耐火原材料——镁铝尖晶石
发布日期： 2020-09-09 11:53:42 阅读量（710） 作者：镁铝尖晶石砂是以氧化镁和三氧化二铝为原料，经高温煅烧合成的尖晶石质耐火材料。该原料在自然界发现极少，工业用的镁铝尖晶石几乎全是人工合成的。合成镁铝尖晶石MgOAl2O3的理论化学组成为MgO28.3%，Al2O371.7%，熔点为2135℃，具有耐高温，热稳定性好，抗渣性强，热膨胀系数小等优点，是一种优质耐火原料。
镁铝尖晶石为等轴晶系、立方体、八面体所构成的八面体晶形，无解理、热震性好。MgAlO4同MgO和Al2O3相比，膨胀系数低，热导率小，并随温度上升而下降。另外，由于MgAlO4生成中的MgO和Al2O3在气氛变化时不发生变化，所以它与FeCr2O4相比，在氧化还原气氛中十分稳定。镁铝尖晶石砂的人工合成方法是用工业氧化铝或高纯度铝矾土和轻烧氧化镁为原料，按要求的配比加入，经细磨、混匀、成球、在回转窑或竖窑中经1800℃以上高温锻烧，或上述原料按一定配比，在电弧炉中的2200℃左右的高温熔融而合成电熔镁铝尖晶石砂。
(1)烧结法
烧结镁铝尖晶石砂比电熔镁铝尖晶石砂经济，而且在许多情况下，能够代替电熔镁铝尖晶石砂，烧结镁铝尖晶石的工艺有两种：其一是根据烧结程度，将选定Al2O3、MgO、水和结合剂磨细，并在筒磨机中混合后成型并干燥，再于回转窑内强化烧结。另一种工艺是将Al2O3和MgO按所确定的比例共同细磨(或者各自磨细后再混合)，混合料干粉成球，再于回转窑内强化烧结。其强化烧结的温度应在1900℃以上。
在烧结尖晶石中，有活性MgO均匀分布在尖晶石颗粒之中，但在颗中观察到了很多的微孔，在微孔中析出了硅酸盐，烧结尖晶石可采用氢氧化铝、炼烧氧化铝、片状氧化铝和电熔氧化铝作为氧化铝原料，而采用碳酸镁、氢氧化镁和烧结氧化镁作为氧化镁原料。试验结果表明，生产烧结尖晶石最适合的原料是工业氧化铝和烧结氧化镁，其中，原料细磨粒度是关键的工艺参数。将配料共同细磨、压球，在1750℃以上的温度煅烧可以获得性能优良的镁铝尖晶石砂。控制合理的煅烧镁铝尖晶石砂的配料，可以使其主晶相为细小的镁铝尖晶石晶体，并形成巢状网络结构，其间有少量的方镁石晶体。
活性尖晶石与烧结尖晶石不同，它是在较低温度下(1200〜1300℃)合成的。由于合成温度较低，细粉状的混合料，没有完全转变为尖晶石。根据X射线衍射的结果，按理论的组成配料的活性尖晶石中，分别含有少量(约10%〜15%)的α-Al2O3和痕量(约为5%〜10%)的MgO。生产活性尖晶石的关键是轻烧温度，当温度太高时，Al2O3和MgO会完全合成尖晶石，因而细粉的表面积和烧结性能都降低;当温度太低时，尖晶石的合成不足，活性Al2O3和MgO太多。活性尖晶石作为生产耐火材料中的细粉即活性细粉，可使材料具有所希望的最大密度，将活性尖晶石经细粉碎—干粉压球—烧结的工艺生产尖晶石时，在1700℃下烧结即能获得高密度尖晶石砂，其体积密度能达到3.4g/cm3以上。
烧结镁铝尖晶石的组成和性质见表1，活性尖晶石粉理化性能见表2。
表1烧结镁铝尖晶石的组成和性质
表2轻烧尖晶石粉理化性能
(2)电熔法
在生产电熔镁铝尖晶石时，一般采用拜尔(Bayer)法生产的Al2O3与高纯MgO按尖晶石的理论组成混合，也可以使用其他来源的氧化铝和MgO作原料，混合料中MgO含量可以在35%〜50%之内选定。因为混合料中MgO含量过高或偏低都会使熔化不佳，由于黏度高而使熔体难于浇注，加入铬矿对熔体和浇注均无副作用。通常混合料在可倾式电炉或者漩涡熔化炉中熔化熔融混合物固化-破碎成电熔镁铝尖晶石原料。采用漩涡熔化炉可以熔制各种配方的电熔镁铝尖晶石，它是将选定比例的混合料在该炉内加热到高于熔化温度150〜250℃(熔池内的极限温度为2300℃)，所以可以熔炼熔点不高于2100〜2150℃的熔体材料，电熔块的不同位置，其结构是不同的，一般是上部和周边的蜂窝形气孔数量多，其中符合理论组成的尖晶石熔块的气孔率最大，但含有过量MgO和加入Cr2O3(一般以铬矿形式加入)的熔块的气孔率较低。因此，生产电熔尖晶石工艺的关键是如何获得具有均匀结构的产品，同时适当地排除气孔以减少产品的气孔率偏析。
此外，加入Cr2O3的另一个优点是可以提高熔融材料的耐火度。符合理论组成的混合料熔体浇注到金属膜内，结晶成块后形成尖晶石，尖晶石含量在80%〜95%以上，其余为硅酸盐和玻璃状物质。结晶块中还存在二次尖晶石。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;在低于最低共熔点温度下结晶的尖晶石(有方镁石夹杂)固熔体称为二次尖晶石。通常，二次尖晶石在熔块的上部结晶，而一次尖晶石则主要在熔块下部结晶。有Cr2O3时则发现晶格明显畸变，说明Cr2O3按置换型熔于尖晶石的晶格之内。通过控制出炉熔体的冷却速度可以制得结晶程度不同的电熔镁铝尖晶石(其中有的晶体结构缺陷较高)，用结构缺陷较高的尖晶石生产镁铝尖晶石制品时可保证在烧成时具有所要求的烧结活性。电熔镁铝尖晶石的一个重要特征是在发育很大的结晶中，观察到呈带状解理，并沿该解理面析出了活性的MgO。电熔镁铝尖晶石的组成和性质见表3。
表3电熔镁铝尖晶石的组成和性质
表4镁铝尖晶石的应用
以镁铝尖晶石为主体原料的尖晶石耐火材料，如：方镁石尖晶石砖、尖晶石方镁石砖、尖晶石砖等已应用在钢铁、水泥、玻璃等工业部门，并不断开发新的领域，如表4所示为镁铝尖晶石的应用。
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