尖晶石耐火材料

尖晶石指的是相同結構的一類礦物，化學通式可表示為AO·R₂O₃，其中A代表二價元素離子，可以是Mg 、Fe等；R為三價元素，可以是Al、Fe、Cr等。它們大部分都以同晶型固溶體的形式存在，所有尖晶石借晶格膨脹形成固溶體，尖品石耐火材料按其所用的原料及其組成可分為鉻磚、鉻鎂磚、鎂鉻磚、鎂鋁尖晶石耐火材料。它是一類重要的中性或羽破性耐火材料，廣泛地用於高溫工業窯爐、平爐、電爐、鋼包、爐外精練，水泥迴轉窯、玻璃窯蓄熱室、煉銅爐等。

基本介紹

• 中文名：尖晶石耐火材料
• 外文名：Spinel refractory
• 通式：AO·R2O3
• 形式：同晶型固溶體
• 分類：鉻磚、鉻鎂磚、鎂鉻磚、尖晶石
• 套用：工業窯爐、平爐、電爐、鋼包

分類

尖晶石是指結構上基本相同的類礦物，這些相同礦物都以相同的晶型固溶體的形式存在，天然的尖晶石很少見，工業化生產使用的尖晶石全部是人工合成的產品，此類耐火材料屬於中高檔的耐火材料。煉鋼常用的主要是鎂鋁尖晶石耐火材料和鎂鉻磚，鉻鎂磚是煉鋼過程中較為理想的耐火材料之一。按照Bartha的分類方法，尖晶石耐火材料可以分為以下三類:

(1) Al₂O₃的質量分數小於30%的，稱作方鎂石-尖晶石耐火材料。

(2) Al₂O₃的質量分數在30%~68%之間的，稱作尖晶石-方鎂石耐火材料。

(3) Al₂O₃的質量分數在68%~73%之間的，稱作尖晶石耐火材料。

製備方法

(1)兩步法煅燒製備。第一步，在1100~1140℃煅燒原料，合成活性尖晶石粉；第二步，經過重新粉碎、研磨、成型和燒結，得到緻密的燒結體。

(2)濕化學法。採用濕化學方法，如氫氧化物共同沉澱法、鹼土金屬無機鹽或有機鹽的溶膠-凝膠法噴霧乾燥法和冷凍乾燥法等，可成功製備高純尖晶石粉末。

(3)高能球磨法。高能球磨法最初用來製備納米材料，隨著研究的不斷深人，現被用來合成尖晶石材料。利用機械能直接參與或引發化學反應是一種新思路。高能球磨後，材料的比表面積增大，晶格發生畸變，表面會產生許多破鍵，使粉末內部存儲大量的變形能和表面能。這樣，一方面可降低燒結溫度，另一方面，由於長時間粉磨，會促使非晶態物質的形成。

使用特點

鋼水精煉過程中使用的尖晶石耐火材料主要分為尖晶石磚和尖晶石澆注料兩種。在顯微結構上，尖晶石礦物均勻地分布在方鎂石中，晶體尺寸在5~20μm之間，故鎂鋁尖晶石磚的熱震穩定性和抗渣性較好。

理想的尖晶石的成分為：Al₂O₃8%~20%，CaO0.5%~1.0%，Fe₂O₃0.2%~0. 8%，SiO₂<0.4%，BO等鹼性雜質<0.3%，其餘的成分為MgO。在這些合適的範圍內，當加入ZnO時，其熱震穩定性提高，8次熱循環後(從1000℃高溫中取出，放入空氣中驟冷)，強度幾乎不變，仍在200MPa以上，同時抗渣性也表現較好。國外學者研究了Al₂O₃含量分別為47%和69%的富鎂、富鋁尖晶石抗CaO-AlO₃-SiO₂渣的侵蝕性，結果表明：富鎂尖晶石有較好的抗渣侵蝕性，在渣和耐火材料界面上生成的MgO(Al，Fe)₂O₃複合尖晶石層的量與尖晶石中的氧化鎂含量成正比，它抑制了渣的直接侵蝕；富鋁尖晶石有良好的抗渣滲透性，耐火材料中的氧化鋁和渣中的氧化鈣反應，在鋼渣-耐火材料界面上生成CaO-Al₂O₃化合物，可以抑制渣的滲透，尤其是高鹼度爐渣的滲透。

還有的學者在高鋁尖晶石和鋁鎂澆注料的抗渣試驗中發現，Al₂O₃-MgO澆注料中原位生成的尖晶石吸收渣中氧化鐵和氧化鈣的能力是合成尖晶石的4倍左右。由於原位尖晶石較細，分散均勻，且生成二次尖晶石時伴隨體積膨脹，所以在整體膨脹受約束的狀態下，材料的結構較為緻密，提高了耐火材料的抗渣性。

尖晶石粒度也影響澆注料的抗渣性。在鋁尖晶石澆注料中，對高鹼度渣，尖晶石顆粒加入量較多的澆注料的抗侵蝕性好；對低鹼度渣，尖晶石細粉加入量較多的澆注料的抗侵蝕性和抗滲透性均較好。鋼包使用的尖晶石澆注料一般使用高模數的水玻璃作為結合劑。在尖晶石磚的製品中，如果尖晶石磚中Al₂O₃< 8%時，尖晶石晶體含量少，晶間結合以方鎂石與方鎂石結合為主體，製品出現抗剝落性差的鎂磚的特點；Al₂O₃>20%時，磚的抗侵蝕性能將會下降。

鎂鋁尖晶石質耐火材料

鎂鋁尖晶石(也稱尖晶石)的化學式為MgO。Al₂O₃含MgO 28.3%， Al₂O₃71.7%熔點2135℃，鎂鋁尖晶石與鎂鉻磚相比，主要優點是對還原氣氛、游離CO₂、游離SO₂/SO₃及游高K₂O/N_a2O的抗侵蝕性強，以及具有較好的熱振穩定性與耐磨性。尖品石質耐火材料可分為三類：方鎂石-尖晶石耐火材料，Al₂O₃含量<30%；尖晶石一方鎂石耐火材料，Al₂O₃含量為30%~68% ；尖晶石耐火材料，Al₂O3含量為68%~73%。