材料组成对镁铝尖晶石化行为的影响
第３５卷第３期２０１２年６月
武汉科技大学学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．３５。Ｎｏ．３
Ｊｕｎ．２０１２
材料组成对镁铝尖晶石化行为的影响
裴春秋，石干
（中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司先进耐火材料国家重点实验室，河南洛阳，４７１０３９）
摘要：以菱镁石、轻烧氧化镁和工业氧化铝细粉为原料，采用半干压法成型，在不同温度下煅烧处理，研究材料组成对镁铝尖晶石化行为的影响。结果表明，富铝尖晶石的尖晶石化反应滞后于富镁尖晶石，两类尖晶石化反应完成温度相差约１００℃；富铝尖晶石的尖晶石化反应分两步进行，即在形成理论尖晶石的基础上再固溶氧化铝，最终形成富铝尖晶石；富铝尖晶石烧结程度较富镁尖晶石的低，形成较小的晶粒和气孔。关键词：组成；镁铝尖晶石；反应
中图分类号：ＴＱｌ７５．７
文献标志码：Ａ
文章编号：ｔ６７４—３６４４（２０１２）０３—０２０７—０４
镁铝尖晶石是ＭｇＯ—Ａ１。Ｏ。二元系中唯一的二元化合物，其在高温下呈现出宽的化学计量配比范围。理论组成镁铝尖晶石的化学分子式为ＭｇＡｌ。Ｏ。或ＭｇＯ・Ａ１２０。（ＭＡ），其中叫（Ａ１。Ｏ。）为７１．８％，ｗ（ＭｇＯ）为２８．２％，Ａｌ。Ｏ。与ＭｇＯ的质量比为２．５５。在ＡｌｚＯ。富余的组成中形成富铝尖晶石，其Ａ１。Ｏ。与ＭｇＯ的质量比大于２．５５；在ＭｇＯ富余的组成中形成富镁尖晶石，其Ａｌ。Ｏ。与ＭｇＯ的质量比小于２．５５。镁铝尖晶石具有熔点高、热膨胀小、导热系数低、热震稳定性好和抗渣蚀性强等优良性能，其耐火材料制品被广泛用于水泥、玻璃、冶金等行业［１４］。镁铝尖晶石化反应一般发生在原料的合成或制品的烧成过程中。Ａｌ。Ｏ。和ＭｇＯ反应生成尖晶石时，往往产生约６．９％的体积膨胀，其对材料的致密性有很大影响，因此对尖晶石化反应行为的掌握和控制非常重要。本文以菱镁石、轻烧氧化镁和工业氧化铝粉为原料，就材料的组成（富铝尖晶石、富镁尖晶石）对镁铝尖晶石化行为和烧结性能的影响进行研究，以期为高性能镁铝类晶石制品开发
表１
Ｔａｂｌｅ１
提供依据。１
１．１
试验
原料
工业氧化铝粉（ｙ－Ａ１。Ｏ。，Ｗ（Ａ１。Ｏ。）一
９９．０７％，粒度约为２０ｕｒｎ）；菱镁矿粉（ＭｇＣ０３，ｗ（ＭｇＯ）＝４７．０６％、烧失量为５１．６５％、粒度小
于４４Ｕｒｎ）；轻烧氧化镁细粉（Ｍ９０），由菱镁矿细
粉经１
０００℃Ｘ３
ｈ煅烧制得。
１．２试样制备
Ａ类试样的原料为菱镁矿粉和工业氧化铝粉，Ｂ类试样的原料为轻烧氧化镁粉和工业氧化铝粉，按不同Ａｌ。Ｏ。与ＭｇＯ的质量比进行配方（见表１、表２）。将配制的原料细粉和结合剂细粉（糊精粉）在橡胶质球磨罐内混匀，再在湿碾机中加水继续混练至均匀，困料２４ｈ，在８０ＭＰａ压力下，半干压法成型为西５０样，在１１０℃下烘干，１
温３ｈ。
ｍｍ×５０
１
ｍｍ的圆柱试
２００
７３０℃下煅烧，保
Ａ类试样的配方
ＦｏｒｍｕｌａｏｆＳａｍｐｌｅｓＡ
表２
Ｔａｂｌｅ２
Ｂ类试样的配方
ＦｏｒｍｕｌａｏｆＳａｍｐｌｅｓＢ
收稿日期：２０１１一０９—１９
基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３）资助项目（２０１０ＣＢ７３５８１０）．
作者简介：裴春秋（１９８１），女，中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司工程师．Ｅ—ｍａｉｌ：ｐｅｉｃｈｕｎｑｉｕ＠１２６．ｃｏｒｎ
２０８
武汉科技大学学报２０１２年第３期
１．３性能检测
常数呈整体减小趋势；当ｍ（Ａ１。Ｏ。）／ｍ（ＭｇＯ）小用ＸＰｅｒｔ型Ｘ射线衍射仪（荷兰ＰＨＩＬＬＩＰＳ于２．５５时，试样的晶格常数变化不大；当公司）对试样进行物相分析，并计算晶格常数；用ｍ（Ａ１２０。）／ｍ（ＭｇＯ）大于２．５５时，试样晶格常数
ＸＬ３０型扫描电镜（荷兰ＰＨＩＬＬＩＰＳ公司）观察试随氧化铝含量增大有较大幔痉缄小，即富铝尖晶
样显微结构。
石试样晶格常数与其氧化铝含量成反比关系。
２结果与讨论
２．１煅烧过程中尖晶石物相变化
２．４８ＭＡ（Ａ）、３．７７ＭＡ（Ａ）试样经不同温度煅烧后的物相组成如表３、表４所示。
表３
２．４８ＭＡ（Ａ）试样的物相组成（盹／％）
Ｔａｂｌｅ３Ｐｈａｓｅ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆＳａｍｐｌｅ２．４８ＭＡ（Ａ）（ｗＢ／％）
图１
ｍ（ＡＩ：Ｏ，）／ｍ（ＭｇＯ）对试样晶格常数的影响（１７３０℃）
Ｆｉｇ．ｔ
Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍ（Ａ１２０３）／ｍ（ＭｇＯ）ｒａｔｉｏ
