不同熔煉工藝對電熔方鎂石的影響

鄭 玉 ，羅旭東 ，王春新 ，錢 峰

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

電熔方鎂石又稱電熔鎂砂，是一種純度高、熔點高、結(jié)構(gòu)致密的堿性耐火材料。電熔方鎂石可通過對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10000℃［3］，因此菱鎂礦可以熔化成鎂砂?；瘜W反應(yīng)過程如下:用空心石墨棒作為電極，研究直流電壓和交流電壓對電熔方鎂石結(jié)晶的影響，改變不同的熔煉工藝來改善爐料飛濺現(xiàn)象。為中國的電熔方鎂石生產(chǎn)中存在的工藝水平低、電熔設(shè)備簡陋、生產(chǎn)環(huán)境差、能源浪費等問題的解決提供依據(jù)［6-7］。

1 實驗部分

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

1.1 試樣制備

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

1.2 檢測與表征

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方法》檢測試樣的體積密度和顯氣孔率；采用Xpert-Powder型X射線衍射儀對試樣的物相組成進行分析（掃描范圍為10～90°）；采用Zeiss-IGMA HD型場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析試樣斷口的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同熔煉工藝對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)晶尺寸不同導致，在靠近皮砂位置有較大的溫度差，優(yōu)先成核生長，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。在菱鎂礦電熔過程中會產(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，方鎂石的衍射峰強度先增大后減小，在靠近皮砂位置衍射峰強度最大。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，且呈點狀分布。方鎂石在成核相變過程中有滯后的現(xiàn)象，需要一定的過冷度和過飽和度才能發(fā)生，當溫度低于臨界溫度時，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，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。