氫氧化鎂煅燒制備鎂砂的工藝研究

程俊峰

（山西工程職業學院，山西 太原 030009）

0 引言

鎂砂以其優良的耐高溫性、耐腐蝕性、保溫等特性而著稱[1-2]，是重多的耐火材料之中的佼佼者，在工業領域有著重要的作用，尤其在冶金、玻璃等行業有著廣泛的應用。隨著冶金行業的不斷發展，對鎂砂的純度要求逐步提高。

現階段鎂砂的生產原料以菱鎂礦為主[3-6]，經適當的工藝路線煅燒后，可得到鎂砂。然而，礦石中所含雜質較多，如氧化鈣、二氧化硅、硼等，這些雜質的存在會增加工藝難度，提高生產成本，造成高純鎂砂制備的困難。

我國鹽湖資源中有著豐富的鎂資源[7-8]，以青海的柴達木盆地鹽湖為例，其鎂資源的儲量達到了48.15 億t。對鎂資源進行合理開發，可在保護環境的同時提高經濟效益。鎂砂每年在鋼鐵行業的消費量能達到千萬噸級，而鋼鐵行業對高純鎂砂的需求更是只增不減。與礦石資源相比，鹽湖鎂資源在生產中，更容易實現低成本、高純度。本文以鹽湖鎂資源生產的高純氫氧化鎂為原料，研究了高純度鎂砂的生產工藝。

1 實驗內容

1.1 實驗原理

實驗依據的化學反應原理為：Mg（OH）2=MgO+H2O，Mg（OH）2在高溫煅燒下可分解生成MgO 與H2O。

1.2 實驗方法

采用由鹽湖鎂資源生產的高純氫氧化鎂為原料，將部分原料進行煅燒，得到氧化鎂。之后將氫氧化鎂與氧化鎂以一定的比例進行混合，放入模具中，保壓一定時間后，制作成片狀生坯，再將生坯放入馬弗爐中，在一定的溫度下進行煅燒，最終得到鎂砂。

1.3 檢測方法

采用EDTA 滴定法測定鎂砂的純度；使用高低真空掃描電鏡（日本電子JSM-6360LV）對鎂砂產品的形貌進行觀察；采用排水法測量生坯及鎂砂的體積密度。

2 實驗結果與分析

2.1 壓強對氫氧化鎂生坯密度的影響

由于Mg（OH）2屬于疏松粉末[9-10]，在燒結過程中不易燒結為致密的產品，有研究表明，將粉末壓制成致密的生坯，在同樣的煅燒條件下，有利于得到更為致密的鎂砂，為此需進行Mg（OH）2的生坯制作實驗。

取3 g 的Mg（OH）2制作生坯，分別在300 MPa、400 MPa、500 MPa、600 MPa、700 MPa 下保壓5 min，對生坯進行密度測量，得到的結果如圖1 所示。由圖1 可知，當壓力在600 MPa 以下時，隨著壓強的增大，生坯密度呈現升高趨勢，然而當壓強到達600 MPa 后，生坯密度的變化量開始變小，同時出現脫模困難現象。有研究表明生坯中存在大量的氣孔，會降低燒結動力，出現上述現象，可能原因為隨著壓力的增大，能夠有效降低閉口氣孔率，然而當成型壓力超過一定數值后，氣孔率的下降達到一定的極限。隨著成型壓力的增大，生坯易出現層斷、脫模困難的現象，不利于形成致密的生坯。為了提高生坯密度，同時又為了易于脫模，因此根據實驗結果最終選取壓力為600 MPa。

圖1 壓強對氫氧化鎂生坯密度的影響

2.2 氫氧化鎂輕燒溫度與氧化鎂含量的選取

使用高純氫氧化鎂制備鎂砂時，在氫氧化鎂直接高溫煅燒過程中，顆粒密度無法達到國標要求。為了得到符合國標的產品，探索了加入適量氧化鎂的工藝路線。氫氧化鎂在煅燒生產氧化鎂的過程中，煅燒溫度對氧化鎂的活性及可壓縮性有著較大的影響，為此選取了850 ℃、900 ℃、950 ℃三個煅燒溫度，考察其對氫氧化鎂與氧化鎂混合物生坯密度的影響。

高純氫氧化鎂原料在850 ℃下煅燒3 h 得到氧化鎂，將該氧化鎂以一定的量與氫氧化鎂混合均勻后，在壓強600 MPa 條件下制作生坯，并保壓不同時間，得到的生坯密度變化規律如圖2 所示。從圖2 中可以看出，保壓時間的延長有利于燒結氧化鎂密度的提高，這是因為延長保壓時間能夠有效降低閉口氣孔率。同時，隨著氧化鎂含量的增大，生坯的密度也在不斷增加。

圖2 850 ℃煅燒3 h 的MgO 含量對生坯密度的影響

高純氫氧化鎂原料在900 ℃下煅燒3 h 得到氧化鎂，將該氧化鎂與氫氧化鎂按一定的比例混合均勻后，在600 MPa 壓強下壓制生坯，并保壓不同時間，得到的生坯密度變化規律如圖3 所示。從圖3 中可以看出，延長保壓時間可以提高生坯的密度；保壓3 min與5 min 時，w（MgO）超過20%后，生坯密度基本保持不變。

