中心500mm~600mm处的试样c，晶界的分布不均匀，晶界的宽度也不一样，晶界的形状不规则，大多数地方弯曲化，平直的地方少；距坨中心为600mm~800mm处的试样d，也就是皮砂层，晶界的分布杂乱无章，晶界宽度不尽相同，但是相对较宽。由电熔镁砂的气孔特征可见，距坨中心0mm~200mm处的试样a气孔较少，位于晶界中，狭长封闭；距坨中心200mm~500mm处的试样b，气孔稀少，都为封闭气孔，既分布于晶界中，也存在于晶粒里面，但多数存在于晶界中；距坨中心500mm~600mm处的试样c，晶粒狭长，气孔较大，都为封闭气孔，既存在于晶界中，又存在于晶粒内部，晶粒内部的气孔数量相对较多；距坨中心为600mm~800mm处的试样d，也就是皮砂层，气孔多，多数为连通的大气孔，均匀的分布在整个试样中。总的来说，气孔的分布规律是：主要分布于晶界中，也存在于晶粒里，并且大多数的气孔都是封闭的，连通的大气孔主要存在于电熔镁砂坨的最外面一层，也就是距离坨中心600mm~800mm的皮砂层中。一般电熔镁砂晶粒大小为200μm~400μm，大结晶700μm~1500μm甚至5000μm以上，内部大颗粒区，中部大结晶区，外部烧结区。原料不同，稍有差异，本结果为镁石熔炼的电熔镁砂。结论经过上述研究分析可知，普通镁砂和中档镁砂中硅酸盐相较多，属于胶结结构；高档镁砂中硅酸盐相较少，属直接结合结构。从电熔镁砂坨中心到最外层，氧化镁的含量逐渐升高再降低，峰值出现在距离驼中心200mm～500mm处。从电熔镁砂坨中心到最外层，方镁石晶粒逐渐增大再变小，晶界宽度逐渐变小再变大，在距离驼中心200mm～500mm处，晶粒最大而且均匀，晶界最小。从电熔镁砂坨中心到最外层，镁砂的显气孔率逐渐变小再增大，体积密度逐渐增大再变小，在距离驼中心200mm～500mm处，气孔率最小，体积密度最大。气孔大多分布在晶界中，也存在于晶粒里。从电熔镁砂坨中心到最外层，镁砂中的硅酸盐杂质逐渐减少再增多，多数分布于晶界上，也有少量分布于晶粒里，但是成分稍有差异。这些研究成果将有助于广大耐火材料行业从业者进一步了解镁砂，并优化其使用，以得到更好的经济效益。