深入了解耐火材料中的关键成分：镁铝尖晶石七大性质解读

镁铝尖晶石是尖晶石质耐火材料主要的原材料之一，镁铝尖晶石可分为两大类，即烧结尖晶石和电熔尖晶石。

1.尖晶石的化学成分与密度

由于尖晶石存在着广泛的固溶区域，并与方镁石和刚玉共存，所以不同的化学组成时，尖晶石或复合体所表现出的密度、结晶尺寸和烧结性等都有不同。

表1烧结尖晶石的化学组成与物理性质

表1为以Al2O3和MgO为原料，按不同的MgO/Al2O3比例，经1900℃×30min热处理后烧结尖晶石的物理性质及矿物组成。将这些尖晶石细粉碎，成型后经1800℃×30min烧成，测定其体积密度与气孔率，结果如图1所示。富镁尖晶石具有较低的气孔率和较高的体积密度。这是晶界迁移速率的减少所表现出来的结果。

2.尖晶石的固溶与离析

尖晶石固溶体含有与方镁石或刚玉共存的区域在很大的范围内存在。固溶体的晶格常数与Al2O3的含量成反比，如图2a所示。在低于合成温度下尖晶石就可以结晶，Al2O3以刚玉形式离溶析出，呈二相平衡状态。

由尖晶石固溶体的晶格常数很容易计算出其Al2O3含量。尖晶石属于立方晶系，根据X耐线衍耐数据由下列公式可求出立方晶系晶体的晶格常数：

图1化学组成与致密程度

对镁铝尖晶石而言，最强的衍耐峰属于(311)晶面，因而h2+k2+l2为11。dhkl值可由X耐线衍耐得到，可由此计算出晶格常数a。图2b中示出了镁铝尖晶石中Al2O3含量与晶格常数的关系，因此已知晶格常数时可计算出Al2O3含量。

图2尖晶石晶格常数与Al2O3含量之关系

尖晶石固溶体的离析还能从尖晶石经反复加热后的膨胀系数变化反映出来。将表1中的尖晶石加热到1500℃再冷却，反复3次，在富MgO部分，尖晶石的膨胀系数变化很小，但富Al2O3尖晶石，尤其是试样80和90热膨胀系数增大，此乃由于有刚玉析出造成的。在确定合成尖晶石的配比时，应注意这一现象。

3.矿物组成与显微结构特征

合成镁铝尖晶石以尖晶石为主晶相，根据组成的不同，富镁尖晶石通常还含有方镁石，富铝尖晶石还含有刚玉。图3为Al2O3含量分别为66%、76%和90%的三种高纯烧结尖晶石的X耐线图谱。在Al2O3含量为94%的烧结尖晶石和含量为的电熔尖晶石中发现有少量(X耐线衍耐峰可见)的β-Al2O3。β-Al2O3与尖晶石形成固溶体时会产生体枳膨胀而恶化烧结过程：但很少量的β-Al2O3存在不会对尖晶石的抗渣性产生明显的影响。

图3烧结镁铝尖晶石的状物组成

图4为上述三种尖晶石的SEM照片。通常与方镁石或刚玉共存的富镁或富铝尖晶石晶界较为消晰，而成分接近于真尖晶石的试样难于判别晶粒生长的晶界。烧结尖晶石中尖晶石结晶尺寸在20μm左右，富镁尖晶石结晶尺寸较富铝尖晶石小。电子探针分析表明，游离MgO的区域存在于尖晶石的基质中，CaO等杂质也离析存在于尖晶石晶体的结合部。

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

图4 镁铝尖晶石的显微结构(SEM)

4.尖晶石的热膨胀性

图5为不同Al2O3含量的烧结和电熔尖晶石的热膨胀曲线。电熔尖晶石的膨胀率随Al2O3含量的提高而增大，膨胀率在1300℃左右达到最大值，温度再升高则膨胀率下降;烧结尖晶石也表现出相似的性质，但膨胀率在1300℃以后的降低幅度比电熔尖晶石大。总的来说，无论是电熔尖晶石或烧结尖晶石，MgO含量越小，达到最大膨胀率后再升高温度膨胀率的降低幅度越小。

图5 尖晶石的热膨胀曲线

5.尖晶石的耐热震性

良好的热震稳定性是尖晶石质耐火材料的一大特点。由以上尖晶石的热膨胀性特征可知，尖晶石在加热至1300℃时达到最大的膨胀率，测定加热前后尖晶石颗粒的破坏强度可以衡量其抗热震能力。表2为几种尖晶石破坏强度的测定结果，并与熔融氧化铝和烧结氧化铝相对比。一般而言，烧结尖晶石在热震前后的单粒破坏强度都较电熔尖晶石大，这与它们的结晶状况有关，电熔品为玻璃状，而烧结品为致密质。

表2镁铝尖晶石的耐热震性

6.尖晶石的抗渣性

以市售不同Al2O3含量的尖晶石制成刚玉-尖晶石浇注料，在燃气的回转式抗渣试验炉中进行试验(合成渣成分CaO48%，SiO212%，Fe2O316%，Al2O313%，MnO6%，MgO5%)，其结果如图6所示。随尖晶石中Al2O3含量(根据晶格常数计算而得)的増加，浇注料的抗渣侵蚀能力提高，而抗渣渗透能力则下降。由图6可见，各种Al2O3含量的尖晶石所制浇注料的渣侵蚀最大差值为约3.5%，渣渗透的最大差值为约2.1%;在高频抗渣试验炉中的结果表明;Al2O3含量为70%，90%和95%的尖晶石制成的浇注料抗渣能力差别很小。研究还表明，含89%~90%Al2O3和94%Al2O3的尖晶石制成的浇注料耐磨性也非常接近。Al2O3含量为85%的尖晶石被认为是制造浇注料的较好原料。

图6尖晶石浇注料的抗渣性

7.镁铝尖晶石的水化

镁铝尖晶石砂与水蒸汽接触也能发生水化。在尖晶石与方镁石的共存区域，MgO/Al2O3比值较大时，方镁石量增加，方镁石的水化反应速度增大，引起颗粒溃裂。因此，在生产和使用过程中，镁铝尖晶石必须存储在不受潮湿的库房内，运输过程中也不能受潮。

—些防止碱性耐火原料水化的方法也可用于镁铝尖晶石。据日本研究，添加0.1~0.3%的有机硅化合物可使富镁尖晶石砂的重量增加率控制在0.1%以下;而不加添加物时则达到1.8%。