镁渣物理化学性质的研究

徐祥斌， 曹慧君,2

(1.湖南化工职业技术学院， 湖南 株洲 412000；2.中南大学化学化工学院， 湖南 长沙 410083)



镁渣物理化学性质的研究

徐祥斌1， 曹慧君1,2

(1.湖南化工职业技术学院， 湖南 株洲 412000；2.中南大学化学化工学院， 湖南 长沙 410083)

硅热法炼镁是我国目前工业化生产镁唯一的方法，近年来我国镁生产规模不断扩大，产生的镁渣越来越多。本文对镁渣的松装密度、真密度、粒度分布及其化学组成进行测试，得到镁渣相应的基础数据，为工程设计以及进一步研究提供参考。

硅热法； 镁渣； 松装密度； 真密度； 粒度分布； 化学组成

1 试验的目的与意义

上世纪90年代中后期开始，我国镁冶炼产业

迅速发展，连续多年稳居世界第一大镁生产国和出口国[1]，表1列出了我国近年来原镁的产量数据[2-4]。

表1我国近年来原镁的产量

单位2006年2007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年原镁产量万t52.467.055.8050.1865.3866.0673.2776.9787.38同比增长%11.627.9-15.36-10.230.291.043.473.6512.71

目前我国原镁生产全都采用硅热法，这种方法每生产1 t原镁，约产生5.5 t镁冶炼渣[5](以下简称镁渣)。镁作为一种小金属，加之其生产能耗高、污染大，且近几十年来硅热法炼镁几乎都是国内的企业，所以对镁冶炼及镁渣的研究基本都集中在国内。

虽然国内对于镁渣有较多的研究，但多集中在镁渣的应用方面[6]，如用镁渣作为路用材料[7]等，目前还未见对镁渣物理化学性质系统研究的相关文献报道，有关镁渣物理化学性质的数据也极少。由于缺乏这些数据，很多与镁渣相关的工程设计或生产，都是估计数值，但估计数据常常不准确。

另外，传统的对镁渣的应用研究中，都是将镁渣不加区分整体直接利用。然而不同粒度的镁渣无论其物理性质还是化学组成是有区别的。

笔者拟通过一系列的试验，获得镁渣相关的物理化学性质数据，为更有效地综合利用镁渣提供参考。

2 试验

2.1 样品来源

本试验所采用的镁渣取自山西某大型镁冶炼企业，其采用典型的硅热法炼镁生产工艺。镁渣自还原罐出口被人工扒出后，自然冷却至约200 ℃，称取相应部位的镁渣装入金属容器中，随即密封，然后将多个取样罐整体再次密封。在取样及样品运输过程中，除样品冷却时与空气接触外，其余时间样品均密封良好。

该镁渣为一种灰色物质，具有类似水泥的颜色，无气味，粒度在0～10 mm之间，略粘手。

2.2 镁渣松装密度的测定

松装密度是一个比较重要而又显性的物理性质，该参数非常重要，直接关系到镁渣堆场及储仓的设计，该数据在国内外的文献中未见报道过。

对于所采用的镁渣取样及密封方式，可以认为在样品运输、储存中基本不存在吸湿的条件，故试验前未进行干燥处理。

仪器设备：100 mL、200 mL、500 mL、1 000 mL玻璃烧杯各1个，电子天平(最大称量2 kg，精度0.1 g)1个，取样勺1个。

试验步骤：

(1)先用电子天平分别准确称出4个玻璃烧杯各自的重量；

(2)用取样勺将镁渣分别装入4个烧杯，并将镁渣抹平直至与各自烧杯的最大刻度线平齐，抹平过程中不压实、不震荡；

(3)称取承装镁渣烧杯的重量，计算得到镁渣的松装密度。

镁渣松装密度试验结果如表2所示。

根据试验结果，计算得到镁渣松装密度平均值为1.15 g/cm3。对该数据进行分析，使用t分布函数，显著性水平α=0.05，得到镁渣的密度区间估计值为1.15±0.05 g/cm3。

表2镁渣松装密度试验结果

烧杯容量/mL烧杯净重/g烧杯+镁渣重量/g镁渣松装密度/g·cm-310032.3143.31.1120051.7277.71.1350087.5677.51.181000153.61323.61.17

2.3 镁渣真密度的测定

在已知体积的容器内加入试样，密闭容器后通入一定量的氮气，用压力传感器测出容器内压力，然后将容器内的气体向另一已知压力和体积的容器扩散，用压力传感器测出两个连接容器的平衡压力，根据气体定律得出试样的真实体积，然后用试样质量除以体积计算出真密度[8]。

试剂：高纯氮气，纯度99.99%。

仪器设备：真密度仪，天平(精度0.1 mg)，制样机，振筛机，230目筛(筛网孔径63 μm)，干燥箱。真密度仪结构示意图见图1。

图1 真密度仪结构示意图

试验步骤：

(1)用制样机将镁渣磨细至过230目筛；

(2)为避免制样过程中镁渣吸湿，将磨制完成的镁渣放入干燥箱中，在110 ℃下干燥2 h；

(3)称取约10 g的试样，并记录样品重量；

(4)将样品放入真密度测定仪，直接读取数据；

(5)重复5次试验，取平均值。

镁渣真密度测定结果如表3所示。

表3 镁渣真密度测定结果 g/cm3

由试验得到，镁渣密度的平均值为2.89 g/cm3，同样使用t分布函数进行分析，显著性水平α=0.05，可得到镁渣的密度区间估计值为2.89±0.03 g/cm3。

