烧结镁砂所用的原料为有一定粒度要求的天然菱镁矿石或经选矿提纯的菱镁石精矿粉。根据原料的烧结特性和对镁砂的技术要求的不同，镁砂的生产有一步锻烧和二步煅烧工艺。
一步锻烧：采用有一定粒度的菱镁矿石，以焦炭或其它无灰燃料在竖窑或回转窑中锻烧至1600℃以上，出窑后经拣选而得到烧结镁砂。由于焦炭灰分中SiO2的污染，镁砂中SiO2含量增加2%左右。
二步锻烧：以菱镁矿石或精矿粉为原料，首先使用无灰燃料在回转窑、或悬浮焙烧窑、或多层炉、或沸腾炉、或反射炉内经1000℃左右的轻烧(第一步)，形成活性很大的轻烧镁粉。有时在轻烧后还考虑对轻烧镁粉进行细磨。对轻烧镁粉进行压球，再将球坯在竖窑或回转窑中以无灰燃料锻烧至1800℃以上死烧(第二步)，而得到高密度的镁砂。
第一步通常是为了完成某种化学反应或者提高原料的反应活性；第二步是为了完成烧结过程以达到理想的密度与显微结构。第二步的死烧系固相反应，体积扩散是主要烧结机理。二步缎烧工艺中的死烧温度可比一步法降低100～200℃，同时镁砂的体积密度也较高。结果对比列于表4-21中。
表4-21 煅烧工艺对镁砂质量的影响
煅烧工艺 一步煅烧 二步煅烧 MgO % 93~96 96~98
SiO2 % 2~4 0.25~0.6 体积密度 g2㎝-3 3.08~3.30 3.42~3.48 （二）烧结镁砂的品种
除普通镁砂、中档镁砂外，经常提到的还有高纯镁砂、大结晶镁砂、镁钙砂(高钙镁砂)、镁硅砂(高硅镁砂)以及镁钙铁砂等。这些品种并不是截然分开的，比如有些高纯镁砂本身的方镁石结晶尺寸较大，又可算作大结晶镁砂。
普通镁砂的MgO含量通常为87%～95%，颗粒体积密度≤3.30g2㎝-3，SiO2含量≤2%，Fe2O3<10%。其中的方镁石结晶20～100μm。普通镁砂一般以菱镁矿为原料，由于杂质含量较多，多采用一步锻烧法工艺。
中档镁砂，因压球成型又称球砂，其MgO含量通常为94%～97%，颗粒体积密度≥3.30 g2㎝-3。其中的方镁石结晶20～120μm。优质镁砂通常也以菱镁矿为原料，采用二步锻烧法工艺。
高纯镁砂是相对于普通镁砂而言的。它经常用特级菱镁矿、菱镁石精矿粉或海水Mg(OH)2经二步锻烧工艺制成。对高纯镁砂的质量的要求是：①镁砂中MgO≥98％，SiO2含量小于0.4%，尤以小于0.1%者为佳。由于杂质少，方镁石晶间无硅酸盐相，经高温死烧而形成直接结合。②体积密度的要求一般在3.35～3.40g2㎝-3以上。体积密度是评价镁砂质量很重要的指标，可以反映出镁砂的烧结程度。③高纯优质镁砂CaO/SiO2比值应不小于2。CaO/SiO2比值较低时，镁砂烧结时易产生低熔点相，形成包围方镁石晶粒的液膜，阻碍直接结合的形成；比值大于2时，则形成C2S和C3S等高熔点矿物。⑤形成大结晶方镁石。镁砂中方镁石晶体尺寸10μm，镁砂质量一般；60μm的比较好；对于优质产品来说应不小于100μm；150～200μm的质量最好。
国家标准GB 2273-1998对耐火材料用各等级烧结镁砂性能指标的规定，高牌号的烧结镁砂对CaO/SiO2比值要求不小于2，见表4-22。
表4-22 烧结镁砂的性能指标
牌号 化 学 成 分 / % MgO ≥ SiO2 ≤ CaO ≤ LOI ≤ CaO/SiO2 摩尔比 颗粒体积密度 /g2㎝-3 ≤ MS98A MS98B MS98C MS97A MS97B MS97C MS96A MS96B MS95A MS95B MS93A MS93B MS90A MS90B MS87.0 MS84.0 MS88.0 MS83.0 97.7 97.7 97.5 97.0 97.0 97.0 96.0 96.0 95.0 95.0 93.0 93.0 90.0 90.0 87.0 84.0 88.0 83.0 0.3 0.4 0.4 0.5 0.6 0.8 1.0 1.5 2.0 2.2 3.0 3.5 4.0 4.8 7.0 9.0 4.0 5.0 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 2.0 2.0 2.0 5.0 5.5 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.50 0.50 0.50 0.80 ≥3 ≥2 ≥2 ≥2 ≥2 3.40 3.35 3.30 3.40 3.35 3.30 3.30 3.25 3.25 3.20 3.20 3.18 3.20 3.18 3.20 3.20 注：①MS88及MS83牌号为冶金用烧结镁砂。