ｏｎ
ｔｈｅｌａｔｔｉｃｅ
ｃｏｎｓｔａｎｔｏｆｓｐｉｎｅｌｓｉｎｔｅｒｅｄａｔ１
７３０℃
表４
３．７７ＭＡ（Ａ）试样的物相组成（耽／％）
２．２．２煅烧温度对试样晶格常数的影响
Ｔａｂｌｅ４Ｐｈａｓｅ
ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ
ｏｆ
Ｓａｍｐｌｅ３．７７ＭＡ（Ａ）（盹／％）
煅烧温度对试样晶格常数的影响如图２、图３所示。由图２、图３可看出，煅烧温度升高对
２．４８ＭＡ（Ａ）和２．４８ＭＡ（Ｂ）富镁试样的晶格常数
影响不大，未使尖晶石晶体的组成和结构发生明显改变；３．７７ＭＡ（Ａ）、３．０３ＭＡ（Ｂ）和３．７７ＭＡ
由表３、表４可以看出，经１
２００、１４００、１５００
℃温度煅烧后，２．４８ＭＡ（Ａ）试样中的尖晶石生成量均大于３．７７ＭＡ（Ａ）试样中的尖晶石生成量，这表明富镁尖晶石试样尖晶石化反应速度较富铝尖晶石试样快；２．４８ＭＡ（Ａ）试样在１５００℃时已基本完成尖晶石化反应（尖晶石生成量达９５％），
１
５００℃时３．７７ＭＡ（Ａ）试样的尖晶石生成量仅
为７５％～８５％，煅烧温度升至１６００℃时，其尖晶图２煅烧温度对Ａ类试样晶格常数的影响
石生成量才达到９８％，这表明富铝尖晶石试样尖Ｆｉｇ．２
Ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｏｎｔｈｅｌａｔｔｉｃｅ
ｃｏｎ－
晶石化反应完成温度滞后富镁尖晶石试样约１００
ｓｔａｎｔｏｆｓｐｉｎｅｌ
Ａ
℃。
２．２镁铝尖晶石晶格常数影响因素分析
２．２．１
ｍ（Ａ１２０。）／ｍ（ＭｇＯ）对试样晶格常数的
昌基
影响
氟粗
镁铝尖晶石属于立方晶系，选取衍射角大于密曜
６０。、衍射峰强的（４４０）晶面来计算各试样的晶格常数口、ｂ、ｃ，即
ｎ—ｂ—ｃ—ｄ。。。扔■二Ｆ矿干丁
（１）
式中：ｈ、ｋ、ｚ为密勒指数；ｄｎｋｌ为晶面间距。
图３煅烧温度对Ｂ类试样晶格常数的影响
１
７３０℃煅烧温度下，ｍ（Ａ１２０３）／ｍ（ＭｇＯ）对
Ｆｉｇ．３
Ｅｆｆｅｃｔ
ｏｆｓｉｎｔｅｒｉｎｇ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｏｎｔｈｅｌａｔｔｉｃｅｃｏｎ－
试样晶格常数的影响如图１所示。从图１中可看ｓｔａｎｔｏｆｓｐｉｎｅｌ
Ｂ
出，随着ｍ（Ａ１：Ｏ。）／ｍ（ＭｇＯ）值增大，试样晶格
２０１２年第３期蜚春秋．等：材料组成对镁错尖晶石化行为的影响
（Ｂ）富铝试样晶格常数随煅烧温度升高而减小，且富铝程度越大，其减小幅度越大，这表明富铝尖晶石晶体在形成过程中．由于氧化铝在尖晶石中不断固溶使其组成和结构发生了改变；３．７７ＭＡ（Ａ）试样在１２００～１
８００
Ｃ煅烧温度下晶格常数呈
７００
持续减小，而３．７７ＭＡ（Ｂ）试样在１６００～１
℃煅烧温度下品格常数稳定，表明以轻烧氧化镁粉为原料的试样经１定。
ＭｇＡＩｚＯ一与Ａｌｚ（）。生成置换型固溶体的固溶反应式为
６００
Ｃ煅烧后结构已趋于稳
ＡＩ：Ｏ。—竺！兰坠Ｌ２ＡＩｉ。＋帆。＋３０。
（０．０５７
（２）
因３Ｍｇ¨一２ＡＩＨ置换，离子半径较小的Ａｌ卜
ｎｍ）替换离子半径较大的Ｍ９２＋（０．０７４
ｎｍ），故固溶了氧化铝的富铝尖晶石的晶格常数小于理论组成或富镁组成尖晶石的晶格常数．且随氧化铝的不断固溶，其晶格常数不断减小。
从图３中还可看出，２．４８ＭＡ（Ｂ）、３０３ＭＡ
（Ｂ）和３．７７ＭＡ（Ｂ）试样的晶格常数在１
２００℃时
固ｎ
３
几乎重台，显示三者在初始反应阶段所生成的尖晶石具有相同的组成和结构。这表明富铝尖晶石的尖晶石化行为是在初始阶段先生成接近理论组成的尖晶石，然后随着温度的升高，富余氧化铝继续进行固溶反应，直至固溶完全。富铝尖晶石化形成过程为
Ａ１２０
７７、ｌ、Ｃ、ｊ试佯断口形貌
Ｆｉｇ．６Ｆｒａｃｔｏｇｒａｐｈ
ｏｆＳｔａｐｌｅ
２．７７ＭＡ（ＡＩ
中可看出，２７７ＭＡ（Ａ）和３．７７ＭＡ（Ａ）富铝试样较２．４８ＭＡ（Ａ）富镁试样晶粒发育差，晶粒粒径小（大部分小于３ｐｍ），气孔孔径小（３～５
ｐｍ），
（”一１）ＡＩ２０３＋ＭｇＯ・ＡＩ
３＋ＭｇＯ－－Ｍｇ（）・Ａ１２０３
２（）ｘ—
（Ｈ＞１）
（３）
烧结性较差，其原因是，富铝尖晶石的尖晶石化反应滞后至更高的温区，从而延缓阻碍了晶体发育和烧结。
ＭｇＯ・ｈａｌ２０。
（４）
２．３尖晶石显微结构分析
图４～图６为２４８ＭＡ（Ａ）、２．７７ＭＡ（Ａ）和３．７７ＭＡ（Ａ）经１７３０℃煅烧后试样的断口显微结构。从图４可以看出，２４８ＭＡ（Ａ）富镁试样晶粒发育良好，晶粒粒径达１０“ｍ，各晶粒间有较大尺寸的ｆＬ隙，孔径为１０“ｍ左右。从图５、图６
３结论
