白云石制鎂鈣砂消化工藝及成型壓力研究*

張汪年，鄧　寧，梁偉杰，王新海（九江學院機械與材料工程學院，江西九江332005）

白云石制鎂鈣砂消化工藝及成型壓力研究*

張汪年，鄧寧，梁偉杰，王新海
（九江學院機械與材料工程學院，江西九江332005）

以天然白云石為原料，采用二步煅燒法制備鎂鈣砂。將白云石破碎，在850℃煅燒，消化、烘干、壓制成塊體，再于1 650℃煅燒，制得鎂鈣砂。研究了消化工藝條件和成型壓力對鎂鈣砂的燒結性能和抗水化性能的影響。優化工藝條件：消化水用量（物料與水的質量比）為3∶1，消化時間為1 h，成型壓力為200 MPa。成型壓力對鎂鈣砂的燒結性能和抗水化性能的影響不大。

鎂鈣砂；白云石；消化工藝；成型壓力

鎂鈣系材料具有許多優良的高溫性能，是冶煉行業中常用的優質耐火材料，一直是國內外倍受關注的耐高溫材料。鎂鈣系材料一般通過白云石二步煅燒技術來制得［1］。其中消化工藝的作用主要是利用白云石與水反應時強烈的蹦散作用以及氫氧化物的生成進一步破壞原料輕燒時殘留的母巖假象，為高溫燒結創造更有利的條件；成型工藝的作用主要是為了使粉末物料成為具有一定形狀的致密塊體。筆者主要研究了消化工藝條件以及成型壓力對白云石制備鎂鈣砂的燒結性能和抗水化性能的影響。

1　實驗部分

1.1實驗原料

實驗原料選用湖北某地區天然白云石礦石。白云石礦石化學組成及含量（質量分數）：SiO2，0.19%；Al2O3，0.21%；Fe2O3，0.11%；CaO，31.90%；MgO，20.52%；灼燒失量，46.20%。白云石礦石XRD譜圖見圖1。由白云石礦石的化學組成及XRD譜圖可以看出：白云石礦石主要物相為白云石相，含少量的CaCO3，雜質相很少，可以用作制備優質鎂鈣砂的原料。

圖1　白云石XRD譜圖

1.2實驗方法

將白云石破碎至粒度小于0.088 mm。取一定量粉體，在850℃保溫3 h［2］。將輕燒粉按不同的加水量和不同的消化時間進行消化，然后置于烘箱內在110℃烘干24 h。將烘干粉體按照不同的壓力壓制成φ20 mm×20 mm的塊體，然后置于硅鉬棒電爐中在1 650℃保溫3 h。

1.3產品性能檢測

燒結性能測定：按YB/T 5200—1993《致密耐火澆注料顯氣孔率和體積密度試驗方法》對鎂鈣砂的體積密度和顯氣孔率進行測定。

抗水化性能測定：將鎂鈣砂破碎至粒度為2～3 mm，放入燒杯內，置于加水的高壓釜中，密封并加熱至釜內壓力為0.15 MPa時保持2 h，然后烘干樣品，測定樣品的粉化率和質量增加率［3］。

式中：m1為樣品抗水化試驗前質量；m2為樣品抗水化試驗后質量；m3為樣品抗水化試驗后粒徑大于1mm的粒子質量。

2　結果和討論

2.1消化時間與鎂鈣砂的燒結性能和抗水化性能的關系

圖2為消化水用量分別為2∶1、3∶1條件下消化時間與鎂鈣砂體積密度和氣孔率的關系。由圖2看出，在消化水用量分別為2∶1、3∶1條件下，白云石經不同時間消化并經高溫煅燒，鎂鈣砂體積密度都隨消化時間的增加呈減小趨勢，氣孔率呈上升趨勢。這是因為輕燒白云石在消化初始的10 min內反應最為激烈，消化1 h后反應基本完全。消化初始試樣的主要組成為氧化物和氫氧化物，有利于試樣燒結。隨著消化時間增加，部分已生成的氫氧化物和空氣中的CO2反應生成一定量碳酸鹽。在高溫煅燒階段，碳酸鹽分解殘留一定的空隙，導致鎂鈣砂致密性變差。故消化時間在1 h左右較好。

圖2　不同消化水用量條件下消化時間與鎂鈣砂的燒結性能的關系

圖3為消化水用量分別為2∶1、3∶1條件下消化時間與鎂鈣砂抗水化性能的關系。由圖3看出，在2種消化水用量條件下鎂鈣砂質量增加率和粉化率都隨消化時間增加而增大，也即消化時間越長鎂鈣砂抗水化性能越差。這是因為，消化時間越長，燒結越不致密、氣孔率越大，空氣中水蒸氣越容易通過氣孔與鎂鈣砂中CaO接觸，導致其抗水化性能降低。

