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合成鎂白云石砂是指用含MgO和CaO的原料，按MgO75%左右、CaO8%25%的配比，經高溫煅燒而得到的以方鎂石和方鈣石為主晶相的堿性耐火原料。合成鎂白云石砂是生產鎂白云石燒成磚和鎂白云石碳磚的主要原料。鎂白云石砂的抗侵蝕能力和抗水化能力均優(yōu)于白云石砂。

MgO-CaO系中提高MgO含量的作用：

1.提高抗水化能力

白云石砂中，以方鈣石為主晶相，方鎂石次之，形成方鎂石分散于方鈣石中即方鈣石將方鎂石包圍的顯微結構。方鈣石以及游離CaO的活性比方鎂石大，易與空氣中的水分反應，使白云石砂或白云石質耐火制品發(fā)生粉化或崩裂。

圖1 MgO-CaO系熟料的水化增重率

在白云石中(或其它含鈣原料中)加入MgO，形成以方鎂石為主晶相，方鈣石次之的鎂白云石砂。在鎂白云石砂中，隨溫度升高，方鎂石晶體由粒狀、圓粒狀到多邊形，結晶尺寸不斷長大，MgO-MgO晶體間直接結合程度增加，形成以方鎂石為基底，方鈣石呈粒狀、不規(guī)則狀均勻充填在方鎂石晶體之間空隙內的結構，即方鈣石細晶被方鎂石晶體所包圍。這樣就封閉了方鈣石與水或水蒸氣接觸的通道，其抗水化能力與白云石砂相比大大提高。圖8-10為MgO-CaO系熟料抗水化能力的對比情況。

2.提高抗爐渣侵蝕性能

鎂白云石碳磚是鎂白云石砂的主要用途之一。鎂白云石碳磚作為轉爐爐襯具有良好的抗爐渣侵蝕性能，這與鎂白云石砂的組成與結構有關。在轉爐煉鋼初期，襯磚主要受酸性爐渣(SiO2)的侵蝕，鎂白云石砂中CaO的活性比MgO大，因而首先與渣中的SiO2反應生成熔點較高的硅酸二鈣(C2S)和硅酸三鈣(C3S)，并使渣的粘度增大，阻止爐渣繼續(xù)向襯磚深部侵入，減緩了爐渣與主晶相方鎂石的反應。隨著冶煉的進行，CaO的不斷溶解，爐渣逐漸由酸性變成堿性，此時FeO成為爐襯被侵蝕的主要原因，但MgO與FeO能形成連續(xù)固溶體、與Fe2O3可形成有限固溶體，即MgO具有較高的抗FeO和Fe2O3侵蝕能力。

鎂白云石砂具有較強的抗侵蝕能力也與其結構中方鎂石、方鈣石直接結合程度較高，使低熔點礦物C2F和C4AF孤立地充填于主晶相的夾角處有關。

圖2為堿性轉爐襯磚中MgO含量與爐渣侵蝕的關系。這是在特定的抗渣性檢驗中得到的典型數(shù)值，可見含MgO較高的磚一般顯示出較佳的抗渣性，這主要與易于被含氧化鐵渣爐侵蝕的氧化鈣含量較少有關。

圖2 堿性轉爐襯磚中MgO含量與爐渣侵蝕的關系

3. 提高高溫強度

在鎂白云石砂中，高熔點的方鎂石、方鈣石各自和相互之間為直接結合，使高熔點晶相的優(yōu)良性能得以充分發(fā)揮而具有良好的高溫強度。據(jù)英國W.C.吉平爾的研究，用1600℃和1800℃(保溫1小時)高溫煅燒的MgO-CaO系熟料，根據(jù)其中的MgO含量不同，斷裂模量與變形量是有相當變化的，如圖3所示。1600℃燒成的MgO-CaO砂，MgO含量為70%時，強度達到最大值，但當MgO含量進一步提高時，由于燒結不良，強度反而下降;1800℃燒成的MgO-CaO砂，強度隨MgO含量提高而增加。

圖3 MgO含量與物理性能

日本對MgO-CaO系熟料的燒結性能研究指出，MgO越高、Fe2O3+SiO2含量越低，1400℃時的高溫強度越高;MgO含量在50%70%的鎂白云石砂，高溫強度幾乎相同。如果人為地減少低熔雜質，并經高溫燒成，熟料中的方鈣石結晶變得粗大，易于水化，但對高溫強度無明顯影響。

4.鎂白云石砂中MgO含量

在鎂白云石砂中，方鈣石晶體尺寸遠較方鎂石小，方鈣石呈細小的晶粒充填在方鎂石晶體間隙之中，類似于球體的緊密堆積情況。

由球體緊密堆積原理可知，無論是六方最緊密堆積還是立方最緊密堆積，球體(相當于方鎂石)所占空間為74.05%，空隙(相當于以方鈣石充填)所占空間為25.95%。在實踐中也得出，鎂白云石砂中MgO含量在75%左右，CaO含量在20%25%時具有高的體積密度和低的氣孔率。表1為MgO含量與合成鎂白云石砂體積密度情況。

表1 鎂白云石砂的化學成分與體積密度

在鎂白云石砂的生產與使用中，根據(jù)原料種類、成分和對使用性能的要求不同，可以改變MgO/CaO的比例。

關于在白云石原料中添加MgO，也有從CaO-MgO-SiO2系相圖的研究中得出結論(見圖4)，如果白云石的成分點位于C2S與MgO連線(即阿基馬德線)之下區(qū)域，不必追求過高的MgO含量，因為它們耐火度上無明顯差別;如果成分點位于C2S-MgO連線以上區(qū)域，則MgO含量愈高，對高溫性能愈有利。

圖4CaO-MgO-SiO2三元相圖