（１）富铝尖晶石尖晶石化反应滞后于富镁尖晶石，两者的尖晶石反应完成温度相差约ｉ００从而阻碍了富铝尖晶石晶体的发育和烧结。
（２）富铝尖晶石尖晶石化反应分两步进行，即在形成理论尖晶石的基础上再固溶氧化铝，最终形成富铝尖晶石。
（３）富铝尖晶石较富镁尖晶石具有较小的晶粒和气孔。
参考文献
［Ｉ］郭海珠．余森实用耐火原料手册［Ｍ］北京：中国建
材工业出版社．２０００
Ｃ，
［２］Ｇａｎｅｓｈ
圄４
２
Ｉ．ＢｈａｔｔａｃｈａｒｉｅｅＳ，ＳａｈａＢＰＡｎｅｆｆｉｅｉｅｍ
Ｊ８、ｌ＾ＣＡ）试样断口膨貌
４Ｘ、Ｉ、ｆ、
ＭｇＡＩ？（）ｌｓｐｉｎｅｌａｄｄｉｔｉｖｅｆｏｒｉｍｐｒｏｖｅｄｓｌａｇｅｒｏｓｉｏｎ
ａｎｄｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｈｉｇｈＡＩ・（）３ａｎｄＭｇＯ—
Ｃ
ｌ‘１２４ＦｒａｅｔｏｇｒａｏｈＩｉＩｓ－・ｍｐｉｅ２
ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ［Ｊ］（＇ｅｒａｍｉｃｓ
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．２００２（２８）：
２１０
武汉科技大学学报
２０１２年第３期
２４５—２５３．
［４３李如椿，陈永强，陈嘉庚．低温合成镁铝尖晶石性能
［３］李建平，谢玉玲．镁铝尖晶石的合成及其工业应用
的影响［Ｊ］．河北理工学院学报，２００５，２７（３）：７３—７７．
ｒＪ］．非金属矿，１９９６（４）：２４—２７．
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ
ｏｎ
ＭＡｓｐｉｎｅｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ＰｅｉＣｈｕｎｑｉｕ・Ｓ九ｉＧａｎ
（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＲｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ，ＳｉｎｏｓｔｅｅｌＬｕｏｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ
ＲｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｉ。ｕｏｙａｎｇ４７１０３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔｉ
Ｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｕｍｉｎａｔｅｓｐｉｎｅｌｍａｔｅｒｉａｌｗａｓｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ
ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｓｉｎｔｅｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｆｒｏｍｍａｇｎｅｓｉｔｅ，ｌｉｇｈｔｃａｌｃｉｎｅｄｍａｇｎｅｓｉａａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｌｕｍｉｎａ．ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＭＡｓｐｉｎｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（ｍａｇｎｅｓｉａ—ａｎｄａｌｕｍｉｎａ—ｒｉｃｈｓｐｉｎｅｌ）ｏｎｔｈｅｓｐｉｎｅｌｌｉｚａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｕｒｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔ，ｔｈｅｓｐｉｎｅｌｒｅａｃｔｉｏｎｏｆａｌｕｍｉｎａ—ｒｉｃｈｓｐｉｎｅｌｓａｍｐｌｅｓｌａｇｓｂｅｈｉｎｄｔｈａｔｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍ—ｒｉｃｈｓｐｉｎｅｌｓａｍｐｌｅｓｆｏｒａｂｏｕｔ１００℃。ａｎｄｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｏｆａｌｕｍｉｎａ—ｒｉｃｈｓａｍｐｌｅｓｆａｌｌｓｉｎｔｏｔｗｏｓｔｅｐｓ．Ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｐｉｎｅｌｉｓｆｏｒｍｅｄｆｉｒｓｔ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｓｏｌｉｄｓｏｌｕｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ
