鎂砂
建築材料
鎂砂又稱燒結鎂砂，由菱鎂礦、水鎂礦或以海水與石灰乳反應製得的氫氧化鎂，經高溫煅燒而成，水化能力強。主要用於制鹼性耐火材料，如鎂磚、鎂鋁磚，含雜質多的用於鋪鍊鋼鋼爐底。
鎂砂可分為天然鎂砂和海水鎂砂或稱合成鎂砂兩大類。天然鎂砂主要 來自天然菱鎂礦，但因原礦質量制約，難以獲得高純優質產品，至今海水鎂砂 已成為工業發達國家所用鎂砂的主要來源。菱鎂礦中MgO的理論含量是 47.3%，其餘的雜質有CaO、SiO、鐵分等，菱鎂礦在空氣中加熱到700℃~ 800℃分解，稱為“輕燒氧化鎂”，進一步加熱到1530℃以上則變成非活性方鎂石成為硬燒氧化鎂，稱為“死燒鎂砂”。工業生產用的合成海水鎂砂是由海水和消化白雲石製成的。將沉澱下來的Mg(OH)煅燒，得到MgO，用於不燒成磚 的合成鎂砂中鈣硅比為0.3~0.5，高純海水鎂砂的鈣硅比在1.7以上，其高溫強度最高。
主要化學成分為MgO，礦物成分為方鎂石等軸晶系，密度3.56～3.65g/cm，莫氏硬度為5.5，熔點2800℃，在1800～2400℃顯著揮發。純方鎂石無色，隨著FeO、CaO含量的增加色澤由淺變深，呈黃色、褐色、黑褐色。方鎂石晶粒尺寸隨煅燒溫度的提高和保溫時間的延長而相應地增大，其抗水化性和抗渣侵蝕性也相應增強。
鎂砂中的雜質來源於菱鎂礦中的白雲石、滑石、透閃石、石英等，使鎂砂含有SiO、AlO、FeO、CaO等雜質成分(海水鎂砂中還有BO)。這些雜質使鎂砂的高溫強度降低，其影響程度若以FeO為1計並與CrO、AlO、BO相比，依次為1∶3∶11∶70。鎂砂中的礦物相除方鎂石之外，按CaO/SiO2比值的不同可以形成多種硅酸鹽礦物，它們對鎂砂製品的性能有不同的影響 (表1)。
按照鎂砂的化學組分可預測鎂砂製品的質量和相組成，在計算其相組成時，只有當鎂砂原料的均勻性和物料煅燒溫度足以使相組成達到平衡時，這時計算得到的相組成才會與實驗結果相符，而且物料的純度愈高則愈相符合。
菱鎂礦煅燒至700℃分解排出CO，至1000℃左右煅燒成輕燒鎂石(苛性氧化鎂)，俗稱苦土粉，其質地疏鬆、化學活性大。繼續升高溫度至1700～1800℃以上，方鎂石晶粒逐漸長大，體積收縮，密度增大，化學活性大為降低，即煅燒成為燒結鎂砂。
| 表1 鎂砂中基質組成不同對製品性能的影響 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 礦 物 | 熔點或分解溫度/℃ | 莫氏硬度 | 對鎂質製品性能影響 | 其他 | ||
| 燒結 | 荷重軟化溫度 | 耐壓強度 | ||||
| 鎂橄欖石 | 1890 | 6.5～7 | 不利 | 提高 | 高 | |
| 鈣鎂橄欖石 | 1498分解 | 5～5.5 | 促進 | 降低 | ||
| 鎂硅鈣石 | 1550 | 差 | 降低 | 小 | ||
| 硅酸二鈣 | 2130 | 很差 | 提高 | 小， 尤其當晶型轉變時 | 抗渣性好 | |
| 硅酸三鈣 | 1900分解 | 很差 | 提高 | |||
鎂砂中的方鎂石晶粒之間的結構形式有兩種：(1)硅酸鹽結合(陶瓷結合)：主晶相之間由低熔點的晶質或非晶質的硅酸鹽聯結在一起，是在液相參與下完成燒結的;(2)直接結合；高熔點晶粒相互直接接觸所形成的一種結合，屬於固態燒結，一般無液相參與燒結。直接結合的鎂質製品具有高的高溫機械強度、抗渣性及體積穩定性。
鎂砂中的鎂鐵礦(MgO·FeO，MF)可與方鎂石形成固溶體，在1000℃時MF溶於方鎂石不到1%，在1800℃時溶解度無限增大。進入方鎂石晶格中的MF破壞晶格組織並增加內能，促使方鎂石的結晶長大而提高鎂砂的燒結性能。一些國家的鎂砂性能見表
| 表2 一些國家的鎂砂性能(實例) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 原 料 | 國 別 | 化學成分/% | B2O3/% | CaO/SiO2 | 體積密度度/g·cm-3 | ||||
| MgO | CaO | SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | |||||
結晶 質菱 鎂礦 石 | 中國 | 98.03 98.01 95.20 92.4 90.0 | 0.88 1.02 1.11 1.25 1.3 | 0.28 0.28 2.02 3.50 5.8 | 0.70 0.56 0.62 1.0 1.1 | 0.10 0.12 0.80 1.5 1.6 | 3.14 3.64 0.5 0.36 0.22 | 3.33 3.33 3.20 3.20 3.15 | |
| 朝鮮 | 95.1 91.9 | 1.6 1.8 | 1.2 4.0 | 1.3 1.1 | 0.6 0.7 | 1.3 0.45 | 3.25 3.15 | ||
