重燒鎂砂
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鎂質耐火原料知多少?

2020-01-02 14:06:04

我國擁有得天獨厚的天然菱鎂礦資源,尤其在遼寧省,不僅菱鎂礦儲量、開采量全球一,而且鎂質耐火材料生產量、出口量均居世界首位。而依托資源優勢,我國企業生產鎂質耐火原料的主要產品包括輕燒氧化鎂、燒結鎂砂、電熔鎂砂等。在此文中,筆者就鎂質耐火原料及產品的開發曆程和生產現狀、存在問題進行了介紹和分析。

鎂質原料是指可用於生產鎂質耐火材料、鎂質化工材料、金屬鎂等產品的含鎂礦物,主要分為固體礦物如菱鎂礦、白雲石、水鎂石等和液體礦物如海水、鹽湖鹵水等。菱鎂礦是世界上最重要的耐火原料之一,主要用於煆燒輕燒氧化鎂(CCM)、燒結鎂砂(DBM)、電熔鎂砂(FM)等耐火原料,是生產鎂質耐火材料的基礎材料。

我國是世界菱鎂礦資源最為豐富的國家之一,主要分布在遼寧和山東等省,集中在遼寧省。目前遼寧省已查明的菱鎂礦儲量為34.13億噸,約占全國的85%和世界的20%。遼寧菱鎂礦儲量、開采量,以及鎂質耐火材料生產量、出口量均居世界首位。目前,遼寧已經地質勘查的礦區有12個,年開采MgO含量≥44%的特、一、二、三級礦石約1600萬噸,主要供省內生產企業使用。遼寧菱鎂礦屬於晶質礦,晶體顆粒大、難燒結。行標YB/T 5208-2004製定了MgO含量為33%~47%的天然菱鎂石標準。


輕燒鎂粉 (3).jpg


輕燒氧化鎂。目前,我國以菱鎂石為原料,通過反射爐輕燒加工為輕燒氧化鎂粉(CCM),數量大、用途廣。輕燒氧化鎂粉是一種十分重要的鎂質基礎原料,根據其不同的化學組成、粒度和性能分別應用於:壓球煆燒各種品位的燒結鎂砂(DBM),與Al2O3、CaO等不同含量的原料合成鎂鋁尖晶石砂、鎂鈣砂等複合材料,生產電熔鎂砂(FM,耐火級或電工級)、轉爐濺渣護爐鎂球等。上述產品主要用作耐火材料製品的原料。此外,這些產品還是鎂化工產品如輕質MgO、輕質MgCO3、鎂肥、鎂建材、飼料添加劑等的原料。

傳統的輕燒氧化鎂是用原礦石在反射爐中焙燒加工而成。采用反射爐生產輕燒氧化鎂曆經70年~80年的生存發展還未被淘汰,是因為該窯爐有其突出特點:工藝簡單、實用;投資少,上馬快,易操作;適合遼南地區菱鎂石特點。近十幾年來,該窯型生產工藝也進行了較大改進,主要表現在:改用清潔燃料,將原直接燒煙煤改為以簡易煤氣發生爐生產的煤氣作燃料進行焙燒,避免燃料灰分對輕燒氧化鎂汙染,基本解決了黑煙排放對環境的汙染,並提高了熱效率;對窯型進行改造,增大窯的容積,提高了產量,降低燃料單耗。

但是,我國以菱鎂石在反射爐焙燒生產輕燒氧化鎂粉仍存在以下問題:采礦活動簡單,人工分采;窯由人工操作,窯溫穩定性差,能耗高;入窯用塊礦,碎礦棄之,料耗高;煙氣未經處理,汙染環境;冷卻敞開式,勞動條件差,導致目前招工難;研磨設備落後,粒度控製差,最終產品質量低、波動大。

因此,我國輕燒氧化鎂生產必須實行從采礦-成品-包裝全過程控製,按用戶要求生產,研究和推廣先進輕燒氧化鎂焙燒技術和爐窯,推薦大型懸浮窯、多層爐(耗式爐MHK)用於輕燒和高效輕燒氧化鎂細磨設備。

燒結鎂砂。國標GB/T2273-2007規定了MgO含量83%~98%的適用於生產耐火材料用的各種燒結鎂砂的理化性能。從曆史發展看,燒結鎂砂還被稱為冶金砂、重燒鎂砂中檔鎂砂、高純鎂砂。

冶金砂。在我國一個五年計劃(1952年~1957年)期間,前蘇聯援建的我國一個生產堿性耐火材料工廠———鞍山鋼鐵公司大石橋鎂磚廠一期工程投產,製砂車間采用了礦石細磨、成球盤、爐箅機、回轉窯的半幹法工藝,生產冶金砂用於平爐燒結爐底和修補。隨著煉鋼平爐改為轉爐,該產品在上世紀90年代被淘汰。

重燒鎂砂。目前,我國燒結鎂砂總產量每年為400萬~450萬噸。沿襲行業習慣,燒結鎂砂大體可分為重燒鎂砂、中檔鎂砂、高純鎂砂。

20世紀80年代之前,在長達30多年的時間內,全國燒結鎂砂的生產主要由原鞍鋼大石橋鎂礦承擔,先後采用25立方米、32立方米、40立方米、47立方米和55立方米的豎窯,以焦炭為燃料,以塊狀菱鎂石為原料,采取一步煆燒和人工出料生產MgO含量92%的重燒鎂砂,為全國的煉鋼平爐用磚提供原料。