圖3 900 ℃煅燒3 h 的MgO 含量對生坯密度的影響

將高純氫氧化鎂原料在950 ℃下煅燒3 h 得到氧化鎂，將該氧化鎂與氫氧化鎂以一定的比例混合均勻后，在600 MPa 壓強下進行壓制生坯，并保壓不同時間，得到的生坯密度變化規律如圖4 所示。從圖4中可以看出，w（MgO）超過20%，生坯密度的基本不再增加，同時，保壓3 min 與保壓5 min 的生坯密度區別已經不大。

圖4 950 ℃煅燒2 h 的MgO 含量對生坯密度的影響

煅燒溫度能夠影響氧化鎂活性、比表面積，有學者研究表明[11-12]，煅燒溫度越高，氧化鎂的活性越低，比表面積隨之也會下降，氧化鎂晶粒會趨于完善，晶粒長大，顆粒上的氣孔也會逐步減少并趨于致密。從上述實驗數據中可以看出，氫氧化鎂的煅燒溫度與氧化鎂的含量對生坯密度的影響也較為明顯。通過上述條件實驗，可以確定最佳實驗條件為：氫氧化鎂在900 ℃下煅燒3 h 得到氧化鎂，控制氧化鎂與氫氧化鎂混合質量比為1∶4，在600 MPa 下保壓5 min，可得到密度為1.97 g/cm3的生坯。

2.3 氫氧化鎂輕燒時間的選取

氫氧化鎂輕燒時間對氧化鎂晶粒有著較大的影響[13]，隨著煅燒時間的延長，氧化鎂顆粒的晶型趨于完善，表面氣孔也會不斷減少，活性也會不斷下降，最終造成氧化鎂的再燒結能力下降。為了確定最佳工藝條件，需要確定氫氧化鎂輕燒時間。將氫氧化鎂在900 ℃下分別輕燒1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，再將所得產品與氫氧化鎂混合制取生坯，生坯條件選取最佳工藝條件，最終得到的生坯密度變化規律如圖5 所示。

圖5 氧化鎂煅燒時間對生坯密度的影響

由圖5 可知，隨著煅燒時間的延長，生坯密度不斷增加，當煅燒時間超過3 h 時，其密度增加量變小，考慮經濟效益因素，選取煅燒時間為3 h。

2.4 高溫煅燒

高溫煅燒過程中，氫氧化鎂首先會分解為氧化鎂，隨著氫氧化鎂全部生成氧化鎂，固體顆粒進入燒結過程，在高溫燒結過程主要通過晶粒長大與氣孔消除的作用[14-17]，最終達到顆粒致密的目的。

取最佳實驗條件下制備的生坯，對其進行高溫煅燒，根據文獻資料，分別選取煅燒溫度為1 300 ℃、1 400 ℃、1 500 ℃、1 600 ℃、1 700 ℃，在上述溫度下煅燒1 h 得到的曲線如圖6 所示。從圖6 中可以看出，鎂砂的密度隨著溫度的上升而提高，當煅燒溫度超過1 600 ℃時，提高趨勢放緩，因此選取煅燒溫度1 600 ℃。

圖6 煅燒溫度對顆粒密度的影響

控制煅燒溫度為1 600 ℃，將煅燒時間分別控制為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，得到的結果如圖7 所示，從圖7 中可知，煅燒時間的延長有利于提高鎂砂的顆粒密度，當煅燒時間達到5 h 時，顆粒密度達到了3.2 g/cm3，因此選取煅燒時間5 h。

圖7 煅燒時間對顆粒密度的影響

2.5 鎂砂產品分析

控制實驗條件：在900 ℃輕燒氫氧化鎂3 h 得到氧化鎂，控制其與氫氧化鎂的質量配比為1∶4 混合均勻，在600 MPa 下壓片，保壓5 min，在1 600 ℃下煅燒5 h，對得到的鎂砂進行SEM分析。

圖8 為破碎后的鎂砂的SEM圖，根據圖8 可知鎂砂的顆粒非常致密，表面不存在氣孔，說明該方法得到的鎂砂顆粒致密。經EDTA 滴定，測定氧化鎂的純度＞98.9%，產品純度優于國標GB/T 2273—2007的要求。

圖8 鎂砂SEM 照片

3 結論

1）以高純氫氧化鎂作為原料，將工藝控制為：在900 ℃輕燒氫氧化鎂3 h 得到氧化鎂，控制其與氫氧化鎂的質量配比為1∶4 混合均勻，在600 MPa 下壓片，保壓5 min，得到生坯，將生坯在1 600 ℃下煅燒5 h 可得到顆粒密度為3.2 g/cm3的鎂砂產品。所得產品純度能達到國標GB/T 2273—2007 的要求。

2）該工藝具有流程短、產品純度高、產量大的優點。