菱鎂礦作為我國重要的不可再生資源，長期開采高品位菱鎂礦導(dǎo)致大量尾礦堆積。為解決這一問題，提高菱鎂資源綜合利用率，科研人員不斷探索新方法。本文聚焦氧化鐠在菱鎂尾礦利用中的作用，通過一系列實驗研究，揭示其對菱鎂尾礦制備復(fù)相砂性能的影響，為菱鎂尾礦的有效利用提供了新的思路和方向。

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菱鎂尾礦現(xiàn)狀與問題

菱鎂礦是我國重要的不可再生資源，然而長期對高品位菱鎂礦的開采，造成了大量尾礦堆積的問題。這些尾礦不僅占用了大量土地資源，還可能對環(huán)境造成污染。近年來，為了提高菱鎂資源的綜合利用率，解決尾礦堆積污染問題，科研人員積極探索將菱鎂尾礦用作建筑材料、耐火材料、化工原料等途徑。在浮選后高硅型菱鎂尾礦中，鎂硅比正處在鎂硅二元相圖鎂橄欖石 - 氧化鎂相區(qū)，具備合成兩者復(fù)相砂的條件。但尾礦中存在大量CaO、Fe2O3等雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)易在材料晶間形成低熔點物相，導(dǎo)致材料性能不佳，從而限制了材料的應(yīng)用效果。

為了改善菱鎂尾礦制備材料的性能，科研人員需要尋找有效的添加劑。氧化鐠（Pr6O11）具有理論密度高、熔點高、反應(yīng)活性強(qiáng)的特性，在功能陶瓷領(lǐng)域可提升材料的致密度和力學(xué)性能?；诖?，研究人員嘗試用浮選后菱鎂尾礦為原料，以氧化鐠為添加劑，通過固相法制備鎂橄欖石 - 氧化鎂復(fù)相砂，期望通過氧化鐠的作用改善材料的性能，提高菱鎂尾礦的利用價值。

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原料制備過程

實驗中所使用的氧化鐠等試驗原料的粒度小于0.044毫米，菱鎂尾礦的中位粒徑為4.27微米。其化學(xué)組成中，MgO占比為34.98%、SiO2占比為24.51%、Al2O3占比為2.47%、CaO占比為1.68%、Fe2O3占比為1.11%、灼減量為35.25%。制備鎂橄欖石-氧化鎂復(fù)相砂時，首先將浮選后菱鎂尾礦細(xì)粉放置在馬弗爐中升溫至800℃，并保溫3小時，冷卻后取出。然后將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%的氧化鐠分別加入菱鎂尾礦細(xì)粉中，添加氧化鐠的和沒有添加氧化鐠的尾礦細(xì)粉在行星式混練機(jī)以每分鐘200轉(zhuǎn)混合半小時后，以150兆帕壓力制成底邊為40毫米、長為200毫米的條狀試樣。

制成的試樣在110℃干燥12小時后，在空氣氣氛下以每分鐘5℃的速率從室溫升至600℃，然后以每分鐘3℃從600℃升至1200℃，再以每分鐘2℃從1200℃升至1600℃，最后保溫3小時，隨爐冷卻后得到燒成試樣。之后用小型顎式破碎機(jī)將部分復(fù)相砂燒后試樣破碎為顆粒，并篩分為不同粒度。為了評估試樣的抗熱震性，將燒后試樣在1100℃空冷條件下熱震3次，測量試樣熱震前后的常溫抗折強(qiáng)度，計算抗折強(qiáng)度保持率，以此來表征抗熱震性。

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物相識別與分析

對含氧化鐠的試樣進(jìn)行 X 射線衍射分析可知，各試樣的主晶相均為鎂橄欖石（Mg2SiO4），次晶相為方鎂石（MgO）和鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）。觀察各試樣鎂橄欖石主峰位置發(fā)現(xiàn)，鎂橄欖石主峰位置均向左偏移。這是因為氧化鐠會與鎂橄欖石形成置換固溶體，較大半徑的鐠離子置換出鎂離子，使鎂橄欖石晶面間距增大，譜線向小角度偏移。當(dāng)氧化鐠含量大于2%時，試樣中出現(xiàn)硅酸鈣鐠。

進(jìn)一步分析氧化鐠含量與試樣中鎂橄欖石、氧化鎂和硅酸鈣鐠含量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化鐠含量小于1%時，氧化鐠會促進(jìn)鎂橄欖石合成；而氧化鐠含量大于1%時，會消耗尾礦中的二氧化硅生成硅酸鈣鐠，從而減少鎂橄欖石合成量。這表明氧化鐠在不同含量下對鎂橄欖石的合成有著不同的影響，需要進(jìn)一步研究其最佳添加量，以實現(xiàn)菱鎂尾礦的高效利用。