ＯＣ—
ｃｕｒｓ
ｂｅｔｗｅｅｎａｌｕｍｉｎａａｎｄｓｔｏｉｃｈｉｍｅｔｒｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｐｉｎｅｌ，ａｎｄａｌｕｍｉｎａ—ｒｉｃｈｓｐｉｎｅｌｉｓｆｏｒｍｅｄ
ａｔ
ｌａｓｔ．
Ａｌｕｍｉｎａ—ｒｉｃｈｓｐｉｎｅｌｈａｓｌｏｗｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ｓｍａｌｌｅｒｇｒａｉｎｓｉｚｅａｎｄｐｏｒｅｓｉｚｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｕｍｉｎａｔｅｓｐｉｎｅｌ；ｒｅａｃｔｉｏｎ
［责任编辑彭金旺］
（上接第１９７页）
Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｎ
ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｓｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆａ。Ｆｅｚ０３ｐａｒｔｉｃｌｅｓ
ＷｕＭｉｎｇｚａｉｌ一，Ｚｈａｏ
Ｘｉｕｂｉｎｌ，ＤｕＸｉａｎｚｈｅｎｌ，ＬｉｕＹａｎｍｅｉｌ，Ｌｉｕ
Ｘｉａｎｓｏｎ９１“，Ｍａ
Ｙｏｎｇｑｉｎ９１
（１．ＡｎｈｕｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｖｉｃｅ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ２３００３９，Ｃｈｉｎａ；２．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ２３００３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ，０【一Ｆｅ２０３ｐａｒｔｉｃｌｅｓｗｅｒｅｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｂｙｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｍｅｔｈ—ｏｄｕｓｉｎｇＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏａｓ
ｓｔａｒｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ．ＸＲＤ，ＴＥＭａｎｄＶＳＭｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄ
ｏｕｔ
ｏｆ
ｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ
ｔｏ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｉｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ
ｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｈａｓａｎ
ｏｂｖｉｏｕｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｏｎ
ｔｈｅｇｒａｉｎｓｉｚｅａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｏｆ
ａ—Ｆｅ２０３ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ａｎｄｉｔ
ｃａｎ
ａｌｓｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｓａｔｕｒａｔｅｄｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｅ２０３；ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ；ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓ；ｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙ
［责任编辑徐前进］