不同熔煉工藝對(duì)電熔方鎂石的影響

鄭 玉 ，羅旭東 ，王春新 ，錢(qián) 峰

（1.遼寧科技大學(xué)高溫材料與鎂資源工程學(xué)院，遼寧鞍山114051；2.鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心）

電熔方鎂石又稱(chēng)電熔鎂砂，是一種純度高、熔點(diǎn)高、結(jié)構(gòu)致密的堿性耐火材料。電熔方鎂石可通過(guò)對(duì)菱鎂礦或輕燒氧化鎂在電熔爐中熔煉獲得，在冶金用耐火材料和其他行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用［1-2］。電熔爐產(chǎn)生的軸向溫度通常超過(guò)10000℃［3］，因此菱鎂礦可以熔化成鎂砂。化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下:用空心石墨棒作為電極，研究直流電壓和交流電壓對(duì)電熔方鎂石結(jié)晶的影響，改變不同的熔煉工藝來(lái)改善爐料飛濺現(xiàn)象。為中國(guó)的電熔方鎂石生產(chǎn)中存在的工藝水平低、電熔設(shè)備簡(jiǎn)陋、生產(chǎn)環(huán)境差、能源浪費(fèi)等問(wèn)題的解決提供依據(jù)［6-7］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

菱鎂礦分解過(guò)程中產(chǎn)生大量氣體，且電弧產(chǎn)生的高溫會(huì)引起嚴(yán)重的氣體膨脹。因此，電熔爐內(nèi)氣體膨脹引發(fā)礦石飛濺，會(huì)有高溫爐料噴出。通過(guò)完善電熔爐的結(jié)構(gòu)在不減少電弧長(zhǎng)的同時(shí)降低爐內(nèi)氣體壓力，從而抑制爐料飛濺的現(xiàn)象［4-5］。本文通過(guò)采

1.1 試樣制備

將破碎后的菱鎂礦投入電熔爐中進(jìn)行電熔實(shí)驗(yàn)。待冷卻24 h后，取出電熔坯體進(jìn)行切割，在同一個(gè)橫切面上由中心向外依次選取5個(gè)點(diǎn)（與中心距離分別為 2、4、6、8、10 cm）進(jìn)行切割取樣。 由于電熔方鎂石的氣孔比較大，在觀(guān)察微觀(guān)結(jié)構(gòu)之前需要對(duì)試樣進(jìn)行煮膠處理。

1.2 檢測(cè)與表征

按照GB/T 2997—2015《致密定形耐火制品體積密度、顯氣孔率和真氣孔率試驗(yàn)方法》檢測(cè)試樣的體積密度和顯氣孔率；采用Xpert-Powder型X射線(xiàn)衍射儀對(duì)試樣的物相組成進(jìn)行分析（掃描范圍為10～90°）；采用Zeiss-IGMA HD型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分析試樣斷口的微觀(guān)形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同熔煉工藝對(duì)電熔方鎂石體積密度和顯氣孔率的影響

圖1、圖2分別為不同熔煉工藝的電熔方鎂石體積密度與顯氣孔率。從圖1、2可以看出，同一種工藝熔煉出的電熔方鎂石隨著取樣位置外移（其中10 cm處為皮砂位置），電熔方鎂石的體積密度先增大后減小、顯氣孔率先減小后增加。在靠近皮砂部分體積密度最大、顯氣孔率最小。這是由于結(jié)晶尺寸不同導(dǎo)致，在靠近皮砂位置有較大的溫度差，優(yōu)先成核生長(zhǎng)，發(fā)育成比較完整的晶粒，所以電熔方鎂石的致密度高。

不同工藝對(duì)電熔方鎂石的體積密度和顯氣孔率也有較大影響。從圖1、2看出，交流空心電極工藝的試樣體積密度最大、顯氣孔率最小。在菱鎂礦電熔過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的氣體。在熔融初期電熔坯體結(jié)構(gòu)致密度差，氣體排出順暢，熔融中后期坯體結(jié)構(gòu)致密，氣體難以排出。空心電極可提供氣體排出通道，氣體排出順暢，致使顯氣孔率小，結(jié)構(gòu)致密。

圖1 不同熔煉工藝電熔方鎂石的體積密度

圖2 不同熔煉工藝電熔方鎂石的顯氣孔率

2.2 不同熔煉工藝對(duì)電熔方鎂石的物相組成的影響

圖3 ～6分別為不同熔煉工藝的電熔方鎂石XRD譜圖。從圖3～6看出，物相幾乎全部由方鎂石組成，隨著與電熔坯體中心距離的增加，方鎂石的衍射峰強(qiáng)度先增大后減小，在靠近皮砂位置衍射峰強(qiáng)度最大。因此隨著融坨中心到皮砂方鎂石晶粒尺寸先增大后減小，靠近皮砂位置晶粒尺寸最大。且選用交流空心電極的電熔方鎂石衍射峰高度大于其他工藝。

圖3 直流空心電極制備電熔方鎂石XRD圖

圖4 直流實(shí)心電極制備電熔方鎂石XRD圖

圖5 交流空心電極制備電熔方鎂石XRD圖

圖6 交流實(shí)心電極制備電熔方鎂石XRD圖

2.3 交流空心電極不同位置方鎂石顯微結(jié)構(gòu)

圖7 交流空心電極制備電熔方鎂石SEM圖

圖7 是交流空心電極制備電熔方鎂石的SEM圖。從圖7可以看出，主晶相為方鎂石，晶體尺寸較大，晶界解理發(fā)育良好，晶界平直，晶界的硅酸鹽相很少，且呈點(diǎn)狀分布。方鎂石在成核相變過(guò)程中有滯后的現(xiàn)象，需要一定的過(guò)冷度和過(guò)飽和度才能發(fā)生，當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)，方鎂石有微晶析出。在靠近皮砂位置由于有較大的溫度差，能夠利于成核生長(zhǎng)，形成大晶粒尺寸的方鎂石。

3 結(jié)論

1）使用空心電極制備的電熔方鎂石比實(shí)心電極制備的電熔方鎂石體積密度大、顯氣孔率低、組織結(jié)構(gòu)致密、晶粒尺寸大。2）不同工藝制備出的電熔方鎂石在靠近皮砂的位置結(jié)晶最好，晶體發(fā)育比較完整。3）對(duì)比不同熔煉工藝發(fā)現(xiàn)交流空心電極制備的電熔方鎂石結(jié)構(gòu)致密，晶界平直，形成較大尺寸的方鎂石晶粒。