圖3　不同消化水用量條件下消化時間與鎂鈣砂的抗水化性能的關系

2.2消化水用量與鎂鈣砂的燒結性能和抗水化性能的關系

從白云石化學成分看，白云石輕燒后主要成分為CaO、MgO。通過化學反應式（1）（2）可以計算出白云石消化所需水量（物料與水的質量比）介于（2～3）∶1。故選擇消化水用量分別為2∶1和3∶1進行實驗。

圖4為消化水用量分別為2∶1、3∶1條件下消化時間與鎂鈣砂的燒結性能（a）和抗水化性能（b）的關系。由圖4a可以看出，消化水用量為3∶1時鎂鈣砂的體積密度比消化水用量為2∶1時高。由圖4b可以看出，消化水用量為3∶1時鎂鈣砂的質量增加率比消化水用量為2∶1時低。這是因為，消化水用量影響鎂鈣砂的燒結致密性，從而影響它的抗水化性能。故選擇消化水用量為3∶1。

圖4　不同消化水用量條件下消化時間與鎂鈣砂的燒結性能和抗水化性能的關系

2.3成型壓力與鎂鈣砂的燒結性能和抗水化性能的關系

圖5為成型壓力與鎂鈣砂的燒結性能（a）和抗水化性能（b）的關系。由圖5a可以看出，成型壓力對鎂鈣砂的體積密度和氣孔率的影響都不大，說明成型壓力對鎂鈣砂的燒結性能的影響不大。這是因為，選用粒度＜0.088 mm的白云石，經輕燒、消化、干燥后，在不太大的壓力下就可以壓制得很致密，因而成型壓力對鎂鈣砂的燒結性能的影響不大。由圖5b可以看出，成型壓力對鎂鈣砂的抗水化性能的影響不大，與圖5a的結果相吻合。說明在200 MPa壓力下可以將粉體壓制致密，故選擇成型壓力200 MPa。

圖5　成型壓力與鎂鈣砂的燒結性能和抗水化性能的關系

2.4不同成型壓力制備鎂鈣砂SEM照片

圖6為不同成型壓力下制得鎂鈣砂的SEM照片。由圖6可以看出，成型壓力對鎂鈣砂的顯微結構的影響不是很明顯，3種成型壓力制備的鎂鈣砂的晶粒尺寸相差不大。這也驗證了成型壓力對鎂鈣砂的燒結性能和抗水化性能的影響不大。

圖6　不同成型壓力下制得鎂鈣砂的SEM照片

3　結論

通過實驗得出白云石制備鎂鈣砂的優化工藝條件：消化水用量為3∶1，消化時間為1 h，成型壓力可選擇200 MPa。成型壓力對鎂鈣砂的燒結性能及抗水化性能的影響不大。

［1］王路明，鄧育新.海水鎂白云石的人工合成［J］.海湖鹽與化工，1999，28（2）：23-25.

［2］張汪年，吳蕓蕓，梁永和.輕燒工藝條件對巖峰白云石煅燒性能的影響［J］.耐火材料，2006，40（5）：386-387.

［3］柳偉.優質鎂鈣砂合成和抗水化技術研究與應用［D］.武漢：武漢科技大學，2002.

聯系方式：zwn2003@126.com

Research on digestion process and molding pressure of magnesium calcium sand prepared from dolomite

Zhang Wangnian，Deng Ning，Liang Weijie，Wang Xinhai
（School of Mechanical&Materials Engineering，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China）

Magnesium calcium sand was prepared by a two-step calcination process with nature dolomite as raw material. Dolomite was crushed，calcinted at 850℃，digestion，drying，and compressed into blocks，and then calcined at 1 650℃to prepare magnesium calcium sand.The effects of digestion process conditions and molding pressure on sintering properties and hydration resistance of magnesium calcium sand were investigated.The optimum conditions were as follows：digestive water consumption was 3∶1（mass ratio of material and water），digestion time was 1 h，and molding pressure was 200 MPa.Molding pressure had little effect on the sintering properties and hydration resistance of magnesium calcium sand.

magnesium calcium sand；dolomite；digestion process；molding pressure

TQ132

A

1006-4990（2016）03-0043-03

江西省“十二五”重點學科（材料加工工程）建設項目；九江學院科學技術研究基金（2012KJ06，2012KJ07，2014KJYB020）。

2015-09-26

張汪年（1976—），男，副教授。