巴西 奧地利 | 94.5 90.0 | 0.8 3.0 | 1.3 1.0 | 2.7 5.0 | 0.8 1.0 | 0.6 3.0 | 3.35 3.35 | ||
希臘 俄羅斯 | 91.0 92.0 90.57 | 2.4 1.6 2.73 | 0.5 2.15 3.42 | 5.7 4.1 2.0 | 0.2 0.86 | <0.01 | 4.8 | 3.30 | |
| 表3一些國家的鎂砂性能(實例) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 原 料 | 國 別 | 化學成分/% | B2O3/% | CaO/SiO2 | 體積密度/ g·cm-3 | ||||
| MgO | CaO | SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | |||||
隱晶質菱 鎂礦石 | 希臘 | 97.0 95.7 95.5 91.5 | 1.85 2.2 1.6 2.0 | 0.5 1.3 2.6 5.5 | 0.6 0.64 0.08 0.15 | 0.03 0.06 0.12 0.25 | <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 | 3.7 1.7 0.6 0.36 | 3.42 3.45 3.35 3.30 |
土耳其 南斯拉夫 印度 | 96.6 95.5 92.0 | 1.5 2.0 2.0 | 1.25 1.7 5.5 | 0.35 0.6 0.2 | 0.04 0.2 0.2 | 1.2 1.2 0.4 | 3.40 3.35 3.30 | ||
根據原料的燒結特性和鎂砂產品技術要求的不同，在鎂砂生產工藝上可採用一步煅燒或是二步煅燒工藝。對於難燒結的原料則用二步煅燒工藝，以生產出高純度、高密度的鎂砂，其主晶相之間可達到直接結合。
一步煅燒工藝流程為：原料(有一定粒度要求的菱鎂礦石)→煅燒(在豎窯或迴轉窯內使用焦炭或無灰燃料，煅燒溫度在1600℃以上)→成品檢選→燒結鎂砂。由於焦炭灰分中的SiO污染，鎂砂中含SiO量增加2%左右。
二步煅燒工藝流程為：原料(有一定粒度要求的菱鎂礦石或提純的精礦粉)→輕燒(於迴轉窯、懸浮焙燒窯、多層爐、沸騰爐或反射爐內，使用無灰燃料經1000℃左右(煅燒))→磨細(細度愈細鎂砂的密度愈高)→煅燒(在豎窯或迴轉窯內用無灰燃料煅燒、溫度在1800℃以上)→燒結鎂砂。中國鎂砂的技術要求見表4。
| 表4 中國鎂砂的技術要求 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 品 名 | 化學成分/% | 灼減/% 不大於 | 體積/密度 g·cm-3 不小於 | |||
| MgO | SiO2 不大於 | Fe2O3 不小於 | CaO 不大於 | |||
MS-98 MS-97.a MS-97.b MS-96.a MS-96.b MS-95.a MS-95.b MS-94.a MS-94.b MS-93 MS-92 MS-91 MS-90 MS-89 MGS-87 MGS-84 MS-88 MS-83 MS-80 | ≥98 ≥97 ≥97 ≥96 ≥96 ≥95 ≥95 ≥94 ≥94 ≥93 ≥92 ≥91 ≥90 ≥89 ≥87 ≥84 ≥88 ≥83 ≥80 | 0.5 1.0 1.0 1.5 1.5 2.0 2.2 3.0 3.0 3.5 4.0 4.5 4.8 5.0 7.0 9.0 4.0 5.0 6.0 | 1.5 1.5 1.5 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 2.0 2.5 2.0 2.5 5.0 8.0 12.0 | 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.5 0.5 0.5 0.5 0.8 0.8 | 3.30 3.30 3.25 3.30 3.25 3.25 3.20 3.20 3.15 3.18 3.18 3.20 3.18 3.15 3.15 3.15 | |
MTS-CBA.a MTS-68A.b MTS-68B | 68-78 68-78 68-78 | 2.5 3.0 5.0 | 10.0 10.0 10.0 | 9.0 | 0.5 0.5 0.8 | |
註：MS—鎂砂; MGS—鎂硅砂; MTS—鎂鐵砂; A—迴轉窯鎂鐵砂;a、b—級別;B—豎窯鎂鐵砂。
製造各種鎂質耐火磚、不定形耐火材料。
世界鎂砂向高質量的高純度、高密度發展，以提高鎂質製品的抗渣蝕性和使用經濟性。要求鎂砂特性為：(1)純度高，含MgO98%以上。(2)含RO低，以及儘可能低的含BO量，最好是無硼。(3)高的顆粒體積密度，達到3.4g/cm以上。(4)高的CaO/SiO比值，大於2。(5)方鎂石晶粒尺寸大，在100～200μm以上。(6)方鎂石晶相形成直接結合。
