張汪年，鄧　寧，梁偉杰，王新海（九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江西九江332005）

白云石制鎂鈣砂消化工藝及成型壓力研究*

張汪年，鄧寧，梁偉杰，王新海
（九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江西九江332005）

以天然白云石為原料，采用二步煅燒法制備鎂鈣砂。將白云石破碎，在850℃煅燒，消化、烘干、壓制成塊體，再于1 650℃煅燒，制得鎂鈣砂。研究了消化工藝條件和成型壓力對(duì)鎂鈣砂的燒結(jié)性能和抗水化性能的影響。優(yōu)化工藝條件：消化水用量（物料與水的質(zhì)量比）為3∶1，消化時(shí)間為1 h，成型壓力為200 MPa。成型壓力對(duì)鎂鈣砂的燒結(jié)性能和抗水化性能的影響不大。

鎂鈣砂；白云石；消化工藝；成型壓力

鎂鈣系材料具有許多優(yōu)良的高溫性能，是冶煉行業(yè)中常用的優(yōu)質(zhì)耐火材料，一直是國(guó)內(nèi)外倍受關(guān)注的耐高溫材料。鎂鈣系材料一般通過(guò)白云石二步煅燒技術(shù)來(lái)制得［1］。其中消化工藝的作用主要是利用白云石與水反應(yīng)時(shí)強(qiáng)烈的蹦散作用以及氫氧化物的生成進(jìn)一步破壞原料輕燒時(shí)殘留的母巖假象，為高溫?zé)Y(jié)創(chuàng)造更有利的條件；成型工藝的作用主要是為了使粉末物料成為具有一定形狀的致密塊體。筆者主要研究了消化工藝條件以及成型壓力對(duì)白云石制備鎂鈣砂的燒結(jié)性能和抗水化性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料選用湖北某地區(qū)天然白云石礦石。白云石礦石化學(xué)組成及含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：SiO2，0.19%；Al2O3，0.21%；Fe2O3，0.11%；CaO，31.90%；MgO，20.52%；灼燒失量，46.20%。白云石礦石XRD譜圖見(jiàn)圖1。由白云石礦石的化學(xué)組成及XRD譜圖可以看出：白云石礦石主要物相為白云石相，含少量的CaCO3，雜質(zhì)相很少，可以用作制備優(yōu)質(zhì)鎂鈣砂的原料。

圖1　白云石XRD譜圖

1.2實(shí)驗(yàn)方法

將白云石破碎至粒度小于0.088 mm。取一定量粉體，在850℃保溫3 h［2］。將輕燒粉按不同的加水量和不同的消化時(shí)間進(jìn)行消化，然后置于烘箱內(nèi)在110℃烘干24 h。將烘干粉體按照不同的壓力壓制成φ20 mm×20 mm的塊體，然后置于硅鉬棒電爐中在1 650℃保溫3 h。

1.3產(chǎn)品性能檢測(cè)

燒結(jié)性能測(cè)定：按YB/T 5200—1993《致密耐火澆注料顯氣孔率和體積密度試驗(yàn)方法》對(duì)鎂鈣砂的體積密度和顯氣孔率進(jìn)行測(cè)定。

抗水化性能測(cè)定：將鎂鈣砂破碎至粒度為2～3 mm，放入燒杯內(nèi)，置于加水的高壓釜中，密封并加熱至釜內(nèi)壓力為0.15 MPa時(shí)保持2 h，然后烘干樣品，測(cè)定樣品的粉化率和質(zhì)量增加率［3］。

式中：m1為樣品抗水化試驗(yàn)前質(zhì)量；m2為樣品抗水化試驗(yàn)后質(zhì)量；m3為樣品抗水化試驗(yàn)后粒徑大于1mm的粒子質(zhì)量。

2　結(jié)果和討論

2.1消化時(shí)間與鎂鈣砂的燒結(jié)性能和抗水化性能的關(guān)系

圖2為消化水用量分別為2∶1、3∶1條件下消化時(shí)間與鎂鈣砂體積密度和氣孔率的關(guān)系。由圖2看出，在消化水用量分別為2∶1、3∶1條件下，白云石經(jīng)不同時(shí)間消化并經(jīng)高溫煅燒，鎂鈣砂體積密度都隨消化時(shí)間的增加呈減小趨勢(shì)，氣孔率呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)檩p燒白云石在消化初始的10 min內(nèi)反應(yīng)最為激烈，消化1 h后反應(yīng)基本完全。消化初始試樣的主要組成為氧化物和氫氧化物，有利于試樣燒結(jié)。隨著消化時(shí)間增加，部分已生成的氫氧化物和空氣中的CO2反應(yīng)生成一定量碳酸鹽。在高溫煅燒階段，碳酸鹽分解殘留一定的空隙，導(dǎo)致鎂鈣砂致密性變差。故消化時(shí)間在1 h左右較好。

圖2　不同消化水用量條件下消化時(shí)間與鎂鈣砂的燒結(jié)性能的關(guān)系

圖3為消化水用量分別為2∶1、3∶1條件下消化時(shí)間與鎂鈣砂抗水化性能的關(guān)系。由圖3看出，在2種消化水用量條件下鎂鈣砂質(zhì)量增加率和粉化率都隨消化時(shí)間增加而增大，也即消化時(shí)間越長(zhǎng)鎂鈣砂抗水化性能越差。這是因?yàn)椋瘯r(shí)間越長(zhǎng)，燒結(jié)越不致密、氣孔率越大，空氣中水蒸氣越容易通過(guò)氣孔與鎂鈣砂中CaO接觸，導(dǎo)致其抗水化性能降低。

