镁铝尖晶石质耐火材料

镁铝尖晶石质耐火材料

（西安建筑科技大学华清学院）

摘要:阐述了镁铝尖晶石质耐火材料的性能及合成，论述了镁铝尖晶石质耐火材料的应用及发展趋势。关键词:镁铝尖晶石质耐火材料；结构特点；应用；发展趋势

The Development and Application of Magnesia-alumina Spinel Refractories Abstract: The properties and synthesis ofmagnesia-alumina spinel refractories was expounded together with discussion on the application and developing trend of them.

Key words: magnesia-alumina spinel refractories; structure characteristic; application; developing trend

1 前言

耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及工业用高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。随着高温工业的发展，对炉衬耐火材料的生产和使用也提出了更高的要求。炉衬耐火材料不仅要求长期处在高温的工作环境，能经受高尘，强腐蚀性炉气及炉渣的冲刷和侵蚀，还要经受温度骤变、机械和物料的撞击、磨损以及各种应力的综合影响。为满足高温工业的需要，炉衬耐火材料产品的使用性能还需进一步提高。而镁铝尖晶石质耐火材料的研究与开发正适应了这一发展趋势。

2 镁铝尖晶石质耐火材料的结构特点

镁铝尖晶石优良的高温性能，使其成为耐火材料中重要的组成部分。从MgO-Al2O3二元系相图（图1）可以看出，Mg-Al2O3是此二元系统的一个中间化合物，熔点为2 135 ℃。方镁石从1 500 ℃开始固溶于尖晶石中，且随着温度的升高固溶量增加。当温度达到1 995 ℃时，溶解度达到最大值10 %。刚玉在高温下也可以固溶在镁铝尖晶石中，且固溶量随着温度的升高而增加，在1 900 ℃以上时，固溶量可以达到20 %以上。

图1 MgO-Al2O3二元系相平衡图【1.2】

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【3】。因此，镁铝尖晶石晶体的饱和结构【4,5】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。从表1可以看到镁铝尖晶石、方镁石及刚玉的理化特性。

3 镁铝尖晶石质耐火材料的主要类型

镁铝尖晶石质耐火材料的

分类方法很多。为了便于研究、生产和使用，镁铝尖晶石质耐火材料通常根据材料的化学矿物组成、制造方法、材料的性质、形状尺寸以及应用等方法进行分类。Bartha 根据化学矿物组成，把镁铝尖晶石质耐火材料分为三类【6,7】：

（1）方镁石-尖晶石质耐火材料，Al2O3质量分数<30％；

（2）尖晶石-方镁石质耐火材料，Al2O3质量分数为30%～68%；

（3）尖晶石质耐火材料，Al2O3质量分数为68%～73％。我国目前工业上应用的大多为第一种类型，且一般把Al2O3质量分数> 8%～10％的镁铝尖晶石质耐火材料称为镁铝砖。

根据制造方法，可大致分为定型（烧成砖、不烧砖、电熔砖、隔热砖）和不定型耐火材料。根据材料的性质可分为重质和轻质耐火材料。根据形状尺寸可分为标准砖、异型砖、特异型砖、大异型砖以及耐火材料器皿等制品。根据其应用可分为焦炉、高炉、炼钢炉、有色金属冶炼用耐火材料以及水泥窑、玻璃窑用耐火材料等。

4 镁铝尖晶石质耐火材料的制备方法

自然界中镁铝尖晶石蕴藏

量极少，目前在工业应用上主要以合成原料为主（图2 是人工合成的纯镁铝尖晶石的SEM照片【8】）。

图2 镁铝尖晶石陶瓷SEM 照片

合成的方法主要有【9】：固相烧结法、电弧炉熔制法、共沉淀法、干燥及冲洗法、高温雾化法等，工业生产中主要采用前两种方法。相应的镁铝尖晶石产品有电熔尖晶石，烧结尖晶石，热活性尖晶石。与电弧炉熔制法相比，固相烧结法具有合成工艺简单，

生产成本低，能采用天然原料合成等优点，因此被广泛采用。镁铝尖晶石在900 ℃时就开始生成，到1 400 ℃时反应已经进行的很强烈，1 500 ℃时反应趋于结束。但是由于尖晶石生成时的体积膨胀使其很难烧结，而且其再结晶能力很弱10 。温度制度是获得致密尖晶石熟料重要的因素之一。因此，要得到致密的、有一定强度的尖晶石制品其烧结温度必须在1 700 ℃以上。固相烧结法包括两种合成工艺：一步煅烧法和二步煅烧法【4】。

4.1 一步煅烧法

一部煅烧法合成工艺：原料→共同细磨→压型→死烧→熟料。采用这种工艺合成的熟料，强度低，致密性差。这主要是由于尖晶石生成时5％～8％的体积膨胀所引起的。但是，如果通过控制工艺，增加烧结温度等方法是可以得到较好的镁铝尖晶石制品的。一步煅烧法的最大特点就是合成尖晶石的工艺简单，生产成本低。

4.2 二步煅烧法

二步煅烧法合成工艺：原料→共同细磨→成坯（或成球）→轻烧→活性尖晶石粉→破碎→细磨→成型→死烧→熟料。采用这种合成工艺可以得到致密性好，品质优良的熟料。从理论上来说，晶石合成时，重复煅烧的次数越多，且把每次煅烧后的产物均匀细磨，则合成效果越好。虽然二步煅烧法合成工艺复杂，生产成本高，但实际生产中大多采用此方法。5 镁铝尖晶石质耐火材料的应用

由于我国铬矿资源匮乏，我国科技人员根据自已的资源特点。从20 世纪50 年代开始进行镁铝尖晶石质耐火材料的研究工作，开发出平炉炉顶用镁铝砖。80 年代，我国常规钢包内衬，采用烧结矾土作颗粒，以镁砂和矾土混合料细粉制成不烧砖或浇注料，取得了良好的使用效果。该工艺属于Al

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O

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/MgO·Al

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系耐火材料。欧洲和美洲直到70 年代，都很少使用尖晶石为原料生产的碱性耐火材料。日本于1976 年在水泥工业开始使用镁铝尖晶石质耐火材料，解决了Cr＋3在使用中转变为有毒的Cr＋6污染问题。

与MgO·Cr

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质耐火材料相比，镁铝尖晶石具有更突出的抗渣性，耐剥落性以及较好的抗蠕变性能。到目前为止，镁铝尖晶石质耐火材料主要应用于钢包内衬、平炉炉顶、水泥回转窑烧成带衬砖。此外，在炼铝、玻璃工业也有少量使用。这些都是作为重质致密耐火材料的形式使用。

6 镁铝尖晶石质耐火材料的发展趋势

为适应高温工业的发展，耐火材料在产品种类、质量和功能等方面面临着巨大的挑战。镁铝尖晶石质耐火材料的品种和技术水平有待提高。研究开发出优质高效的镁铝尖晶石质耐火材料迫在眉睫。