2.4 镁渣粒度的分布

镁冶炼生产过程中使用的是压制成的球团，反应为固-固反应，是一个缩核反应[9]，还原反应结束后，镁渣中都存在一个未反应完全的核，形态大小不一。理论上镁渣的化学成分与其粒度有一定的关系，故对镁渣的粒度组成进行测定，并分析不同粒度下镁渣的成分。

仪器设备：样品铲，筛网一套(6目、18目、60目、100目、200目、325目)，振筛机，天平(精度0.01 g，最大称重200 g)。

试验步骤：

(1)将样品混匀后，准确称取200 g镁渣，加入振筛机中；

(2)打开振筛机，震动15 min；

(3)测定各个筛网上的重量；

(4)重复试验取平均值，各个样品留存放入干燥器中下一步试验使用。

镁渣粒度分布试验结果见表4。

由表4可以看出，镁渣粒度主要分布在+100目的范围内，其粒度组成略小于硅热法炼镁所要求[8]的原料粒度组成。

表4镁渣粒度分布情况

单位+6目-6～+18目-18～+60目-60～+100目-100～+200目-200～+325目-325目第1次试验g43.6627.9567.4251.464.130.482.01第2次试验g30.123.5557.3165.913.72.217.07平均值g36.8825.7562.3758.688.921.3454.54占百分比%18.446.4415.6014.674.460.672.27

2.5 镁渣不同粒度下化学成分的测定

对不同粒度下镁渣的化学组成进行测定，可以得到采用筛分法初步分离镁渣中各种不同成分的依据。本试验采用X荧光光谱分析法对镁渣的化学成分进行测定。

样品和试剂：表4制备得到的样品，四硼酸钠。

仪器设备：X荧光光谱分析仪，熔样炉，白金坩埚。

镁渣各粒度下化学成分测定试验结果见表5。

对表5中数据进行分析，可以发现：

表5 镁渣各粒度下的化学成分 %

(2)CaO、SiO2的含量随着粒度变小而逐渐升高，根据文献[10]，镁渣中的CaO、SiO2是以2CaO·SiO2的形式存在，并且反应越彻底，生成的2CaO·SiO2量越多；

(3)含量随粒度变化不明显的是SO3、Fe2O3等，硅热法炼镁过程中，这些元素不参与反应，所以其含量与粒度的关系不大。

3 结论

(1)镁渣的松装密度平均值为1.15 g/cm3，在显著性水平α=0.05的情况下，镁渣的密度估算区间值为1.15±0.05 g/cm3；

(2)镁渣的真密度约为2.89 g/cm3，在显著性水平α=0.05的情况下，镁渣的密度估计区间值为2.89±0.03 g/cm3；

(3)镁渣的粒度分布主要集中在+100目范围内，并且有一定的规律可循；

(4)镁渣的化学成分随其粒度不同而变化，有些元素的含量变化较为显著。

本试验仅对镁渣的部分物理化学性质进行了测定，诸如导热性、热容、物相组成等有待于后续研究。对镁渣基础性研究有助于更好地利用镁渣。

[1] 吴小娟,王志宏,杜文博等.镁工业的环境协调性发展[J].中国建材科技,2007，(5)：46-48.

[2] 孟树昆,吴秀铭,徐晋湘.《2007年镁工业发展报告》[R].2008.

[3] 孟树昆,吴秀铭,徐晋湘.《2011年镁工业发展报告》[R].2012.

[4] 孟树昆,吴秀铭,徐晋湘.《2014年镁工业发展报告》[R].2015.

[5] 杨重愚.轻金属冶金学[M].北京:冶金工业出版社,1991.

[6] 徐祥斌,罗序燕,李长勇.硅热法炼镁生产过程中镁渣的无公害化处理[J].中国镁业,2010，(3):21-26.

[7] 范立卫,王莸琳.金属镁渣在水泥生产中的应用研究[J].四川水泥,2000，(3):8-10.

[8] 韩藏娟,程水明,伍书军.真密度的检测方法[J].理化检验-物理分册,2013，(3):166-170.

[9] 徐日瑶.硅热法炼镁理论与实践[M].长沙:中南工业大学出版社,2002.

[10] 曹慧君,张爱芬,马慧霞等.X射线荧光光谱法测定铜矿中主次成分[J].2010,30(10):20-24.

Research of physicochemical property of magnesium slag

XU Xiang-bin, CAO Hui-jun

At present, silicothermic process is the only method to produce industrial magnesium in China. In recent years, the output of magnesium slag is increasing in accompany with the expansion of magnesium capacity. This paper provides some basic data of magnesium slag by testing the bulk density, real density, particle size distribution and their chemical compositions. These data provide reference for the engineering design and further research.

silicothermic process; magnesium slag; bulk density; real density; particle size distribution; chemical composition

徐祥斌(1980—)，男，江西宜春人，硕士，讲师，主要从事有色金属冶炼方面的教学和研究工作。

湖南省科技厅资助项目(2014SK3189)；湖南化工职业技术学院院级项目(HNHY2013003)

2015-12-15

2016-07-08

TF803.13+<2 [文献标志码]="" b="" class="emphasis_bold">2 [文献标志码] B [文章编号] 1672-6103(2016)05-0073-042 [文献标志码]="" b=""

1672-6103(2016)05-0073-04

B [文章编号] 1672-6103(2016)05-0073-04