摘 要:高純鎂砂制品作為重要的耐火材料，廣泛應(yīng)用于冶金、建材、玻璃等高溫工業(yè)領(lǐng)域。其傳統(tǒng)的燒成溫度通常高達(dá)1700-1810℃，這一過(guò)程不僅消耗大量能源，還對(duì)環(huán)境造成不小壓力。隨著"雙碳"目標(biāo)的推進(jìn)，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)節(jié)能降耗和環(huán)保制造提出了更高要求。因此，如何有效降低高純鎂砂制品的燒成溫度，已成為耐火材料領(lǐng)域的重要研究課題。超細(xì)粉技術(shù)為解決這一難題提供了可行路徑。超細(xì)粉體因其比表面積大、表面能高和燒結(jié)活性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠顯著促進(jìn)材料的燒結(jié)過(guò)程。在鎂砂制品中添加適當(dāng)類型和比例的超細(xì)粉，有望在降低燒成溫度的同時(shí)，保持甚至提升產(chǎn)品的綜合性能。目前，320目以上活性鎂砂細(xì)粉、輕燒鎂砂細(xì)粉、氫氧化鎂及水鎂石粉等多種鎂質(zhì)細(xì)粉已顯示出在降低燒成溫度方面的潛力，但其具體應(yīng)用方案和機(jī)理仍需深入研究。本文旨在探討不同類型超細(xì)粉對(duì)高純鎂砂制品燒成溫度及性能的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析確定最佳添加比例和工藝條件，為高性能鎂質(zhì)耐火材料的低成本、低能耗制造提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

原 理

超細(xì)粉體，特別是粒徑小于10μm的粉體，具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。這些性質(zhì)主要包括巨大的比表面積、高的表面能和豐富的表面缺陷。當(dāng)鎂砂顆粒尺寸從50μm減小到1μm時(shí)，其比表面積增加約50倍，表面能增加相應(yīng)倍數(shù)，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力大幅提高。這種高的表面能提供了更大的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，使原子擴(kuò)散更加容易，從而降低了燒結(jié)所需的活化能。

實(shí) 驗(yàn)

2.1 原料

本實(shí)驗(yàn)采用的原料為活性鎂砂細(xì)粉、輕燒鎂砂細(xì)粉、氫氧化鎂細(xì)粉及水鎂石粉，所用原料的化學(xué)組成如表1所示。

表1 原料的化學(xué)組分(w)%

2.2 原料制備

高純燒結(jié)鎂砂：MgO含量≥97.5%,SiO?含量小于0.3wt%，粒徑分為0.096-0.999mm顆粒、1-3.5mm顆粒和0.074mm以下細(xì)粉1。

超細(xì)鎂砂粉：MgO含量高于97.0wt%，粒徑為15μm以下，由擺式磨粉機(jī)進(jìn)行二次旋風(fēng)分離獲得。輕燒氧化鎂粉：由菱鎂礦在700-1000℃下煅燒30min獲得，或由鹽湖氫氧化鎂在650-950℃下煅燒1h獲得，經(jīng)細(xì)磨處理，粒徑分布主要集中在5-15μm。

氫氧化鎂細(xì)粉：由鹽湖水氯鎂石通過(guò)氨法沉鎂制備，純度高于99.0%，粒徑5μm以下。

水鎂石細(xì)粉：天然水鎂石經(jīng)研磨加工，MgO含量≥62%，粒徑10μm以下。

結(jié)合劑：采用不含硫酸鹽的工業(yè)糊精，與水配制成50wt%濃度的溶液。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用的主要設(shè)備包括：電子天平(精度0.001g)、行星球磨機(jī)、振動(dòng)磨、立軸行星式快速攪拌機(jī)、2500T液壓機(jī)、干燥箱(溫度范圍室溫-200℃)和高溫?zé)Y(jié)爐(最高溫度2000℃，可程序控溫)。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

2.4.1 配方設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基礎(chǔ)配方為：高純燒結(jié)鎂砂顆粒80-95份，超細(xì)鎂砂粉5-15份。在此基礎(chǔ)上，分別添加不同比例(1-10%)的320目活性鎂砂細(xì)粉、輕燒鎂砂細(xì)粉、氫氧化鎂細(xì)粉和水鎂石細(xì)粉，具體實(shí)驗(yàn)分組如表2所示。

