鎂鋁尖晶石砂是以氧化鎂和三氧化二鋁為原料，經(jīng)高溫煅燒合成的尖晶石質(zhì)耐火材料。該原料在自然界發(fā)現(xiàn)極少，工業(yè)用的鎂鋁尖晶石幾乎全是人工合成的。合成鎂鋁尖晶石MgOAl2O3的理論化學(xué)組成為MgO28.3%，Al2O371.7%，熔點(diǎn)為2135℃，具有耐高溫，熱穩(wěn)定性好，抗渣性強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)耐火原料。
鎂鋁尖晶石為等軸晶系、立方體、八面體所構(gòu)成的八面體晶形，無解理、熱震性好。MgAlO4同MgO和Al2O3相比，膨脹系數(shù)低，熱導(dǎo)率小，并隨溫度上升而下降。另外，由于MgAlO4生成中的MgO和Al2O3在氣氛變化時(shí)不發(fā)生變化，所以它與FeCr2O4相比，在氧化還原氣氛中十分穩(wěn)定。鎂鋁尖晶石砂的人工合成方法是用工業(yè)氧化鋁或高純度鋁礬土和輕燒氧化鎂為原料，按要求的配比加入，經(jīng)細(xì)磨、混勻、成球、在回轉(zhuǎn)窯或豎窯中經(jīng)1800℃以上高溫煅燒，或上述原料按一定配比，在電弧爐中的2200℃左右的高溫熔融而合成電熔鎂鋁尖晶石砂。
燒結(jié)法
燒結(jié)鎂鋁尖晶石砂比電熔鎂鋁尖晶石砂經(jīng)濟(jì)，而且在許多情況下，能夠代替電熔鎂鋁尖晶石砂，燒結(jié)鎂鋁尖晶石的工藝有兩種：其一是根據(jù)燒結(jié)程度，將選定Al2O3、MgO、水和結(jié)合劑磨細(xì)，并在筒磨機(jī)中混合后成型并干燥，再于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)強(qiáng)化燒結(jié)。另一種工藝是將Al2O3和MgO按所確定的比例共同細(xì)磨(或者各自磨細(xì)后再混合)，混合料干粉成球，再于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)強(qiáng)化燒結(jié)。其強(qiáng)化燒結(jié)的溫度應(yīng)在1900℃以上。
在燒結(jié)尖晶石中，有活性MgO均勻分布在尖晶石顆粒之中，但在顆中觀察到了很多的微孔，在微孔中析出了硅酸鹽，燒結(jié)尖晶石可采用氫氧化鋁、煉燒氧化鋁、片狀氧化鋁和電熔氧化鋁作為氧化鋁原料，而采用碳酸鎂、氫氧化鎂和燒結(jié)氧化鎂作為氧化鎂原料。試驗(yàn)結(jié)果表明，生產(chǎn)燒結(jié)尖晶石最適合的原料是工業(yè)氧化鋁和燒結(jié)氧化鎂，其中，原料細(xì)磨粒度是關(guān)鍵的工藝參數(shù)。將配料共同細(xì)磨、壓球，在1750℃以上的溫度煅燒可以獲得性能優(yōu)良的鎂鋁尖晶石砂?？刂坪侠淼撵褵V鋁尖晶石砂的配料，可以使其主晶相為細(xì)小的鎂鋁尖晶石晶體，并形成巢狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其間有少量的方鎂石晶體。
