新疆尖山菱镁矿一步煅烧制备烧结镁砂

鲁志燕 韩 露 吴 锋 崔 娟 康冬冬 冯 雨 罗旭东

1）云南濮耐昆钢高温材料有限公司 云南昆明650000

2）辽宁科技大学材料与冶金学院 辽宁鞍山114051

菱镁矿是耐火材料主要的天然矿物原料［1－3］，经煅烧处理后制成的镁砂被广泛应用于冶金、石化等高温行业［4－5］。我国菱镁矿矿脉以及产品主要集中在东北的辽南地区，中西部地区所用的菱镁矿原料基本上依靠远距离运输来满足需求，提高了企业的生产成本。鄯善县地处新疆吐鲁番盆地东部，尖山地区矿产资源尤为富集［6－8］，菱镁矿为其中矿种之一。若能利用新疆尖山菱镁矿制备烧结镁砂，即可在很大程度上解决中西部地区对镁质耐火原料的需求。

本工作中，以新疆尖山菱镁矿作为研究对象，分别采用块状原矿、粉状原矿和浮选提纯精矿为原料，采用一步煅烧法制备烧结镁砂，然后分析烧结镁砂的理化性能、物相组成、显微结构，为利用新疆尖山菱镁矿制备烧结镁砂进行一些前期研究。

1 试验

1.1 试验原料

试验采用三种不同的新疆尖山菱镁矿：块状原矿，原矿经破粉碎制成的粒度≤0.5 mm的粉状原矿，原矿经破粉碎及一粗二精反浮选脱硅［9－10］和一粗二精正浮选提镁后的精矿粉。三种菱镁矿原料的化学组成见表1。

表1 三种菱镁矿原料的化学组成

1.2 试样制备

将块状菱镁矿加工成φ50 mm×30 mm的坯体，在110℃烘干24 h后，在高温电炉内于1 750℃保温6 h煅烧，所得烧结镁砂试样标记为K。

分别将粉状原料和浮选精矿粉以纸浆废料为结合剂压制成φ50 mm×30 mm的坯体，在110℃烘干24 h后，在高温电炉内于1 750℃保温6 h煅烧，所得烧结镁砂试样分别标记为KM和KF。

1.3 检测与表征

按照GB/T 2997—2000检测烧结镁砂试样的体积密度和显气孔率；采用X′PertPowder型X射线衍射仪分析烧结镁砂试样的物相组成；采用∑HD型场发射扫描电子显微镜观察烧结镁砂试样光面和断口的显微结构，并进行EDS微区成分分析；在扫描电子显微镜视域中随机抽取100个方镁石晶粒，通过Image.J软件测量其晶粒尺寸，绘制晶粒尺寸分布图。

2 结果与讨论

2.1 理化性能

烧结镁砂试样的理化性能见表2。可以看出：试样K和KM的化学组成不符合《GB/T 2273—2007烧结镁砂》中MS88牌号烧结镁砂的要求（w（MgO）≥88.0%，w（CaO）≤5.0%，w（SiO2）≤4.0%），试样KF符合《GB/T 2273—2007烧结镁砂》中MS94牌号烧结镁砂的要求（w（MgO）≥94.0%，w（CaO）≤1.8%，w（SiO2）≤3.0%，体积密度≥3.2 g·cm－3）。

表2 烧结镁砂试样的理化性能

2.2 物相组成

烧结镁砂试样的XRD图谱见图1。可以看出：1）各试样的主物相均为方镁石；经半定量分析，试样K、KM、KF的方镁石含量（w）分别为86%、88%、96%。2）试样K及试样KM的杂质相主要为镁橄榄石和镁钙橄榄石，试样K的半定量分析结果（w）分别为8%和6%，试样KM的半定量分析结果（w）分别为7%和5%；试样KF的杂质相主要为镁蔷薇辉石，半定量分析结果为4%（w）。

图1 烧结镁砂试样的XRD图谱

2.3 显微结构

烧结镁砂试样K的SEM 照片及EDS图谱见图2。可以看出：试样K的致密度较差，气孔较大；镁橄榄石（微区1）和钙镁橄榄石（微区2）较多，均分布在方镁石晶粒之间；方镁石晶粒以半自形晶为主，棱角分明。分析认为：以块状原矿一次煅烧制备烧结镁砂时，菱镁矿分解形成的方镁石具有较严重的母盐假象，很难烧结致密化；但其疏松多孔的结构也为方镁石晶粒的自由生长提供了较多的空间，容易形成自形晶［11－12］。

图2 烧结镁砂试样K的SEM照片及EDS图谱

烧结镁砂试样KM 的SEM 照片及EDS图谱见图3。可以看出：试样KM致密度较高，气孔较小；钙镁橄榄石（微区1）和镁橄榄石（微区2）均匀分布在方镁石晶粒之间；方镁石晶粒呈浑圆状。菱镁矿经过破粉碎后，母盐假象较轻微，烧结致密化程度提高，但方镁石难以形成自形晶［11－13］。

图3 烧结镁砂试样KM的SEM照片及EDS图谱

烧结镁砂试样KF的SEM 照片及EDS图谱见图4。可以看出：试样KF致密度较高；镁蔷薇辉石（微区1）较均匀地分布在方镁石晶粒之间；方镁石晶粒呈浑圆状，其原因同试样KM。

图4 烧结镁砂试样KF的SEM照片及EDS图谱

烧结镁砂试样K、KM、KF中方镁石晶粒的尺寸分布见图5，其方镁石平均晶粒尺寸分别为39、54、62μm，呈逐渐增大之势。试样KM、KF中，菱镁矿粒度减小，颗粒表面缺陷增多，母盐假象轻微，菱镁矿分解及方镁石晶粒长大的速度均比试样K的大；此外，试样K中高熔点的镁橄榄石作为第二相存在于晶界处，也是抑制其方镁石晶粒生长的原因［14］。

图5 烧结镁砂试样中方镁石晶粒的尺寸分布图

3 结论

（1）块状原矿直接煅烧制成的烧结镁砂的MgO、CaO、SiO2含量（w）分别为88.66%、2.88%、5.13%，不符合《GB/T 2273—2007烧结镁砂》中MS88牌号烧结镁砂的要求；其主晶相方镁石为半自形晶，平均晶粒尺寸为39μm；其杂质相为镁橄榄石和镁钙橄榄石，含量（w）分别为8%和6%。

（2）粉状原矿压块后煅烧制成的烧结镁砂的MgO、CaO、SiO2含量（w）分别为89.15%、2.32%、4.22%，不符合《GB/T 2273—2007烧结镁砂》中MS88牌号烧结镁砂的要求；其主晶相方镁石为浑圆状，平均晶粒尺寸为54μm；其杂质相为镁橄榄石和镁钙橄榄石，含量（w）分别为7%和5%。

（3）精矿压块后煅烧制成的烧结镁砂的MgO、CaO、SiO2含量（w）分别为94.18%、1.43%、1.21%，体积密度为3.25 g·cm－3，符合《GB/T 2273—2007烧结镁砂》中MS94牌号烧结镁砂的要求；其主晶相方镁石为浑圆状，平均晶粒尺寸为62μm；其杂质相为镁蔷薇辉石，含量（w）为4%。