李燕京 孫加林 李 勇 康 劍 馬淑龍 馬 飛 高長賀 張積禮 張海波

1）北京科技大學 材料科學與工程學院 北京 100083

2）北京金隅通達耐火技術有限公司 北京 100041

3）鞏義通達中原耐火技術有限公司 河南鄭州 451200

方鎂石-尖晶石材料被廣泛應用于水泥、玻璃、石灰和鋼鐵等行業(yè)［1-4］。由于高品位菱鎂礦資源日漸減少，采用低品位菱鎂礦浮選提純?nèi)諠u增多［5-8］。使用浮選菱鎂礦煅燒生產(chǎn)的鎂砂（以下稱為浮選鎂砂）具有純度高、密度高、價格低等優(yōu)點［7-8］。但浮選鎂砂的硅含量低，會造成氧化鈣以游離形式存在，影響制品的抗熱震性和高溫強度等。

在本工作中，以燒結鎂砂、浮選鎂砂、電熔鎂鋁尖晶石和煅燒Al2O3細粉為主要原料制備方鎂石-尖晶石磚，主要研究了以浮選鎂砂顆粒替代普通燒結鎂砂顆粒以及在此基礎上添加不同量煅燒Al2O3細粉對方鎂石-尖晶石磚的影響。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗用主要原料有：粒度≤3 mm的電熔鎂鋁尖晶石顆粒，粒度≤5 mm的燒結鎂砂顆粒，粒度≤0.088 mm的燒結鎂砂細粉，粒度≤5 mm的燒結浮選鎂砂顆粒，粒度≤0.074 mm的煅燒Al2O3細粉。以木質(zhì)素磺酸鈣為結合劑。主要原料的主要理化性能見表1。

表1 主要原料的主要理化性能Table 1 Main chemical composition and physical properties of main starting materials

1.2 試樣制備

按表2的試驗配方配料。將燒結鎂砂細粉和煅燒Al2O3細粉混合均勻制成預混粉。將顆粒料加入強力混練機中混合1～3 min，再加入木質(zhì)素磺酸鈣結合劑混合3～5 min，然后加入預混粉混合10～15 min。采用1 000 t級雙螺旋壓力機，以1 000 t壓力，模壓成型為230 mm×114 mm×60 mm的磚坯，在110℃干燥24 h后，在箱式電阻爐中于1 650℃保溫4 h燒成。

表2 試驗配方Table 2 Experimental formulations

1.3 性能檢測

按GB／T 2997—2015檢測燒后試樣的顯氣孔率和體積密度，按GB／T 5072—2008檢測燒后試樣的常溫耐壓強度，按GB／T 3002—2017檢測燒后試樣的1 450℃的高溫抗折強度；按GB／T 30873—2014的方法1檢測燒后試樣的抗熱震性。對燒后試樣進行XRD和SEM分析。

2 結果與分析

2.1 常溫性能

燒后試樣的顯氣孔率和體積密度見圖1?？梢钥闯觯瑥脑嚇覯1到試樣M4，顯氣孔率逐漸減小，體積密度逐漸增大。分析認為：浮選鎂砂的致密度大于燒結鎂砂的，導致試樣M2的致密度大于試樣M1的；引入的煅燒Al2O3細粉會與鎂砂反應生成尖晶石并發(fā)生體積膨脹，會填充并擠壓部分氣孔，從而導致試樣致密度增大。

圖1 燒后試樣的顯氣孔率和體積密度Fig.1 Apparent porosity and bulk density of fired samples

燒后試樣的常溫耐壓強度見圖2。可以看出，從試樣M1到試樣M4，常溫耐壓強度逐漸減小。分析認為：與試樣M1相比，試樣M2采用的浮選鎂砂的雜質(zhì)較少，燒成過程中產(chǎn)生的液相量較少，燒后試樣內(nèi)部的結合較差?？赡芤驗榻Y合較差對試樣常溫強度的負向影響超過了致密度較高的正向影響，因此試樣M2的常溫耐壓強度比試樣M1的低。

