三种镁砂原料的制备原理、理化指标以及显微结构特征介绍
镁质耐火原料是指以MgO为主成分和以方镁石为主晶相的原料。菱镁矿 (Magnesite)及由菱镁矿煅烧或熔融而制得的轻烧氧化镁粉(Caustic Calcined Magnesia)、烧结镁砂(Sintered Magnesia)、电熔镁砂(Fused Magnesia)以及由 海水或卤水制得的海水镁砂(Sea-water Magnesia)或卤水镁砂(Brine Magnesia) 等，都属于镁质耐火原料。今天我们这里主要介绍烧结镁砂、电熔镁砂以及海水/卤水镁砂等原料的制备原理、理化指标和显微结构特征，并对高密度镁砂的合成进行 系统介绍。
烧结镁砂是将菱镁矿、水镁石煅烧后的氧化镁，或者由海水或卤水制得 的氢氧化镁在1450 ~ 1900℃下充分烧结而得到的氧化镁原料。我国所说的 烧结镁砂通常是指以菱镁矿为原料煅烧而得的产品，由海水或卤水氢氧化镁 锻烧而成的镁砂则称为海水镁砂或卤水镁砂。由于镁砂的烧结温度高，烧结 程度好，故烧结镁砂也称为死烧镁砂(Dead-burned Magnesia),以与轻烧氧化镁相区别。
在工业生产中，通常将菱镁矿直接压块烧结的方法称为“一步煅烧”;而将 菱镁矿先在1000℃左右轻烧，然后再压块与烧结的工艺称之为“二步煅烧”。根 据国际上主要以MgO含量、颗粒体积密度和CaO/SiO2比对烧结镁砂划分等级的 分类方法，我国国家标准GB/T 2273—2007对耐火材料用烧结镁砂的技术条件作 了规定，详见表2-1。
表2-1烧结镁砂理化指标
烧结镁砂中的方镁石晶体多为不规则粒状，其晶体尺寸大小和形状取决于原 料的纯度和烧结程度。图2-1为中国生产的牌号为DBM-97烧结镁砂的显微结构。镁砂的晶体尺寸为80~ 130μm，深灰色晶间结合相为C2S，多晶间气孔。图2-2为Alpine山脉高铁烧结镁砂的显微结构。镁砂的晶体尺寸为120 ~180μm，亮白 色晶间结合相为C2F和MF,多晶间气孔。两者的化学成分和体积密度等理化指标见表2-2。
表2-2各种镁砂的理化指标
电熔镁砂(Fused Magnesia)是由天然菱镁矿、轻烧氧化镁粉或烧结镁砂等 在电弧炉中高温熔融而成的镁质原料，因其强度、抗侵蚀性及化学惰性均优于烧 结镁砂，在镁质及镁碳质耐火材料中正越来越多地取代烧结镁砂。
我国冶金行业标准YB/T 5266—2004按理化指标将电熔镁砂分为六个牌号， 其技术条件见表2-3。世界各国生产的电熔镁砂的典型性能见表2-4。
表2-3电熔镁砂的理化指标
表2-4电熔镁砂的典型性能
图2-3和图2-4分别给出了以轻烧氧化镁粉和菱镁矿为原料制备的电熔镁砂的显微结构，两者的化学成分和体积密度等理化指标见表2-2。由图2-3和图2-4可见：电熔镁砂的显微结构特征为晶体尺寸大，在几百微米以上，晶间多直接结合，少硅酸盐相。用菱镁矿为原料时，会存在较多的晶间或晶内气孔。
与烧结镁砂相比，电熔镁砂中硅酸盐相含量低，方镁石的直接结合程度高， 可以充分地发挥出方镁石的良好性能。此外，由于使用时熔渣多从方镁石的晶界 开始侵蚀，因此大结晶电熔镁砂比烧结镁砂中方镁石微晶的抗侵蚀性强得多。因 此，近年来世界各国加强了大结晶电熔镁砂的研究与开发。烧结法制得的大结晶 镁砂中方镁石平均尺寸为60〜200μm,而一般电熔镁砂中方镁石结晶尺寸为 200〜400μm，大结晶电熔镁砂可达700〜1500μm，甚至5000μm以上。表2-5给 出了大结晶镁砂和其他镁砂性能的比较。
表2-5各种电熔镁砂的性能对比
但对“大结晶”电熔镁砂，高振昕从显微结构角度提出了自己的观点。他 认为如果从纯度与晶体尺寸具有一定相关性考虑，要求大晶体以求较高纯度是合 理的，但大结晶有结构强度偏低的缺陷。这是因为，首先，大结晶解理发育充 分，易沿解理面开裂;其次，大结晶多为平直晶界，受力后也易发生沿晶开裂。 因此，用电熔镁砂制砖时在成型中容易使颗粒破碎。国外在生产高档镁质制品 时，常采用海水镁砂做大颗粒(2〜5mm),用电熔镁砂做中颗粒(0.1 ~ lmm), 可能就是为了避免电熔镁砂颗粒在成型过程中破碎。
以海水或卤水为原料，通过化学或热分解等方法制得MgO,然后高温煅烧得 到的镁砂称之为海水镁砂或卤水镁砂。海水镁砂或卤水镁砂的优点在于纯度高， 成分易于调节。
海水/卤水镁砂的生产主要利用了过饱和原理，即：将海水中的Mg2 +转变成 溶解度较小Mg(OH)2沉淀，将沉淀的Mg(0H)2与溶液分离后煅烧便可得到海 水/卤水镁砂。主要反应式如下：
(MgCl2,MgSO4) +Ca(OH)2—> Mg(OH)2 | + (CaCl2,CaSO4) (2-1)
Mg(OH)2——> MgO + H2O (2-2)
海水/卤水镁砂的主要显微结构特征为：晶体大小均匀，晶间多直接结合， 晶内多封闭气孔。因具有较多的晶界和微孔，相对于电熔镁砂而言，海水镁砂的 热震稳定性略好。图2-5为海水镁砂的显微结构。该镁砂晶体大小均匀，多在50 ~10μm之间，晶间多直接结合，晶内多封闭微孔。