表2 原料配比(w)%

2.4.2 混合與成型

按以下步驟進(jìn)行混合與成型：

1.將超細(xì)鎂砂粉和實(shí)驗(yàn)添加劑采用振動(dòng)磨的方式混合5-10min，獲得混合均勻的混合粉。

2.將高純燒結(jié)鎂砂顆粒以及結(jié)合劑采用立軸行星式快速攪拌機(jī)混合5-10min。

3.在混合料中，加入高純燒結(jié)鎂砂細(xì)粉混合5-8min。

4.加入混合粉，再混合12-15min，得到混合均勻的混合料。

5.將混合料裝入模具，采用2500T液壓機(jī)在100MPa壓力下壓制成型為標(biāo)準(zhǔn)試塊(50mm×50mm×50mm)。

2.4.3 干燥與燒結(jié)

成型后的試塊在90-120℃下干燥36-72h。干燥后的坯體分別在不同溫度(1550℃、1600℃、1650℃、1700℃)下進(jìn)行燒結(jié)，保溫時(shí)間3-4h，隨后自然冷卻至室溫。

結(jié)果與分析

3.1 不同細(xì)粉類型對(duì)燒結(jié)溫度的影響

表3 不同細(xì)粉類型對(duì)燒結(jié)溫度的影響

結(jié)果表明，添加超細(xì)粉能顯著提高各溫度下制品的體積密度。在相同溫度下，添加輕燒鎂砂細(xì)粉的試樣體積密度最高，添加氫氧化鎂細(xì)粉和活性鎂砂細(xì)粉的試樣次之，添加水鎂石細(xì)粉的試樣也有明顯改善但效果略遜，對(duì)照組最低。特別是在1550℃時(shí)，添加輕燒鎂砂細(xì)粉的試樣體積密度已達(dá)到2.98g/cm3，接近對(duì)照組1600℃時(shí)的水平(2.98g/cm3)，表明燒結(jié)溫度可降低約50℃。

這一結(jié)果與輕燒鎂砂細(xì)粉的高活性密切相關(guān)2。輕燒氧化鎂粉含有豐富的晶格缺陷，這些缺陷為原子擴(kuò)散提供了快捷路徑，提高了擴(kuò)散系數(shù)，使燒結(jié)過(guò)程可以在更低溫度下進(jìn)行。此外，輕燒氧化鎂具有更高的缺陷能，從而具有更大的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，可以促進(jìn)MgO晶體的發(fā)育。

3.2 不同添加量對(duì)制品性能的影響

我們進(jìn)一步研究了輕燒鎂砂細(xì)粉添加量對(duì)制品性能的影響。在1650℃燒結(jié)溫度下，不同添加量試樣的性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 輕燒鎂砂細(xì)粉添加量對(duì)制品性能的影響(1650℃燒結(jié))

從表4可以看出，隨著輕燒鎂砂細(xì)粉添加量的增加，制品的體積密度和耐壓強(qiáng)度逐漸提高，顯氣孔率逐漸降低。當(dāng)添加量達(dá)到10%時(shí)(A4)，體積密度達(dá)到3.15g/cm3，比對(duì)照組提高約6.4%;耐壓強(qiáng)度達(dá)到108MPa，比對(duì)照組提高約38.5%。

值得注意的是，采用復(fù)合添加多種超細(xì)粉的A9組試樣性能最佳，體積密度達(dá)到3.15g/cm3，顯氣孔率低至10.2%，耐壓強(qiáng)度高達(dá)115MPa。這表明不同種類的超細(xì)粉可能存在協(xié)同效應(yīng)，能夠更有效地促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程。

分析認(rèn)為，超細(xì)粉的添加增加了顆粒與顆粒表面、顆粒與粉體表面的接觸面積，易于燒結(jié)，同時(shí)降低燒結(jié)溫度，保證燒結(jié)過(guò)程中不產(chǎn)生開(kāi)裂及變形。