活性尖晶石與燒結(jié)尖晶石不同，它是在較低溫度下(12001300℃)合成的。由于合成溫度較低，細(xì)粉狀的混合料，沒有完全轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩?。根?jù)X射線衍射的結(jié)果，按理論的組成配料的活性尖晶石中，分別含有少量(約10%15%)的α-Al2O3和痕量(約為5%10%)的MgO。生產(chǎn)活性尖晶石的關(guān)鍵是輕燒溫度，當(dāng)溫度太高時(shí)，Al2O3和MgO會(huì)完全合成尖晶石，因而細(xì)粉的表面積和燒結(jié)性能都降低;當(dāng)溫度太低時(shí)，尖晶石的合成不足，活性Al2O3和MgO太多。活性尖晶石作為生產(chǎn)耐火材料中的細(xì)粉即活性細(xì)粉，可使材料具有所希望的更大密度，將活性尖晶石經(jīng)細(xì)粉碎—干粉壓球—燒結(jié)的工藝生產(chǎn)尖晶石時(shí)，在1700℃下燒結(jié)即能獲得高密度尖晶石砂，其體積密度能達(dá)到3.4g/cm3以上。
電熔法
在生產(chǎn)電熔鎂鋁尖晶石時(shí)，一般采用拜爾(Bayer)法生產(chǎn)的Al2O3與高純MgO按尖晶石的理論組成混合，也可以使用其他來源的氧化鋁和MgO作原料，混合料中MgO含量可以在35%50%之內(nèi)選定。因?yàn)榛旌狭现蠱gO含量過高或偏低都會(huì)使熔化不佳，由于黏度高而使熔體難于澆注，加入鉻礦對(duì)熔體和澆注均無副作用。通常混合料在可傾式電爐或者漩渦熔化爐中熔化熔融混合物固化-破碎成電熔鎂鋁尖晶石原料。采用漩渦熔化爐可以熔制各種配方的電熔鎂鋁尖晶石，它是將選定比例的混合料在該爐內(nèi)加熱到高于熔化溫度150250℃(熔池內(nèi)的極限溫度為2300℃)，所以可以熔煉熔點(diǎn)不高于21002150℃的熔體材料，電熔塊的不同位置，其結(jié)構(gòu)是不同的，一般是上部和周邊的蜂窩形氣孔數(shù)量多，其中符合理論組成的尖晶石熔塊的氣孔率更大，但含有過量MgO和加入Cr2O3(一般以鉻礦形式加入)的熔塊的氣孔率較低。因此，生產(chǎn)電熔尖晶石工藝的關(guān)鍵是如何獲得具有均勻結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，同時(shí)適當(dāng)?shù)嘏懦龤饪滓詼p少產(chǎn)品的氣孔率偏析。
此外，加入Cr2O3的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以提高熔融材料的耐火度。符合理論組成的混合料熔體澆注到金屬膜內(nèi)，結(jié)晶成塊后形成尖晶石，尖晶石含量在80%95%以上，其余為硅酸鹽和玻璃狀物質(zhì)。結(jié)晶塊中還存在二次尖晶石。在高于更低共熔點(diǎn)溫度下結(jié)晶的無雜質(zhì)尖晶石稱為一次尖晶石;在低于更低共熔點(diǎn)溫度下結(jié)晶的尖晶石(有方鎂石夾雜)固熔體稱為二次尖晶石。通常，二次尖晶石在熔塊的上部結(jié)晶，而一次尖晶石則主要在熔塊下部結(jié)晶。有Cr2O3時(shí)則發(fā)現(xiàn)晶格明顯畸變，說明Cr2O3按置換型熔于尖晶石的晶格之內(nèi)。通過控制出爐熔體的冷卻速度可以制得結(jié)晶程度不同的電熔鎂鋁尖晶石(其中有的晶體結(jié)構(gòu)缺陷較高)，用結(jié)構(gòu)缺陷較高的尖晶石生產(chǎn)鎂鋁尖晶石制品時(shí)可保證在燒成時(shí)具有所要求的燒結(jié)活性。電熔鎂鋁尖晶石的一個(gè)重要特征是在發(fā)育很大的結(jié)晶中，觀察到呈帶狀解理，并沿該解理面析出了活性的MgO。
以鎂鋁尖晶石為主體原料的尖晶石耐火材料，如：方鎂石尖晶石磚、尖晶石方鎂石磚、尖晶石磚等已應(yīng)用在鋼鐵、水泥、玻璃等工業(yè)部門，并不斷開發(fā)新的領(lǐng)域。
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