全球菱鎂礦資源豐富,煅燒或電熔菱鎂礦得到優異的鎂砂原料是一種產量大、成本較低、應用最廣泛的耐火原料。全球的鎂砂生產應用中,輕燒鎂砂的需求量遠遠低於重燒鎂砂。鎂砂在建材、汽車、航空航天、農牧業等領域都有應用,在鋼鐵冶金行業更是不可或缺的優質耐火原料。目前來看,全球對鎂砂的需求量日益增加,生產高品位、高性能的鎂砂對今後的發展至關重要,同時對低品位的礦石和鎂砂的改進及利用是重中之重,節約能源走可持續發展道路。
鎂砂根據生產方式的不同,其主要的分類有以下幾種:
1.電熔鎂砂:
將菱鎂石置於電爐內,在2750℃的環境下煉化而得的氧化鎂被稱為電熔鎂砂。一般擁有極強的耐高溫性,不易被鹼性物質所熔,在高溫下不易被融化金屬所侵蝕,常溫下熱傳導性優良。其作為原料製作而成的高耐火材料碳鎂磚(石墨和電熔鎂砂構成),被普遍應用於轉爐煉鋼和爐外精煉,熔煉周期更短、爐齡得以更長、鋼的品質得到了提升。相比於以氧化鋁為原料燒制的陶瓷,以其為原料製作的陶瓷在高溫性能方面表現更為優異。總體上,相比於燒結鎂砂,電熔鎂砂具有晶粒更大、密度更高的優勢,可以作為製作鎂制耐材的優質原材料。
圖1為電熔鎂砂的顯微結構圖,其主晶相為方鎂石,晶粒尺寸很大,最大的可以達到毫米級別。晶間的矽酸鹽相呈薄膜狀分布,薄膜厚度在1~10μm範圍內,其組成多為CMS或C3MS2。晶界較細且較為平直。由於其晶間和晶內氣孔很少、體積密度高、晶體尺寸大,具有很好的高溫性能。
2.重燒鎂砂:
也常稱為低檔鎂砂,其生產製作是將塊狀的菱鎂礦石,置於20~50m3左右的豎窯中,焦炭作為其燃料,用一步煅燒和人工出料的方式制出MgO含量為92%左右,體積密度在3.10g/cm3左右的鎂砂產品。用這種方式生產出的鎂砂價格低廉,在普通鎂質燒成磚及不定形耐火材料的生產中作為主要原材料。
圖2為重燒鎂砂的顯微結構圖,主晶相均為方鎂石,晶體尺寸較小,晶界較細且較為平直,晶間常伴隨有矽酸鹽相,成分多波動在C3S-C2S-C3MS2-M2S之間。方鎂石晶粒之間多為矽酸鹽結合,且矽酸鹽相較多,晶間又有開口氣孔,導致其高溫性能比較差。
3.中檔鎂砂:
中檔鎂砂是選取高品質的菱鎂礦石經過輕燒、細磨、壓球、煅燒等方法,從而提升了其緻密和純度的鎂砂,其MgO含量≥95%、體積密度≥3.15g/cm3。體積密度一般在3.20~3.25g/cm3之間,被區分為94和95兩個牌號。中檔鎂砂如今是鎂砂品類當中的重要組成部分,其作為原材料被廣泛應用於中檔鎂磚等燒成磚以及一些鎂質不定形耐火材料中。
圖3為中檔鎂砂的顯微結構圖,主晶相方鎂石,晶體多為渾圓狀和不規粒狀體,晶體尺寸較大,晶粒之間伴隨著矽酸鹽相,且以矽酸鹽相的膠結結合方式為主,還要很多氣孔,成分在C3S-C2S-C3MS2-M2S之間,性能較好。
4.高純鎂砂:
為了解決大結晶菱鎂礦石不易燒結這一問題,我國普遍採用「二步煅燒」這一項工藝,制出的高純鎂砂MgO≥97%,體積密度≥3.25g/cm3。所以,我國現階段普遍使用將優質菱鎂礦石用以煤氣為燃料的反射爐輕燒,然後用雷蒙機細磨輕燒鎂粉,再使用高壓壓球機以幹法壓球的方式,最終以1500℃~2000℃的溫度放置在高溫豎窯內煅燒,從而製得高純鎂砂的這一方法,其製得的高純鎂砂MgO含量為97%,體積密度介於3.25~3.30g/cm3之間。目前高純鎂砂被分為97和98兩個牌號,國內這一產品的產量並不穩定,在遼寧省內能產出MgO≥97.5%,C/S≥2,體積密度≥3.30g/cm3的高純鎂砂的廠商為數不多。
圖4是高純鎂砂典型的顯微結構。主晶相方鎂石晶粒以多邊形形式存在,方鎂石晶粒邊界趨筆直,矽酸鹽相包括氣孔處於方鎂石晶粒交界處呈孤立狀,主晶相晶粒呈直接結合。方鎂石相粒徑大小,形狀與分布,矽酸鹽相礦物的組成及分布特徵等對材料的高溫結構強度,耐侵蝕性和抗熱震性等都有重要影響。