镁铁砂(高铁镁砂)由高钙菱镁矿(CaO<6%)加入铁精矿或铁鳞经高温锻烧而成，主要用于电炉修补料。镁铁砂呈赤褐色、黑褐色，块状，密度3.58～3.61g2㎝-3，MgO在68%～78％，Fe2O3大于或等于10％，SiO2小于5%。镁铁砂中方镁石67%～72%，铁酸二钙10%～15%。铁酸二钙的溶液粘度很低，能够良好地润湿方镁石，在用于烧结平炉炉底时易于使炉底烧结成整体，寿命大幅度提高。
三、电熔镁砂
电熔镁砂是由天然菱镁矿、轻烧镁粉或烧结镁砂在电弧炉中高温熔融而成的碱性原料。其体积密度、抗侵蚀性及化学惰性均优于烧结镁砂，用于镁质及镁碳质耐火材料。
大多数的电熔镁砂都是由高品位的天然菱镁矿或轻烧镁粉为原料。电炉弧与生产电熔刚玉等其它电熔原料的一样，有固定式和倾动式。原料在电弧炉中熔融后进行自然冷却，使方镁石晶体从熔体中结晶、长大。冷却速度应减缓，因为方镁石晶体尺寸受冷却条件的影响，快速冷却会导致较小的方镁石晶体尺寸。冷却后除掉大块上的欠熔料，欠熔料可再返回电弧炉。
由于采用纯度较高的原料，硅酸盐杂质含量低，因此电熔镁砂中方镁石的直接结合程度高，能充分地发挥出方镁石的良好性能。由于使用时熔渣是从方镁石的晶界开始侵蚀的，因此大结晶电熔镁砂要比烧结镁砂中方镁石微晶抗侵蚀性强得多。烧结法制得的大结晶镁砂中方镁石平均尺寸为60～200μm，而一般电熔镁砂中方镁石结晶尺寸200～400μm，大结晶电熔镁砂可达700～1500μm，甚至5000μm以上（见表4-23）。行业标准规定的电熔镁砂产品理化指标见表4-23。
表4-23 电熔镁砂产品理化指标
牌号 FM990 FM985 FM980 FM975 FM970 FM960 化学成分 /% MgO≥ 99.0 98.5 98.0 97.5 97.0 96.0 SiO2≤ 0.3 0.4 0.6 1.0 1.5 2.2 CaO≤ 0.8 1.0 1.2 1.4 1.5 2.0 Fe2O3≤ 0.3 0.4 0.6 0.7 0.8 0.9 Al2O3≤ 0.2 0.2 0.2 0.2 0.3 0.3 颗粒体积密度，g2㎝-3 ≥ 3.5 3.5 3.5 3.45 3.45 3.35 四、白云石
白云石是以碳酸钙和碳酸镁的复盐为主要成分的耐火原料。白云石的化学式为CaCO32 MgCO3，含CaO30.4%、MgO21.7%，CaO/MgO的比值接近1.39，属三方晶系，密度2.8~2.9 g2㎝-3；与滑石等伴生而有SiO2、Al2O3、Fe2O3等杂质。作为耐火原料其杂质含量要求小于2~3%。CaO/ MgO的比值小于1.39的白云石称为镁质白云石，是天然菱镁矿与白云石的混合体；比值大于1.39称为钙质白云石，是方解石与白云石的混合体。其中镁质白云石是生产镁白云石砂的主要原料之一，辽宁大石桥的储量达1.4亿吨；另外白云石也分布在河北玉田、四川渡口等地。
白云石加热分解时约在790℃及940℃其差热曲线上各有强吸热谷出现。约1000℃烧成的白云石称为轻烧白云石，其化学活性强，遇水反应生成氢氧化镁和氢氧化钙。
五、白云石熟料
白云石熟料，又称白云石砂、镁白云石砂，用天然或人工合成镁和钙的碳酸盐或氢氧化物经煅烧后形成致密均匀的氧化钙和氧化镁混合物。白云石砂的主晶相是方钙石和方镁石，占总量的90~97%，其它矿物有硅酸钙，低熔点矿物为C4AF和C3A。
白云石砂的生产方式主要有以下几种： （一）一步法煅烧法