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顯微結(jié)構(gòu)與物理性能

檢測不同含量氧化鐠試樣破碎后顆粒的體積密度和顯氣孔率，可以看出，隨著氧化鐠含量的增加，試樣氧化鎂體積密度先升高后降低，顯氣孔率先降低后升高。當(dāng)氧化鐠含量為2%時，試樣體積密度最高，為每立方厘米3.03克；顯氣孔率最低，為5.4%。從試樣掃描電鏡照片可知，未含氧化鐠的試樣內(nèi)有灰色光滑的氧化鎂大顆粒、灰色紋理的鎂橄欖石小顆粒，在鎂橄欖石晶界處有低熔點鈣鎂橄欖石（CaMgSiO4）；含氧化鐠的試樣中，因發(fā)生固溶反應(yīng)，鎂橄欖石相中發(fā)現(xiàn)鐠元素，鎂橄欖石晶間亮白色的區(qū)域為硅酸鈣鐠。

菱鎂尾礦原料中氧化鈣與二氧化硅的摩爾比遠(yuǎn)小于1，在鎂橄欖石晶間會產(chǎn)生鈣鎂橄欖石相，但在快冷時不會析晶。當(dāng)氧化鐠含量小于2%時，隨著氧化鐠含量增加，其與鎂橄欖石相形成置換固溶體，由高價態(tài)的鐠離子占據(jù)低價態(tài)的鎂離子的點位，形成鎂離子空位，使鎂橄欖石缺陷增多，提供了晶界移動的驅(qū)動力，從而促進(jìn)了鎂橄欖石生成及晶粒長大。因此，隨氧化鐠含量增加，試樣氣孔數(shù)量減少、孔徑減小，致密化程度提高，鎂橄欖石晶粒的平均尺寸明顯增大；當(dāng)氧化鐠含量大于 2%時，試樣氣孔孔徑增大，致密化程度降低，鎂橄欖石晶粒平均尺寸繼續(xù)增大。在形成固溶體的同時，因稀土氧化物反應(yīng)活性高，氧化鐠優(yōu)先與氧化鈣以及二氧化硅反應(yīng)生成硅酸鈣鐠。隨著氧化鐠含量再增加，生成的硅酸鈣鐠相和未參與反應(yīng)的氧化鎂相含量逐漸增多。由于硅酸鈣鐠、鎂橄欖石和氧化鎂均為高熔點礦物相，在1600℃難于燒結(jié)致密化，因此試樣體積密度降低，顯氣孔率升高。

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性能測驗與分析

測驗燒后試樣的常溫抗折強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度保持率可知，隨氧化鐠含量增加，試樣常溫抗折強(qiáng)度先升高后降低，在氧化鐠含量為2%時達(dá)到最大，為65.2兆帕。試樣抗熱震性則隨氧化鐠含量增加不斷提高。其原因為試樣顯氣孔率降低會使試樣抗折強(qiáng)度提升，反之下降。對于抗熱震性，耐火材料的抗熱震性與晶間硅酸鹽結(jié)合相有關(guān)。未加入氧化鐠時，試樣結(jié)合相為鈣鎂橄欖石；隨著氧化鐠加入，試樣中結(jié)合相轉(zhuǎn)為硅酸鈣鐠。因為鈣鎂橄欖石受熱膨脹存在各向異性，溫度波動時易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，會使鎂質(zhì)耐火材料熱穩(wěn)定性變壞。因此，氧化鐠通過改變晶間結(jié)合相提升了試樣的抗熱震性。

通過對不同氧化鐠含量試樣的性能測驗和分析，我們可以清晰地看到氧化鐠對菱鎂尾礦制備復(fù)相砂性能的影響。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體需求選擇合適的氧化鐠添加量，以獲得性能最佳的材料。這不僅有助于提高菱鎂尾礦的利用效率，還能為相關(guān)行業(yè)提供性能更優(yōu)的耐火材料，推動行業(yè)的發(fā)展。

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實驗結(jié)論

經(jīng)1600℃燒后含氧化鐠試樣主晶相為鎂橄欖石，次晶相為氧化鎂和鎂鋁尖晶石。當(dāng)氧化鐠含量大于2%時，生成硅酸鈣鐠，且含量隨氧化鐠含量增加而增加。在菱鎂尾礦中添加氧化鐠，鐠元素會置換鎂橄欖石相中的鎂元素，通過形成鎂離子空位，促進(jìn)鎂橄欖石晶體長大；氧化鐠比氧化鎂更易與二氧化硅和氧化鈣反應(yīng)生成硅酸鈣鐠，凈化了晶間雜質(zhì)礦物相。燒后試樣的抗熱震性隨氧化鐠含量增加而提高。

隨氧化鐠含量增加，試樣顯氣孔率先下降后上升，常溫抗折強(qiáng)度先上升后下降。當(dāng)氧化鐠含量為2%時，試樣綜合性能最佳，其體積密度為每立方厘米3.03克，顯氣孔率為5.4%，常溫抗折強(qiáng)度為65.2兆帕。這一實驗結(jié)論為菱鎂尾礦的有效利用提供了重要依據(jù)，通過合理添加氧化鐠，可以顯著改善菱鎂尾礦制備材料的性能，實現(xiàn)菱鎂資源的高效利用，同時減少尾礦堆積對環(huán)境的影響。