工業(yè)應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 工業(yè)應(yīng)用案例

超細(xì)粉技術(shù)在鎂砂制品工業(yè)中的應(yīng)用已取得顯著成效。以下是一些成功應(yīng)用案例：

某耐火材料企業(yè)采用浮選菱鎂礦高純燒結(jié)鎂砂為主要原料，添加超細(xì)鎂砂粉(粒徑15μm以下)5-15份、高純氧化硅粉0.05-0.5份和高純硅酸鎂粉0.05-0.5份，結(jié)合劑采用不含硫酸鹽的工業(yè)糊精1。通過(guò)優(yōu)化配料和工藝，使制品燒結(jié)溫度從傳統(tǒng)的1750℃降低至1680℃以下，降低了70℃以上。

該企業(yè)生產(chǎn)的鎂磚不僅燒結(jié)溫度降低，性能也有顯著提升：抗堿侵蝕性能及抗熱震性更優(yōu)，蠕變率更小。特別是在950℃空氣急冷條件下的抗熱震性達(dá)到12次以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鎂磚的8次。

4.2 節(jié)能降耗分析

采用超細(xì)粉技術(shù)降低燒結(jié)溫度可帶來(lái)顯著的節(jié)能效果。以年產(chǎn)1.5萬(wàn)噸鎂砂制品生產(chǎn)線為例，對(duì)節(jié)能降耗效果進(jìn)行分析：

傳統(tǒng)燒結(jié)溫度約為1750℃，添加超細(xì)粉后燒結(jié)溫度可降低至1650-1680℃，降低約70-100℃。根據(jù)熱工計(jì)算，每降低100℃燒結(jié)溫度，可節(jié)省燃料消耗約8-12%。按此計(jì)算，每年可節(jié)省天然氣約120-180萬(wàn)立方米，減少二氧化碳排放約2500-3800噸。

此外，燒結(jié)溫度降低還帶來(lái)其他益處：

窯爐壽命延長(zhǎng)：降低燒結(jié)溫度可顯著減輕窯爐耐火材料的負(fù)荷，延長(zhǎng)窯爐使用壽命，減少維修次數(shù)和停窯時(shí)間。

生產(chǎn)成本降低：燃料消耗減少直接降低生產(chǎn)成本，同時(shí)窯爐壽命延長(zhǎng)也間接降低生產(chǎn)成本。

環(huán)境保護(hù)：減少燃料消耗意味著減少二氧化碳和氮氧化物等污染物的排放，有利于環(huán)境保護(hù)。

結(jié)論與展望

(1)添加超細(xì)粉能顯著降低高純鎂砂制品的燒成溫度。添加5-10%的輕燒鎂砂細(xì)粉可使燒結(jié)溫度降低約50-70℃，從1700-1750℃降至1650℃左右，且制品性能達(dá)到甚至超過(guò)傳統(tǒng)工藝1700℃燒結(jié)的水平。

(2)輕燒鎂砂細(xì)粉在降低燒結(jié)溫度方面效果最為顯著，這與其高活性、豐富晶格缺陷和獨(dú)特顆粒形貌密切相關(guān)。輕燒氧化鎂具有更高的缺陷能，從而具有更大的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，可以促進(jìn)MgO晶體的發(fā)育。

(3)進(jìn)一步優(yōu)化超細(xì)粉的復(fù)配方案：研究不同種類超細(xì)粉(如納米氧化鋁、氧化鋯等)的復(fù)合添加效應(yīng)，探索更高效的復(fù)配方案，進(jìn)一步降低燒結(jié)溫度并提高產(chǎn)品性能。

(4)探索更低溫度燒結(jié)技術(shù)：研究微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等新型燒結(jié)技術(shù)，結(jié)合超細(xì)粉技術(shù)，進(jìn)一步降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超低溫?zé)Y(jié)(<1500℃)高性能鎂砂制品。

(5)拓展超細(xì)粉應(yīng)用領(lǐng)域：將超細(xì)粉技術(shù)推廣應(yīng)用至其他耐火材料領(lǐng)域，如鎂鉻磚、鎂鋁尖晶石磚等，推動(dòng)整個(gè)耐火材料行業(yè)的節(jié)能降耗和技術(shù)進(jìn)步。