菱镁矿作为我国重要的不可再生资源，长期开采高品位菱镁矿导致大量尾矿堆积。为解决这一问题，提高菱镁资源综合利用率，科研人员不断探索新方法。本文聚焦氧化镨在菱镁尾矿利用中的作用，通过一系列实验研究，揭示其对菱镁尾矿制备复相砂性能的影响，为菱镁尾矿的有效利用提供了新的思路和方向。

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菱镁尾矿现状与问题

菱镁矿是我国重要的不可再生资源，然而长期对高品位菱镁矿的开采，造成了大量尾矿堆积的问题。这些尾矿不仅占用了大量土地资源，还可能对环境造成污染。近年来，为了提高菱镁资源的综合利用率，解决尾矿堆积污染问题，科研人员积极探索将菱镁尾矿用作建筑材料、耐火材料、化工原料等途径。在浮选后高硅型菱镁尾矿中，镁硅比正处在镁硅二元相图镁橄榄石 - 氧化镁相区，具备合成两者复相砂的条件。但尾矿中存在大量CaO、Fe2O3等杂质元素，这些杂质易在材料晶间形成低熔点物相，导致材料性能不佳，从而限制了材料的应用效果。

为了改善菱镁尾矿制备材料的性能，科研人员需要寻找有效的添加剂。氧化镨（Pr6O11）具有理论密度高、熔点高、反应活性强的特性，在功能陶瓷领域可提升材料的致密度和力学性能。基于此，研究人员尝试用浮选后菱镁尾矿为原料，以氧化镨为添加剂，通过固相法制备镁橄榄石 - 氧化镁复相砂，期望通过氧化镨的作用改善材料的性能，提高菱镁尾矿的利用价值。

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原料制备过程

实验中所使用的氧化镨等试验原料的粒度小于0.044毫米，菱镁尾矿的中位粒径为4.27微米。其化学组成中，MgO占比为34.98%、SiO2占比为24.51%、Al2O3占比为2.47%、CaO占比为1.68%、Fe2O3占比为1.11%、灼减量为35.25%。制备镁橄榄石-氧化镁复相砂时，首先将浮选后菱镁尾矿细粉放置在马弗炉中升温至800℃，并保温3小时，冷却后取出。然后将质量分数为1%、2%、3%、4%的氧化镨分别加入菱镁尾矿细粉中，添加氧化镨的和没有添加氧化镨的尾矿细粉在行星式混练机以每分钟200转混合半小时后，以150兆帕压力制成底边为40毫米、长为200毫米的条状试样。

制成的试样在110℃干燥12小时后，在空气气氛下以每分钟5℃的速率从室温升至600℃，然后以每分钟3℃从600℃升至1200℃，再以每分钟2℃从1200℃升至1600℃，最后保温3小时，随炉冷却后得到烧成试样。之后用小型颚式破碎机将部分复相砂烧后试样破碎为颗粒，并筛分为不同粒度。为了评估试样的抗热震性，将烧后试样在1100℃空冷条件下热震3次，测量试样热震前后的常温抗折强度，计算抗折强度保持率，以此来表征抗热震性。

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物相识别与分析

对含氧化镨的试样进行 X 射线衍射分析可知，各试样的主晶相均为镁橄榄石（Mg2SiO4），次晶相为方镁石（MgO）和镁铝尖晶石（MgAl2O4）。观察各试样镁橄榄石主峰位置发现，镁橄榄石主峰位置均向左偏移。这是因为氧化镨会与镁橄榄石形成置换固溶体，较大半径的镨离子置换出镁离子，使镁橄榄石晶面间距增大，谱线向小角度偏移。当氧化镨含量大于2%时，试样中出现硅酸钙镨。

进一步分析氧化镨含量与试样中镁橄榄石、氧化镁和硅酸钙镨含量的关系发现，当氧化镨含量小于1%时，氧化镨会促进镁橄榄石合成；而氧化镨含量大于1%时，会消耗尾矿中的二氧化硅生成硅酸钙镨，从而减少镁橄榄石合成量。这表明氧化镨在不同含量下对镁橄榄石的合成有着不同的影响，需要进一步研究其最佳添加量，以实现菱镁尾矿的高效利用。