圖2 燒后試樣的常溫耐壓強度Fig.2 Cold compressive strength of fired samples

試樣中兩個主要物相方鎂石和鎂鋁尖晶石的熱膨脹系數(shù)分別為13.5×10-6和8×10-6K-1，相差較大。當試樣從燒成溫度冷卻至室溫后，必然因方鎂石和鎂鋁尖晶石的收縮率不同而出現(xiàn)微裂紋。煅燒Al2O3細粉添加量增多，原位尖晶石的生成量增多，這種微裂紋也隨之增多?？赡芤驗槲⒘鸭y增多對常溫強度的負向影響超過了致密度增大的正向影響，因此燒后試樣M2、M3、M4的常溫強度逐漸降低。

2.2 高溫性能

燒后試樣的抗熱震性見圖3。試樣M1的為12次，試樣M2、M3和M4的均大于25次（25次后停止熱震試驗）。

熱震25次后試樣M2、M3和M4的外觀照片見圖4?？梢钥闯?，隨著煅燒Al2O3細粉添加量從0增大到5%（w），熱震25次后試樣的外觀逐漸變得完整，表明試樣的抗熱震性逐漸提高。

圖4 熱震25次后試樣M2、M3和M4的外觀照片F(xiàn)ig.4 Appearance photos of samples M2，M3 and M4 after 25 cycles of thermal shock

燒后試樣在高溫抗折試驗中得到的載荷-時間曲線見圖5，曲線的載荷峰值大致表征試樣的高溫強度，曲線與橫坐標軸圍成的面積則表征試樣的高溫韌性。從圖5可以看出：從試樣M1到試樣M4，其高溫強度和高溫韌性均逐漸增大。

圖5 燒后試樣的載荷-時間曲線Fig.5 Load-time curves of fired samples

浮選鎂砂的雜質(zhì)含量較低，用其制備的試樣中玻璃相較少，這對試樣的抗熱震性、高溫強度和高溫韌性有利，因此試樣M2的抗熱震性、高溫強度和高溫韌性均比試樣M1的大。

如前所述，隨著煅燒Al2O3細粉添加量的增多，燒成冷卻后試樣中的微裂紋增多。由于微裂紋能夠阻礙熱震裂紋的擴展，因此燒后試樣M2、M3、M4的抗熱震性、高溫強度和高溫韌性均逐漸提高。此外，原位尖晶石生成量的增多提高了試樣的直接結合程度，也對燒后試樣的抗熱震性、高溫強度和高溫韌性有利，進一步促成它們按M2、M3、M4的順序增大。

2.3 物相組成和顯微結構

燒后試樣M2、M3、M4的XRD圖譜見圖6。

圖6 燒后試樣M2、M3和M4的XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of fired samples M2，M3 and M4

由圖6可以看出：各試樣均由方鎂石和尖晶石組成；隨著煅燒Al2O3細粉添加量的增加，尖晶石衍射峰增多增強。

燒后試樣M2、M3和M4基質(zhì)的SEM照片見圖7?？梢钥闯觯簭脑嚇覯2到試樣M4，基質(zhì)的氣孔逐漸減少，致密度逐漸增大。

圖7 燒后試樣M2、M3和M4的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of fired samples M2，M3 and M4

3 結論

（1）以浮選鎂砂顆粒替代普通燒結鎂砂顆粒制備的方鎂石-尖晶石磚，顯氣孔率和常溫耐壓強度降低，體積密度、抗熱震性、高溫強度和高溫韌性提高。

（2）在以浮選鎂砂顆粒替代普通燒結鎂砂顆粒制備的方鎂石-尖晶石磚中，隨著煅燒Al2O3細粉引入量的增多，顯氣孔率和常溫耐壓強度降低，體積密度、抗熱震性、高溫強度和高溫韌性提高。