氫氧化鎂煅燒制備鎂砂的工藝研究

程俊峰

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009）

0 引言

鎂砂以其優(yōu)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(yè)領(lǐng)域有著重要的作用，尤其在冶金、玻璃等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。隨著冶金行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)鎂砂的純度要求逐步提高。

現(xiàn)階段鎂砂的生產(chǎn)原料以菱鎂礦為主[3-6]，經(jīng)適當(dāng)?shù)墓に嚶肪€煅燒后，可得到鎂砂。然而，礦石中所含雜質(zhì)較多，如氧化鈣、二氧化硅、硼等，這些雜質(zhì)的存在會(huì)增加工藝難度，提高生產(chǎn)成本，造成高純鎂砂制備的困難。

我國(guó)鹽湖資源中有著豐富的鎂資源[7-8]，以青海的柴達(dá)木盆地鹽湖為例，其鎂資源的儲(chǔ)量達(dá)到了48.15 億t。對(duì)鎂資源進(jìn)行合理開發(fā)，可在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益。鎂砂每年在鋼鐵行業(yè)的消費(fèi)量能達(dá)到千萬(wàn)噸級(jí)，而鋼鐵行業(yè)對(duì)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(chǎn)中，更容易實(shí)現(xiàn)低成本、高純度。本文以鹽湖鎂資源生產(chǎn)的高純氫氧化鎂為原料，研究了高純度鎂砂的生產(chǎn)工藝。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)依據(jù)的化學(xué)反應(yīng)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(shí)驗(yàn)方法

采用由鹽湖鎂資源生產(chǎn)的高純氫氧化鎂為原料，將部分原料進(jìn)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(jìn)行混合，放入模具中，保壓一定時(shí)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(jìn)行煅燒，最終得到鎂砂。

1.3 檢測(cè)方法

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

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓強(qiáng)對(duì)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(jié)過程中不易燒結(jié)為致密的產(chǎn)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(jìn)行Mg（OH）2的生坯制作實(shí)驗(yàn)。

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(duì)生坯進(jìn)行密度測(cè)量，得到的結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知，當(dāng)壓力在600 MPa 以下時(shí)，隨著壓強(qiáng)的增大，生坯密度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，然而當(dāng)壓強(qiáng)到達(dá)600 MPa 后，生坯密度的變化量開始變小，同時(shí)出現(xiàn)脫模困難現(xiàn)象。有研究表明生坯中存在大量的氣孔，會(huì)降低燒結(jié)動(dòng)力，出現(xiàn)上述現(xiàn)象，可能原因?yàn)殡S著壓力的增大，能夠有效降低閉口氣孔率，然而當(dāng)成型壓力超過一定數(shù)值后，氣孔率的下降達(dá)到一定的極限。隨著成型壓力的增大，生坯易出現(xiàn)層斷、脫模困難的現(xiàn)象，不利于形成致密的生坯。為了提高生坯密度，同時(shí)又為了易于脫模，因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終選取壓力為600 MPa。

圖1 壓強(qiáng)對(duì)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(shí)，在氫氧化鎂直接高溫煅燒過程中，顆粒密度無法達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。為了得到符合國(guó)標(biāo)的產(chǎn)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(chǎn)氧化鎂的過程中，煅燒溫度對(duì)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(gè)煅燒溫度，考察其對(duì)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(qiáng)600 MPa 條件下制作生坯，并保壓不同時(shí)間，得到的生坯密度變化規(guī)律如圖2 所示。從圖2 中可以看出，保壓時(shí)間的延長(zhǎng)有利于燒結(jié)氧化鎂密度的提高，這是因?yàn)檠娱L(zhǎng)保壓時(shí)間能夠有效降低閉口氣孔率。同時(shí)，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(duì)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(qiáng)下壓制生坯，并保壓不同時(shí)間，得到的生坯密度變化規(guī)律如圖3 所示。從圖3 中可以看出，延長(zhǎng)保壓時(shí)間可以提高生坯的密度；保壓3 min與5 min 時(shí)，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(duì)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(qiáng)下進(jìn)行壓制生坯，并保壓不同時(shí)間，得到的生坯密度變化規(guī)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(shí)，保壓3 min 與保壓5 min 的生坯密度區(qū)別已經(jīng)不大。

圖4 950 ℃煅燒2 h 的MgO 含量對(duì)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(xué)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(huì)下降，氧化鎂晶粒會(huì)趨于完善，晶粒長(zhǎng)大，顆粒上的氣孔也會(huì)逐步減少并趨于致密。從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，氫氧化鎂的煅燒溫度與氧化鎂的含量對(duì)生坯密度的影響也較為明顯。通過上述條件實(shí)驗(yàn)，可以確定最佳實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(shí)間的選取

氫氧化鎂輕燒時(shí)間對(duì)氧化鎂晶粒有著較大的影響[13]，隨著煅燒時(shí)間的延長(zhǎng)，氧化鎂顆粒的晶型趨于完善，表面氣孔也會(huì)不斷減少，活性也會(huì)不斷下降，最終造成氧化鎂的再燒結(jié)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(shí)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(chǎn)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(guī)律如圖5 所示。

圖5 氧化鎂煅燒時(shí)間對(duì)生坯密度的影響

由圖5 可知，隨著煅燒時(shí)間的延長(zhǎng)，生坯密度不斷增加，當(dāng)煅燒時(shí)間超過3 h 時(shí)，其密度增加量變小，考慮經(jīng)濟(jì)效益因素，選取煅燒時(shí)間為3 h。

2.4 高溫煅燒

高溫煅燒過程中，氫氧化鎂首先會(huì)分解為氧化鎂，隨著氫氧化鎂全部生成氧化鎂，固體顆粒進(jìn)入燒結(jié)過程，在高溫?zé)Y(jié)過程主要通過晶粒長(zhǎng)大與氣孔消除的作用[14-17]，最終達(dá)到顆粒致密的目的。

取最佳實(shí)驗(yàn)條件下制備的生坯，對(duì)其進(jìn)行高溫煅燒，根據(jù)文獻(xiàn)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(dāng)煅燒溫度超過1 600 ℃時(shí)，提高趨勢(shì)放緩，因此選取煅燒溫度1 600 ℃。

圖6 煅燒溫度對(duì)顆粒密度的影響

控制煅燒溫度為1 600 ℃，將煅燒時(shí)間分別控制為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h，得到的結(jié)果如圖7 所示，從圖7 中可知，煅燒時(shí)間的延長(zhǎng)有利于提高鎂砂的顆粒密度，當(dāng)煅燒時(shí)間達(dá)到5 h 時(shí)，顆粒密度達(dá)到了3.2 g/cm3，因此選取煅燒時(shí)間5 h。

圖7 煅燒時(shí)間對(duì)顆粒密度的影響

2.5 鎂砂產(chǎn)品分析

控制實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(duì)得到的鎂砂進(jìn)行SEM分析。

圖8 為破碎后的鎂砂的SEM圖，根據(jù)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(jīng)EDTA 滴定，測(cè)定氧化鎂的純度＞98.9%，產(chǎn)品純度優(yōu)于國(guó)標(biāo)GB/T 2273—2007的要求。

圖8 鎂砂SEM 照片

3 結(jié)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(zhì)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(chǎn)品。所得產(chǎn)品純度能達(dá)到國(guó)標(biāo)GB/T 2273—2007 的要求。

2）該工藝具有流程短、產(chǎn)品純度高、產(chǎn)量大的優(yōu)點(diǎn)。