耐火材料原材料——鎂鋁尖晶石的7個主要性質

鎂鋁尖晶石是尖晶石質耐火材料主要的原材料之一，鎂鋁尖晶石可分為兩大類，即燒結尖晶石和電熔尖晶石。

電熔尖晶石

1.尖晶石的化學成分與密度

由於尖晶石存在著廣泛的固溶區域，並與方鎂石和剛玉共存，所以不同的化學組成時，尖晶石或複合體所表現出的密度、結晶尺寸和燒結性等都有不同。

表1燒結尖晶石的化學組成與物理性質

表1為以Al2O3和MgO為原料，按不同的MgO/Al2O3比例，經1900℃×30min熱處理後燒結尖晶石的物理性質及礦物組成。將這些尖晶石細粉碎，成型後經1800℃×30min燒成，測定其體積密度與氣孔率，結果如圖1所示。富鎂尖晶石具有較低的氣孔率和較高的體積密度。這是晶界遷移速率的減少所表現出來的結果。

燒結鎂鋁jjs

2。尖晶石的固溶與離析

尖晶石固溶體含有與方鎂石或剛玉共存的區域在很大的範圍內存在。固溶體的晶格常數與Al2O3的含量成反比，如圖2a所示。在低於合成溫度下尖晶石就可以結晶，Al2O3以剛玉形式離溶析出，呈二相平衡狀態。

由尖晶石固溶體的晶格常數很容易計算出其Al2O3含量。尖晶石屬於立方晶系，根據X耐線衍耐資料由下列公式可求出立方晶系晶體的晶格常數：

圖1化學組成與緻密程度

對鎂鋁尖晶石而言，最強的衍耐峰屬於（311）晶面，因而h2+k2+l2為11。dhkl值可由X耐線衍耐得到，可由此計算出晶格常數a。圖2b中示出了鎂鋁尖晶石中Al2O3含量與晶格常數的關係，因此已知晶格常數時可計算出Al2O3含量。

圖2尖晶石晶格常數與Al2O3含量之關係

尖晶石固溶體的離析還能從尖晶石經反覆加熱後的膨脹係數變化反映出來。將表1中的尖晶石加熱到1500℃再冷卻，反覆3次，在富MgO部分，尖晶石的膨脹係數變化很小，但富Al2O3尖晶石，尤其是試樣80和90熱膨脹係數增大，此乃由於有剛玉析出造成的。在確定合成尖晶石的配比時，應注意這一現象。

3.礦物組

成

與顯微結構特徵

合成鎂鋁尖晶石以尖晶石為主晶相，根據組成的不同，富鎂尖晶石通常還含有方鎂石，富鋁尖晶石還含有剛玉。圖3為Al2O3含量分別為66%、76%和90%的三種高純燒結尖晶石的X耐線圖譜。在Al2O3含量為94%的燒結尖晶石和含量為的電熔尖晶石中發現有少量（X耐線衍耐峰可見）的β-Al2O3。β-Al2O3與尖晶石形成固溶體時會產生體枳膨脹而惡化燒結過程：但很少量的β-Al2O3存在不會對尖晶石的抗渣性產生明顯的影響。

圖3燒結鎂鋁尖晶石的狀物組成

圖4為上述三種尖晶石的SEM照片。通常與方鎂石或剛玉共存的富鎂或富鋁尖晶石晶界較為消晰，而成分接近於真尖晶石的試樣難於判別晶粒生長的晶界。燒結尖晶石中尖晶石結晶尺寸在20μm左右，富鎂尖晶石結晶尺寸較窗鋁尖晶石小。電子探針分析表明，遊離MgO的區域存在於尖晶石的基質中，CaO等雜質也離析存在於尖晶石晶體的結合部。

Al2O3=66% Al2O3=76% Al2O3=90%

圖4 鎂鋁尖晶石的顯微結構（SEM）

4。尖晶石的熱膨脹性

圖5為不同Al2O3含量的燒結和電熔尖晶石的熱膨脹曲線。電熔尖晶石的膨脹率隨Al2O3含量的提高而增大，膨脹率在1300℃左右達到最大值，溫度再升高則膨脹率下降；燒結尖晶石也表現出相似的性質，但膨脹率在1300℃以後的降低幅度比電熔尖晶石大。總的來說，無論是電熔尖晶石或燒結尖晶石，MgO含量越小，達到最大膨脹率後再升高溫度彩脹率的降低幅度越小。

圖5 尖晶石的熱膨脹曲線

5。尖晶石的耐熱震性

良好的熱震穩定性是尖晶石質耐火材料的一大特點。由以上尖晶石的熱膨脹性特徵可知，尖晶石在加熱至1300℃時達到最大的膨脹率，測定加熱前後尖晶石顆粒的破壞強度可以衡量其抗熱震能力。表2為幾種尖晶石破壞強度的測定結果，並與熔融氧化鋁和燒結氧化鋁相對比。一般而言，燒結尖晶石在熱震前後的單粒破壞強度都較電熔尖晶石大，這與它們的結晶狀況有關，電熔品為玻璃狀，而燒結品為緻密質。

表2鎂鋁尖晶石的耐熱震性

6.尖晶石

的抗渣性

以市售不同Al2O3含量的尖晶石製成剛玉-尖晶石澆注料，在燃氣的迴轉式抗渣試驗爐中進行試驗（合成渣成分CaO48%，SiO212%，Fe2O316%，Al2O313%，MnO6%，MgO5%），其結果如圖6所示。隨尖晶石中Al2O3含量（根據晶格常數計算而得）的増加，澆注料的抗渣侵蝕能力提高，而抗渣滲透能力則下降。由圖6可見，各種Al2O3含量的尖晶石所制澆注料的渣侵蝕最大差值為約3。5%，渣滲透的最大差值為約2。1%；在高頻抗渣試驗爐中的結果表明；Al2O3含量為70%，90%和95%的尖晶石製成的澆注料抗渣能力差別很小。研究還表明，含89%~90%Al2O3和94%Al2O3的尖晶石製成的澆注料耐磨性也非常接近。Al2O3含量為85%的尖晶石被認為是製造澆注料的較好原料。

圖6尖晶石澆注料的抗渣性

7.鎂鋁尖晶石的水化

鎂鋁尖晶石砂與水蒸氣接觸也能發生水化。在尖晶石與方鎂石的共存區域，MgO/Al2O3比值較大時，方鎂石量增加，方鎂石的水化反應速度增大，引起顆粒潰裂。因此，在生產和使用過程中，鎂鋁尖晶石必須儲存在不受潮溼的庫房內，運輸過程中也不能受潮。

—些防止鹼性耐火原料水化的方法也可用於鎂鋁尖晶石。據日本研究，新增0。1~0。3%的有機矽化合物可使富鎂尖晶石砂的重量增加率控制在0。1%以下；而不加新增物時則達到1。8%。