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显微结构与物理性能

检测不同含量氧化镨试样破碎后颗粒的体积密度和显气孔率，可以看出，随着氧化镨含量的增加，试样氧化镁体积密度先升高后降低，显气孔率先降低后升高。当氧化镨含量为2%时，试样体积密度最高，为每立方厘米3.03克；显气孔率最低，为5.4%。从试样扫描电镜照片可知，未含氧化镨的试样内有灰色光滑的氧化镁大颗粒、灰色纹理的镁橄榄石小颗粒，在镁橄榄石晶界处有低熔点钙镁橄榄石（CaMgSiO4）；含氧化镨的试样中，因发生固溶反应，镁橄榄石相中发现镨元素，镁橄榄石晶间亮白色的区域为硅酸钙镨。

菱镁尾矿原料中氧化钙与二氧化硅的摩尔比远小于1，在镁橄榄石晶间会产生钙镁橄榄石相，但在快冷时不会析晶。当氧化镨含量小于2%时，随着氧化镨含量增加，其与镁橄榄石相形成置换固溶体，由高价态的镨离子占据低价态的镁离子的点位，形成镁离子空位，使镁橄榄石缺陷增多，提供了晶界移动的驱动力，从而促进了镁橄榄石生成及晶粒长大。因此，随氧化镨含量增加，试样气孔数量减少、孔径减小，致密化程度提高，镁橄榄石晶粒的平均尺寸明显增大；当氧化镨含量大于 2%时，试样气孔孔径增大，致密化程度降低，镁橄榄石晶粒平均尺寸继续增大。在形成固溶体的同时，因稀土氧化物反应活性高，氧化镨优先与氧化钙以及二氧化硅反应生成硅酸钙镨。随着氧化镨含量再增加，生成的硅酸钙镨相和未参与反应的氧化镁相含量逐渐增多。由于硅酸钙镨、镁橄榄石和氧化镁均为高熔点矿物相，在1600℃难于烧结致密化，因此试样体积密度降低，显气孔率升高。

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性能测验与分析

测验烧后试样的常温抗折强度以及抗折强度保持率可知，随氧化镨含量增加，试样常温抗折强度先升高后降低，在氧化镨含量为2%时达到最大，为65.2兆帕。试样抗热震性则随氧化镨含量增加不断提高。其原因为试样显气孔率降低会使试样抗折强度提升，反之下降。对于抗热震性，耐火材料的抗热震性与晶间硅酸盐结合相有关。未加入氧化镨时，试样结合相为钙镁橄榄石；随着氧化镨加入，试样中结合相转为硅酸钙镨。因为钙镁橄榄石受热膨胀存在各向异性，温度波动时易产生内应力，会使镁质耐火材料热稳定性变坏。因此，氧化镨通过改变晶间结合相提升了试样的抗热震性。

通过对不同氧化镨含量试样的性能测验和分析，我们可以清晰地看到氧化镨对菱镁尾矿制备复相砂性能的影响。在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的氧化镨添加量，以获得性能最佳的材料。这不仅有助于提高菱镁尾矿的利用效率，还能为相关行业提供性能更优的耐火材料，推动行业的发展。

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实验结论

经1600℃烧后含氧化镨试样主晶相为镁橄榄石，次晶相为氧化镁和镁铝尖晶石。当氧化镨含量大于2%时，生成硅酸钙镨，且含量随氧化镨含量增加而增加。在菱镁尾矿中添加氧化镨，镨元素会置换镁橄榄石相中的镁元素，通过形成镁离子空位，促进镁橄榄石晶体长大；氧化镨比氧化镁更易与二氧化硅和氧化钙反应生成硅酸钙镨，净化了晶间杂质矿物相。烧后试样的抗热震性随氧化镨含量增加而提高。

随氧化镨含量增加，试样显气孔率先下降后上升，常温抗折强度先上升后下降。当氧化镨含量为2%时，试样综合性能最佳，其体积密度为每立方厘米3.03克，显气孔率为5.4%，常温抗折强度为65.2兆帕。这一实验结论为菱镁尾矿的有效利用提供了重要依据，通过合理添加氧化镨，可以显著改善菱镁尾矿制备材料的性能，实现菱镁资源的高效利用，同时减少尾矿堆积对环境的影响。