将天然矿石在高温竖窑直接锻烧。矿石的烧结性将极大地影响白云石砂的质量，易烧的矿石一般要求白云石结晶较小、杂质均匀分布、杂质含量适中(1.0士0.4%)。一步法是欧洲国家大量制造白云石砂的主要工艺，但我国因受高温设备条件的限制，目前要得到优质白云石砂并不容易。添加Fe2O3、CeO2、La2O3、ZrO2等有益于白云石的烧结，对白云石砂耐火度影响不大，可使白云石在1600～1650℃完成致密化。但存在生坯收缩大、产量低能耗高(对白云石要破粉碎等)、烧成操作不稳定等问题；同时以此砂制得的制品易发生过烧瓷化，使用时制品的热端也容易因致密化而剥落。这一工艺仍需进一步完善提高。
（二）二步锻烧法
二步锻烧法是先将白云石等轻烧，经水化或磨细后高压压坯或成球后入高温窑缎烧，是目前合成镁白云石熟料的主要方法。所用原料为菱镁矿、镁白云石、白云石和消石灰等。二步法烧成温度比一步法低，烧成操作稳定，熟料密度高，CaO/MgO的比值可在较大范围灵活调整，是获得优质白云石砂的主要工艺。
（三）电熔法
白云石砂也可以用电熔法制得。电熔白云石砂具有较高的纯度，方镁石分散于方钙石中，
方镁石-方钙石、方钙石-方钙石、方镁石-方镁石之间为直接结合，胶结物极少，方钙石和方镁石的晶体尺寸比烧结白云石中的大。电熔白云石砂的抗化学侵蚀能力比烧结白云石强。我国目前生产电熔白云石砂仍以台式炉为主，熔块成分及结构不均匀，呈蜂窝状结构，每炉产品除有品质较好的优质砂之外，还有大量的次品砂。最好采用倾动式电炉以改善电熔砂的组织结构，争取多出优质砂。电熔白云石砂用于制作炼钢转炉的镁钙碳砖，取得了较好的效果。
白云石砂的一般性能列于表4-24中。
表4-24 白云石砂的性能
种类 化 学 成 分 / % CaO 24~26 烧结砂 31~33 55~57 电熔砂 25.18 MgO 71~73 62~64 39~41 71.49 Fe2O3 ≤1.0 ≤3.0 ≤0.6 0.19
Al2O3 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.4 0.88 SiO2 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 0.98 体积密度 /g2㎝-3 ≥3.25 ≥3.25 ≥3.25 3.37 第七节 尖晶石质原料
尖晶石质原料是指以尖晶石族矿物为主要矿物组成的耐火原料。其化学通式为AO2R2O3。相当于AO的是MgO、FeO，相当于R2O3的是Cr2O3、Al2O3、Fe2O3等。它们可以相互组合形成不同的尖晶石矿物。其中熔点在2000℃以上的有镁铝尖晶石、镁铬尖晶石。
一、镁铝尖晶石
镁铝尖晶石的化学式为MgO2Al2O3，简写MA，理论含MgO28.3%，Al2O371.7%。立方晶系，体积密度3.58g2㎝-3，莫氏硬度8，熔点为2135℃，导热系数（1000℃）为5.82W/（m2K）,线膨胀系数(20~1000℃)为7.6310-6℃-1。镁铝尖晶石具有良好的抗侵蚀能力，热震稳定性好。
（一）镁铝尖晶石的组成与种类
镁铝尖晶石是MgO-Al2O3二元系中唯一的二元化合物。它与MgO、Al2O3之间彼此都能部分固溶，形成有限固溶体。在Al2O3富余的组成中形成刚玉固溶尖晶石；在MgO富余的组成中则形成方镁石固溶尖晶石。最大固溶度发生在MA-Al2O3和MgO-MA两个分系的低共熔温度，分别为1925℃和1995℃。
MgO与Al2O3按理论组成形成尖晶石时会产生约8%的体积膨胀，因而烧成时较难致密化，而与MgO或Al2O3产生共溶时要容易一些；固溶MgO或Al2O3的尖晶石由于矿物之间膨胀系数的差异，其热震稳定性更好。因而工业上生产的尖晶石多为富镁尖晶石或富铝尖晶石。在学术上把组成接近于理论组成的尖晶石称为真尖晶石。
按尖晶石的合成方法，可分为烧结尖晶石、电熔尖晶石和活性尖晶石，此外还有高密度尖晶石。顾名思义，烧结尖晶石和电熔尖晶石分别是用烧结和电熔方法生产的；活性尖晶石也是用烧结法合成的，但不同于烧结尖晶石，它的合成温度较低(1200～1300℃)，混合料并未完全转变为尖晶石，而含有少量的游离a-Al2O3和/或游离MgO，它主要用于做尖晶石耐火材料的基质或生产高密度尖晶石；高密度尖晶石的体积密度一般大于3.40g2㎝-3，通常由