該工藝的缺陷是:礦石利用率低,細顆粒礦石不能利用;雜質含量高,焦炭中的灰分會對鎂砂造成汙染,使鎂砂的SiO2、Al2O3含量增加,MgO含量僅能保證在92%;連續操作性差,大塊菱鎂石礦受熱分解產生小顆粒礦黏附於窯壁,窯內物料易發生“結坨”,這都造成窯內料流及熱工製度的改變頻繁,導致停運事故無法實現機械化操作;鎂砂的致密度低,菱鎂礦在窯內預熱帶分解,釋放出CO2變成輕燒MgO,但其MgCO3“母鹽假象”依然存在,不利於鎂砂的進一步致密化,燒結鎂砂的體積密度僅僅介於每立方厘米3.0克~3.1克之間;汙染環境嚴重,菱鎂礦分解出大量的CO2和燃燒的煙氣夾雜著細小焦炭粒子及輕燒粉塵飛出窯外,汙染環境,高溫煙氣治理困難。

目前我國重燒鎂砂仍以二、三級礦石在固體燃料豎窯煆燒,鎂砂MgO含量90%~92%、體積密度每立方厘米在3.10克以上。重燒鎂砂是生產普通鎂質燒成磚及不定形耐火材料的主要原料,遼寧省目前年產量估計250萬噸;由於可以利用三級礦,產品價格低且有市場,目前難以淘汰。

中檔鎂砂。為了提高鎂砂的致密度和純度,我國耐火材料界開展了二步煆燒鎂砂的工藝研究和工業試驗。采用適合國情的新工藝、新流程,促進了燒結鎂砂生產的技術進步。20世紀80年代初期,海城鎂礦利用優質菱鎂礦石在反射爐輕燒,用雷蒙磨細磨,半幹法二段壓球,焦炭豎窯煆燒,生產出MgO含量≥95%、體積密度≥每立方厘米3.20克的中檔鎂砂。這一成果迅速推廣,形成年產幾十萬噸規模效益。此後該工藝被推廣用於生產合成鎂鈣砂等合成砂產品。

高純鎂砂。1980年,原冶金部礦山司組織實施“天然菱鎂礦製取優質高純鎂砂新工藝技術及高溫豎窯”課題,在海城鎂礦建設了年產0.7萬噸高純鎂砂中試生產線,針對大結晶菱鎂石難燒結特點,開發了菱鎂石輕燒、磨細、高壓壓球和死燒的二步煆燒新工藝,經數年攻關,達到了高純鎂砂MgO含量≥98%、體積密度每立方厘米3.30克的攻關目標。他們立足利用粉礦,采用了浮選工藝,又從歐洲引進年產5萬噸高純鎂砂生產線的關鍵設備:懸浮焙燒爐、輥式磨、高壓壓球機、高溫油豎窯等,自主攻關結合引進結束了我國沒有高純鎂砂的曆史。

立足於我國國情,現在高純鎂砂的生產工藝大多為:選用優質菱鎂礦,以在煤氣作為燃料的反射窯輕燒,將輕燒粉用雷蒙機細磨,用高壓壓機幹法壓球,最後在高溫油豎窯進行煆燒,生產MgO含量97%、體積密度介於每立方厘米3.25克~3.30克的高純鎂砂。該工藝裝備完全國產化,產品滿足了我國大部分高檔鎂質耐火材料所需鎂砂的要求,並有一定量出口。

電熔鎂砂。電熔鎂砂的發展是伴隨MgO-C磚生產技術發展而迅速發展的。優質MgO-C磚要求鎂砂不僅要有較高的純度和密度,而且要有較大的晶粒尺寸,而這種鎂砂通常由電熔工藝獲得。電熔鎂砂以菱鎂礦(製備普通電熔鎂砂)或輕燒MgO(製備大結晶電熔鎂砂)為原料在電熔爐熔融和緩慢冷卻而製得。其中低鐵(Fe2O3)大結晶電熔鎂砂又是電器元件中良好的填充絕緣材料。但由於生產電熔鎂砂消耗大量電能,屬於國家能源政策限製發展的產業,其發展將受到分類電價政策實施的衝擊。

如今,電熔鎂砂生產企業技術開發的重點是節能、提高菱鎂礦資源綜合利用和煙塵治理。主要技術措施有:開展製備電熔鎂砂綜合節能技術研究和煙塵治理、餘熱回收等等。遼寧省正采取相應的治理措施,總結經驗以解決電熔爐生產的煙塵汙染和鎂砂熔砣冷卻的餘熱回收。

同時,麵對菱鎂礦品位下降(MgO98品級電熔鎂砂MgO含量僅達97.2%)的問題,一些企業采用浮選工藝,以精礦粉與輕燒MgO壓球配礦石入爐電熔,不僅大幅降低電熔鎂砂單位電耗,而且高品位電熔鎂砂收獲率也相應提高。


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