摘 要:高純鎂砂制品作為重要的耐火材料，廣泛應用于冶金、建材、玻璃等高溫工業(yè)領域。其傳統(tǒng)的燒成溫度通常高達1700-1810℃，這一過程不僅消耗大量能源，還對環(huán)境造成不小壓力。隨著"雙碳"目標的推進，工業(yè)生產對節(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，已成為耐火材料領域的重要研究課題。超細粉技術為解決這一難題提供了可行路徑。超細粉體因其比表面積大、表面能高和燒結活性強等特點，能夠顯著促進材料的燒結過程。在鎂砂制品中添加適當類型和比例的超細粉，有望在降低燒成溫度的同時，保持甚至提升產品的綜合性能。目前，320目以上活性鎂砂細粉、輕燒鎂砂細粉、氫氧化鎂及水鎂石粉等多種鎂質細粉已顯示出在降低燒成溫度方面的潛力，但其具體應用方案和機理仍需深入研究。本文旨在探討不同類型超細粉對高純鎂砂制品燒成溫度及性能的影響，通過實驗分析確定最佳添加比例和工藝條件，為高性能鎂質耐火材料的低成本、低能耗制造提供理論依據和技術支持。

原 理

超細粉體，特別是粒徑小于10μm的粉體，具有獨特的物理化學性質。這些性質主要包括巨大的比表面積、高的表面能和豐富的表面缺陷。當鎂砂顆粒尺寸從50μm減小到1μm時，其比表面積增加約50倍，表面能增加相應倍數(shù)，燒結驅動力大幅提高。這種高的表面能提供了更大的燒結驅動力，使原子擴散更加容易，從而降低了燒結所需的活化能。

實 驗

2.1 原料

本實驗采用的原料為活性鎂砂細粉、輕燒鎂砂細粉、氫氧化鎂細粉及水鎂石粉，所用原料的化學組成如表1所示。

表1 原料的化學組分(w)%

2.2 原料制備

高純燒結鎂砂：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以下細粉1。

超細鎂砂粉：MgO含量高于97.0wt%，粒徑為15μm以下，由擺式磨粉機進行二次旋風分離獲得。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，經細磨處理，粒徑分布主要集中在5-15μm。

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

水鎂石細粉：天然水鎂石經研磨加工，MgO含量≥62%，粒徑10μm以下。

結合劑：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 實驗設備

實驗使用的主要設備包括：電子天平(精度0.001g)、行星球磨機、振動磨、立軸行星式快速攪拌機、2500T液壓機、干燥箱(溫度范圍室溫-200℃)和高溫燒結爐(最高溫度2000℃，可程序控溫)。

2.4 實驗方法

2.4.1 配方設計

設計基礎配方為：高純燒結鎂砂顆粒80-95份，超細鎂砂粉5-15份。在此基礎上，分別添加不同比例(1-10%)的320目活性鎂砂細粉、輕燒鎂砂細粉、氫氧化鎂細粉和水鎂石細粉，具體實驗分組如表2所示。

表2 原料配比(w)%

2.4.2 混合與成型

按以下步驟進行混合與成型：

1.將超細鎂砂粉和實驗添加劑采用振動磨的方式混合5-10min，獲得混合均勻的混合粉。

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

3.在混合料中，加入高純燒結鎂砂細粉混合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液壓機在100MPa壓力下壓制成型為標準試塊(50mm×50mm×50mm)。

2.4.3 干燥與燒結

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℃)下進行燒結，保溫時間3-4h，隨后自然冷卻至室溫。

結果與分析

3.1 不同細粉類型對燒結溫度的影響

表3 不同細粉類型對燒結溫度的影響

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

這一結果與輕燒鎂砂細粉的高活性密切相關2。輕燒氧化鎂粉含有豐富的晶格缺陷，這些缺陷為原子擴散提供了快捷路徑，提高了擴散系數(shù)，使燒結過程可以在更低溫度下進行。此外，輕燒氧化鎂具有更高的缺陷能，從而具有更大的燒結驅動力，可以促進MgO晶體的發(fā)育。

3.2 不同添加量對制品性能的影響

我們進一步研究了輕燒鎂砂細粉添加量對制品性能的影響。在1650℃燒結溫度下，不同添加量試樣的性能測試結果如表4所示。

表4 輕燒鎂砂細粉添加量對制品性能的影響(1650℃燒結)

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

值得注意的是，采用復合添加多種超細粉的A9組試樣性能最佳，體積密度達到3.15g/cm3，顯氣孔率低至10.2%，耐壓強度高達115MPa。這表明不同種類的超細粉可能存在協(xié)同效應，能夠更有效地促進燒結過程。

分析認為，超細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，同時降低燒結溫度，保證燒結過程中不產生開裂及變形。

工業(yè)應用與經濟效益分析

4.1 工業(yè)應用案例

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

某耐火材料企業(yè)采用浮選菱鎂礦高純燒結鎂砂為主要原料，添加超細鎂砂粉(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，結合劑采用不含硫酸鹽的工業(yè)糊精1。通過優(yōu)化配料和工藝，使制品燒結溫度從傳統(tǒng)的1750℃降低至1680℃以下，降低了70℃以上。

該企業(yè)生產的鎂磚不僅燒結溫度降低，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到12次以上，遠高于傳統(tǒng)鎂磚的8次。

4.2 節(jié)能降耗分析

采用超細粉技術降低燒結溫度可帶來顯著的節(jié)能效果。以年產1.5萬噸鎂砂制品生產線為例，對節(jié)能降耗效果進行分析：

傳統(tǒng)燒結溫度約為1750℃，添加超細粉后燒結溫度可降低至1650-1680℃，降低約70-100℃。根據熱工計算，每降低100℃燒結溫度，可節(jié)省燃料消耗約8-12%。按此計算，每年可節(jié)省天然氣約120-180萬立方米，減少二氧化碳排放約2500-3800噸。

此外，燒結溫度降低還帶來其他益處：

窯爐壽命延長：降低燒結溫度可顯著減輕窯爐耐火材料的負荷，延長窯爐使用壽命，減少維修次數(shù)和停窯時間。

生產成本降低：燃料消耗減少直接降低生產成本，同時窯爐壽命延長也間接降低生產成本。

環(huán)境保護：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。

結論與展望

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

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

(3)進一步優(yōu)化超細粉的復配方案：研究不同種類超細粉(如納米氧化鋁、氧化鋯等)的復合添加效應，探索更高效的復配方案，進一步降低燒結溫度并提高產品性能。

(4)探索更低溫度燒結技術：研究微波燒結、放電等離子燒結等新型燒結技術，結合超細粉技術，進一步降低燒結溫度，縮短燒結時間，實現(xiàn)超低溫燒結(<1500℃)高性能鎂砂制品。

(5)拓展超細粉應用領域：將超細粉技術推廣應用至其他耐火材料領域，如鎂鉻磚、鎂鋁尖晶石磚等，推動整個耐火材料行業(yè)的節(jié)能降耗和技術進步。