活性尖晶石粉经压球或压坯，在1700℃左右的高温下烧结而得。
（二）镁铝尖晶石的合成 1.烧结镁铝尖晶石
烧结尖晶石用原料有轻烧镁粉、氢氧化镁、碳酸镁、工业氧化铝、氢氧化铝、特级铝矾土等。
合成镁铝尖晶石的配比，即MgO/Al2O3比值(摩尔比)直接影响合成砂的性能。研究表明，MgO/Al2O3比值大于1时，随MgO/Al2O3比值的增大，尖晶石砂的颗粒体积密度和气孔率逐渐增加；当MgO/Al2O3比值小于1时，随MgO/Al2O3比值的降低，尖晶石砂的颗粒体积密度和气孔率也逐渐增加。MgO/Al2O3为1左右时，体积密度最小。通常MgO/Al2O3比值大于1，即富镁尖晶石结构较为致密。从使用的角度讲，MgO/Al2O3比值增大，熟料的脆性减弱，制成的制品热震稳定性较好；但富铝尖晶石(MgO/Al2O3小于1)中的富余Al2O3与渣相反应，生成C2AS、CA2、CA6等矿物，增大渣的粘性，能抑制渣的侵蚀。
实际生产中，合成尖晶石的MgO/Al2O3比值应根据其用途而定。富镁尖晶石通常用于代替铬铁矿，与镁质原料配合，制造碱性耐火砖，用做大型水泥窑的窑衬；富铝尖晶石则常与Al2O3质原料配合制造钢包浇注料。而当采用天然原料(铝矾土等)合成镁铝尖晶石时，为避免出现假蓝宝石、堇青石等低熔物相，一般宜采用富镁的配比。
首先将MgO原料与含Al2O3原料进行共同混磨，混磨细度是关键的工艺参数。以锻烧氧化铝和烧结氧化镁为原料合成镁铝尖晶石时，若在1680℃烧成，则原料必须粉磨至小于0.04㎜。磨细后的原料经压球或成坯供烧成。
镁铝尖晶石的合成也有一步锻烧与二步锻烧之分。一步锻烧是将生料坯体在高温下一次烧成，即尖晶石的生成和烧结一次完成。由于MgO与Al2O3在1000～1400℃反应生成尖晶石时会产生明显的膨胀，对烧结致密不利。因而一步缎烧镁铝尖晶石往往需要较高的温度，高纯尖晶石的烧结温度通常在1750～1850℃。二步锻烧法之第一步是将混合料坯体在1300～1500℃下锻烧使尖晶石的生成量达到85%～90%，其余为未反应的MgO和a-Al2O3，例如富镁尖晶石中两者的残余量分别为10%～15%和5%～10%。如果第一步的锻烧温度太高，使尖晶石的生成量达最大，则它的比表面积与烧结活性都会下降。经第一步锻烧后的尖晶石通常称作活性尖晶石或轻烧尖晶石。将活性尖晶石磨细后(-325目，<44μm占100%)再压坯或成球进行第二步锻烧。由于尖晶石的形成在第一步时己完成大部分，因此活性尖晶石在烧结时不产生膨胀。活性尖晶石粉具有极好的热活性和烧结性，用100%的活性尖晶石1750℃下烧结可达到3.45g2㎝-3的体积密度，为理论密度的96％，这一过程约产生17%的体积收缩。为了节省能源，在第二步锻烧时也有采用部分活性尖晶石与生料配合使用的。
2.电熔法镁铝尖晶石
生产电熔尖晶石的原料一般为锻烧氧化铝和高纯MgO，也有用工业氧化铝或精选铝矾土和轻烧镁粉的。配料一般采用富镁的形式，MgO含量35%～50%，MgO含量过高或过低都会使熔化不佳，造成熔体粘度高而难于浇注。
倾动式电炉或旋涡熔化炉可用于生产电熔尖晶石，熔炼温度2200℃左右。电熔块的不同位置其结构是不一样的，生产电熔尖晶石的关键是如何获得结构均匀的产品。一般而言，熔块上部和周边含含糊糊蜂窝状气孔数量较多，其中符合理论组成的尖晶石熔块气孔率最大，而富MgO熔块和加入Cr2O3的熔块气孔率均较低。
熔体浇铸后结晶成块，视原料纯度不同，结晶块中尖晶石的含量在80%～95%以上，其余为硅酸盐相和玻璃相。结晶块中还存在二次尖晶石，所谓二次尖晶石是指在低于最低共熔点温度下结晶的尖晶石固溶体(有方镁石或刚玉夹杂)，而将在高于最低共熔点温度下结晶的无杂质尖晶石称为一次尖晶石。通常二次尖晶石在熔块的上部结晶，一次尖晶石则主要结晶于熔块下部。