镁铝尖晶石合成的发展历程
发布日期： 2020-12-23 09:55:54 阅读量（703） 作者：按照国际标准与我国国家标准，镁铝尖晶石质耐火材料的定义为：由镁砂和氧化镁含量(质量分数)不小于20%的尖晶石组成的耐火材料。在实际应用中，由于MgO与Al2O3的含量变化范围很大，因而将以MgO和Al2O3为主要化学成分的耐火材料称为镁铝尖晶石质耐火材料。根据氧化铝的含量，镁铝尖晶石质耐火材料可以分为方镁石-尖晶石耐火材料(Al2O3含量小于30%)、尖晶石-方镁石耐火材料(Al2O3含量为30%~68%)、尖晶石耐火材料(Al2O3含量为68%~73%)、尖晶石-刚玉耐火材料(Al2O3含量为73%~90%)和刚玉-尖晶石耐火材料(Al2O3含量大于90%)。
镁铝尖晶石是一种复合矿物，化学式为MgO·Al2O3或MgAl2O4有时也可简写为MA。镁铝尖晶石属立方晶系，密度3.58g/cm，莫氏硬度为8，导热系数(1000℃)为5.82W/(m-K)，线膨胀系数(20~1000℃)为7.6×10-6℃-1，与刚玉的接近，比方镁石小得多。MgO-Al2O3二元系相平衡图如图1所示。
图1 MgO-Al2O3二元系相平衡图
由MgO-Al2O3二元系相平衡图可以看出，该系统中唯一存在的二元化合物是镁铝尖晶石MgO-Al2O3，熔点为2135℃，理论化学组成为：MgO:Al2O3(摩尔比)=1:1，MgO:Al2O3(质量百分比)=28.3%:71.7%。高温条件下，在理论组成的两侧各有一个范围较宽的固溶区域。在尖晶石中，2050℃时MgO的最高固溶量可达10%(质量分数)，Al2O3固溶量更高，超过20%(质量分数)。以理论配比为标准，当MgO含量高于理论组成时，此类尖晶石称为富镁尖晶石;当Al2O3含量高于理论组成时，此类尖晶石称为富铝尖晶石。以MgO·Al2O3为界，形成了低共熔温度为2050℃的MgO-MgO·Al2O3系统和低共熔温度为1920℃的MgO·Al2O3-Al2O3系统，因此MgO与Al2O3无论以何种比例混合，二元混合物的液相出现温度都超过了1900℃，所以整个系统都属于耐火性物质。MgO与Al2O3都能部分固溶于镁铝尖晶石能其它金属离子，形成有限型固溶体，镁铝尖晶石在MgO中的固溶度在2050℃最高，可达18%。
镁铝尖晶石结构稳定，结构中的Al-O键和Mg-O键都是较强的离子键，结合牢固，因而镁铝尖晶石硬度大，化学稳定性好，且高温下具有较强的吸收铁氧化物的能力。
在镁铝尖晶石构造中，Al-O、Mg-O之间都是较强的离子键，且静电键强度相等，结构牢固。因此，镁铝尖晶石晶体的饱和结构，使其具有良好的热震稳定性能、耐化学侵蚀性能和耐磨性能，能够在氧化或还原气氛中保持较好的稳定性。但是在合成镁铝尖晶石时，会伴有5%~8%的体积膨胀，而且其再结晶能力差，很难合成致密的镁铝尖晶石制品。
镁铝尖晶石合成的发展历程
镁铝尖晶石合成的发展大致经历了三个时期：
第一个阶段是采用高纯镁砂和α-Al2O3为原料合成镁铝尖晶石。这个阶段主要利用MgO和α-Al2O3在高温烧成过程中生成部分镁铝尖晶石，所得产品被称为第一代尖晶石，但因为产品的强度低，热震不太好而被第二代尖晶石取代。
第二代尖晶石是采用高纯MgO、电熔MgO和预合成镁铝尖晶石为主原料生产所得，这一代产品不仅强度高，而且气孔率低，热震稳定性比较好，但缺点是导热系数比较大，易造成回转窑简体温度过高，不仅热损失大，而且简体易变形。
第三阶段，也就是现在，国内外都在研究和推广低导热系数的镁铝尖晶石砖。国外普遍采用第一代尖晶石和第二代尖晶石复合的办法来增加产品中微裂纹的量，从而形成多渠道热传递“屏障”以达到降低镁铝尖晶石砖导热系数的目的。国内采用的是与国外不同的方法来实现镁铝尖晶石产品的低导热性，具体做法是将靠近大头部位1/4面积做成复合层，使其导热系数大幅度降低，而且通过特殊方法使复合层与工作层很好的融为一体，从而达到降低导热系数的目的，现该产品已研制成功。
现在，资料中不断出现第四代尖晶石的相关报道，第四代尖晶石采用电熔镁砂、电熔尖晶石为主要原料研制而成，据介绍可以提高抗侵蚀性，且热震稳定性也不错。相信第四代尖晶石的合成将是现在和今后一段时间的重点研究方向。
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