圖3　不同消化水用量條件下消化時(shí)間與鎂鈣砂的抗水化性能的關(guān)系

2.2消化水用量與鎂鈣砂的燒結(jié)性能和抗水化性能的關(guān)系

從白云石化學(xué)成分看，白云石輕燒后主要成分為CaO、MgO。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)式（1）（2）可以計(jì)算出白云石消化所需水量（物料與水的質(zhì)量比）介于（2～3）∶1。故選擇消化水用量分別為2∶1和3∶1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖4為消化水用量分別為2∶1、3∶1條件下消化時(shí)間與鎂鈣砂的燒結(jié)性能（a）和抗水化性能（b）的關(guān)系。由圖4a可以看出，消化水用量為3∶1時(shí)鎂鈣砂的體積密度比消化水用量為2∶1時(shí)高。由圖4b可以看出，消化水用量為3∶1時(shí)鎂鈣砂的質(zhì)量增加率比消化水用量為2∶1時(shí)低。這是因?yàn)椋昧坑绊戞V鈣砂的燒結(jié)致密性，從而影響它的抗水化性能。故選擇消化水用量為3∶1。

圖4　不同消化水用量條件下消化時(shí)間與鎂鈣砂的燒結(jié)性能和抗水化性能的關(guān)系

2.3成型壓力與鎂鈣砂的燒結(jié)性能和抗水化性能的關(guān)系

圖5為成型壓力與鎂鈣砂的燒結(jié)性能（a）和抗水化性能（b）的關(guān)系。由圖5a可以看出，成型壓力對(duì)鎂鈣砂的體積密度和氣孔率的影響都不大，說(shuō)明成型壓力對(duì)鎂鈣砂的燒結(jié)性能的影響不大。這是因?yàn)椋x用粒度＜0.088 mm的白云石，經(jīng)輕燒、消化、干燥后，在不太大的壓力下就可以壓制得很致密，因而成型壓力對(duì)鎂鈣砂的燒結(jié)性能的影響不大。由圖5b可以看出，成型壓力對(duì)鎂鈣砂的抗水化性能的影響不大，與圖5a的結(jié)果相吻合。說(shuō)明在200 MPa壓力下可以將粉體壓制致密，故選擇成型壓力200 MPa。

圖5　成型壓力與鎂鈣砂的燒結(jié)性能和抗水化性能的關(guān)系

2.4不同成型壓力制備鎂鈣砂SEM照片

圖6為不同成型壓力下制得鎂鈣砂的SEM照片。由圖6可以看出，成型壓力對(duì)鎂鈣砂的顯微結(jié)構(gòu)的影響不是很明顯，3種成型壓力制備的鎂鈣砂的晶粒尺寸相差不大。這也驗(yàn)證了成型壓力對(duì)鎂鈣砂的燒結(jié)性能和抗水化性能的影響不大。

圖6　不同成型壓力下制得鎂鈣砂的SEM照片

3　結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出白云石制備鎂鈣砂的優(yōu)化工藝條件：消化水用量為3∶1，消化時(shí)間為1 h，成型壓力可選擇200 MPa。成型壓力對(duì)鎂鈣砂的燒結(jié)性能及抗水化性能的影響不大。

［1］王路明，鄧育新.海水鎂白云石的人工合成［J］.海湖鹽與化工，1999，28（2）：23-25.

［2］張汪年，吳蕓蕓，梁永和.輕燒工藝條件對(duì)巖峰白云石煅燒性能的影響［J］.耐火材料，2006，40（5）：386-387.

［3］柳偉.優(yōu)質(zhì)鎂鈣砂合成和抗水化技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2002.

聯(lián)系方式：zwn2003@126.com

Research on digestion process and molding pressure of magnesium calcium sand prepared from dolomite

Zhang Wangnian，Deng Ning，Liang Weijie，Wang Xinhai
（School of Mechanical&Materials Engineering，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China）

Magnesium calcium sand was prepared by a two-step calcination process with nature dolomite as raw material. Dolomite was crushed，calcinted at 850℃，digestion，drying，and compressed into blocks，and then calcined at 1 650℃to prepare magnesium calcium sand.The effects of digestion process conditions and molding pressure on sintering properties and hydration resistance of magnesium calcium sand were investigated.The optimum conditions were as follows：digestive water consumption was 3∶1（mass ratio of material and water），digestion time was 1 h，and molding pressure was 200 MPa.Molding pressure had little effect on the sintering properties and hydration resistance of magnesium calcium sand.

magnesium calcium sand；dolomite；digestion process；molding pressure

TQ132

A

1006-4990（2016）03-0043-03

江西省“十二五”重點(diǎn)學(xué)科（材料加工工程）建設(shè)項(xiàng)目；九江學(xué)院科學(xué)技術(shù)研究基金（2012KJ06，2012KJ07，2014KJYB020）。

2015-09-26

張汪年（1976—），男，副教授。