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镁橄榄石的性质、分类及在耐火材料产品的应用

镁橄榄石理化性质
镁橄榄石的化学式为:Mg₂SiO₄,一般简写为M₂S。其熔点为1890℃,是MgO-SiO₂体系中最稳定的耐火相。镁橄榄石的晶体结构属于正交晶系,负离子配位多面体分别为硅氧四面体和镁氧四面体,其中硅氧四面体呈孤立分布,硅氧四面体之间由镁离子按镁氧八面体的方式链接。
在室温到熔化温度的温度梯度变化过程中,镁橄榄石没有同质异象转变,其理论化学组成为57.1%的MgO和42.9%的SiO₂。常见的橄榄石形态为粒状集合体或块状体,颜色为白色、浅黄或浅绿。硬度为6.5~7.0,密度为3.22-3.33g·cm⁻³,晶格能为17572.84J·mol⁻¹。
天然橄榄石
天然的镁橄榄石一般都是和铁橄榄石是伴生的,由于铁橄榄石的熔点为 1205℃,因此铁橄榄石的存在会影响了镁橄榄石的高温性能,降低其热震稳定性,并且由于 Mg2+和 Fe2+原子半径和性能相似,二者可以相互取代而形成共融化合物。
天然橄榄石质制品原料主要来源于橄榄岩、蛇纹岩、钝橄榄岩和滑石。这些矿产在世界各地都有广泛的分布,如美国、日本、挪威、意大利、巴西和墨西哥等。我国的镁橄榄石矿藏主要分布在湖北、陕西、河南、四川、江西、辽宁和河北等地,存储量极其丰富。
橄榄岩
橄榄岩属超基性岩架岩,它的主要矿物组成是橄榄石[2(MgFe)O·SiO2],并含有少量的尖晶石、磁铁矿、铬铁矿以及角闪石等。一般来说,当橄榄岩中的含量超过时,不宜作为耐火材料亦使用。
蛇纹岩
蛇纹岩是以蛇纹石矿物(3MgO·2SiO2·2H2O)为主要成分的岩石,它是橄榄岩的风化产物。蛇纹石的理论化学组成为MgO43%、SiO244.1%、H2O12.9%。蛇纹石的颜色主要有暗绿色、灰色、浅黄色油脂或錯状光泽,密度为2.0-2.6g·cm-3。纯橄榄岩是向蛇纹岩转变过程中的橄揽岩,它含有橄榄石和蛇纹石。
滑石
滑石的理论化学组成为3MgO·4SiO2·H2O。该矿物属单斜晶系,莫氏硬度为1.0-1.5,密度为2.7-2.8g·cm-3,呈片状或鳞片状结构,颜色为白色。
合成镁橄榄石
除天然原料,用于合成镁橄榄石的原料很多。
MgO源:菱镁矿、水镁石、烧结镁砂等,特别是含量较高的低品位菱镁矿尾矿;
SiO2源:天然桂石、河沙、桂微粉、桂线石、蓝晶石、红柱石及铁尾矿等。
镁橄榄石的合成
镁橄榄石的合成方法主要有:固相法、溶胶凝胶法、燃烧法、机械活化法。
(一)固相法
利用含MgO原料和含SiO2原料在高温下直接制备镁橄榄石。
固相合成方法简单、易实现,但固相间反应速度慢,反应过程较长且能耗较高。
影响因素
影响固相合成反应的因素主要有:原料种类、颗粒大小、加热温度、保温时间以及成型压力等。
(二)溶胶凝胶法
溶胶凝胶法的特点是制备的材料纯度高,合成温度低。
(三)燃烧法
利用反应热的自传导作用,使不同的反应物之间发生化学反应,在瞬间形成化合物的高温合成法。
(四)机械活化法
材料在机械力作用下产生晶格畸变和局部破坏,并形成各种缺陷,导致其内能增大,反应活性增强,从而可以实现材料在较低温度下烧结。
镁橄榄石的应用
镁橄榄石作为耐火材料被广泛应用于冶金、热工以及铸造行业。
在热工领域,镁橄榄石主要用于加热炉炉底、热风炉炉衬以及各种工业亩炉蓄热室的格子砖。
在铸造领域,由于镁橄榄石不含游离态,而被公认为是绿色环保型铸造材料,主要用于铸件造型材料使用。
在冶金领域,镁橄榄石主要作为连铸中间包内衬材料使用,少部分作为转炉和钢包修补材料使用。


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