[发明专利]一种合成铁铝尖晶石及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及耐火材料工业领域，特别一种合成铁铝尖晶石及其生产方法。

背景技术

镁铬砖因为具有一系列较好的高温使用性能及优越的挂窑皮性能，被广泛的应用于水泥回转窑烧成带。但是，随着锻烧水泥技术的进步，早期的由硅酸盐结合的传统镁铬砖，己经不能适应现代新型干法水泥窑生产工艺的要求。直接结合镁铬砖的主要的特征是在砖中方镁石与方镁石晶粒、方镁石晶粒和铬铁尖晶石晶粒之间直接结合，导致其抵抗水泥熟料侵蚀性能和高温强度都明显优于传统的镁铬砖。直接结合镁铬砖是由高纯的合成原料经高压成型、高温锻烧而成，直接结合镁铬砖的另一个特点是在使用的过程中与水泥窑内的熟料发生反应生成稳定的窑皮，粘挂在砖的工作面上保护砖体，因而具有更好的挂窑皮性能。

随着水泥回转窑内的温度和气氛的改变，铬铁矿中的氧化铁会不断地发生铁的变价反应，这个过程会伴随着体积的变化，使镁铬砖的结构疏松，影响其使用寿命。铁的氧化物在低温时的稳定价态是+3价，而在高温条件下，Fe³⁺不稳定，转变为Fe²⁺；当温度下降时，Fe²⁺又变为Fe³⁺。由于Fe²⁺和Mg²⁺的离子半径相近，当镁铬砖中的Fe³⁺转变为Fe²⁺后，Fe²⁺进入MgO晶格，形成了（MgFe）O_ss固溶体，这个过程体积收缩约20%；而当温度下降时，固溶在MgO晶格中的Fe²⁺又有部分脱溶，氧化形成Fe³⁺，使材料的体积膨胀约20%，如图1。所以，虽然镁铬材料的高温性能非常出色，挂窑皮性也很好，但是，在回转窑进行暂停、检修过程中，常出现镁铬砖的结构疏松、强度降低，或剥落损毁等，这就是镁铬砖最致命的弱点。

水泥回转窑内的镁铬砖中的三氧化二铬会在高温状态下回与水泥熟料或者燃料中的碱金属氧化物反应形成带有剧毒六价铬的化合物。含有剧毒的Cr⁶⁺的化合物会被混入水泥熟料中，这些水泥熟料使用后就会造成Cr⁶⁺的污染。同时，使用后的废砖被雨水浸泡后渗入到地下，造成大范围的水污染。

从八十年代中期开始，很多国家已经认识到了六价铬对环境污染的严重性，开始限制水泥窑烧成带中镁铬砖的使用，监督废镁铬砖的处理，然而，废镁铬砖的处理费用十分高昂，所以各国的水泥行业都纷纷寻找一种可以替代在水泥回转窑烧成带使用的镁铬砖的碱性耐火材料。

尖晶石砖、白云石砖、镁锆砖等可以替换镁铬砖的替代品，在水泥回转窑烧成带上使用均没有达到理想的效果，寻找一种能够在水泥窑烧成带上使用且达到理想的使用效果的无铬砖成为了当前非常迫切的问题。

水泥回转窑的外筒温度不能过高，否则会导致窑体变形，这就要求烧成带用的耐火材料要有低导热系数，烧成带用的耐火材料要有足够的铁铝酸四钙（C₄AF）窑皮来保护水泥回转窑烧成带衬砖。通过研究窑皮材料发现，在铁、铝元素共同存在的条件下，有助于形成具有稳定的性能的C₄AF窑皮组分，即存在铁元素有助于水泥回转窑烧成带用的耐火材料形成稳定的窑皮。镁-铁铝尖晶石砖中同时含有铝和铁的氧化物，这是形成窑皮必不可少的氧化物，有利于形成稳定的C₄AF窑皮，这就是镁-铁铝尖晶石砖最突出的优点。

目前，镁-铁铝尖晶石砖的制备主要有两种方式：一是先合成出铁以Fe²⁺的形式存在的铁铝尖晶石原料，再以镁砂和合成出的铁铝尖晶石为原料经成型、烧成等工艺制备，简称预合成法；二是以镁铝尖晶石和镁铁砂等为原料经成型、烧成等工艺直接制备，简称直接法。

由于铁的变价会导致较大的体积变动，所以在使用含铁的制品时，要想办法将铁的价位稳定下来。以合成的铁铝尖晶石为原料制备了镁-铁铝尖晶石砖，可以很好的将砖中的铁元素的价位稳定在二价，从而很好的避免了温度变化对制品的体积的影响。

在铁氧化物及铁的复合氧化物中，能够作为Fe²⁺的载体引入到砖中的也就是亚铁铝尖晶石。自然界中铁很少会以二价化合物存在，所以在自然界中找不到天然的铁铝尖晶石，只能人工合成。

人工合成铁铝尖晶石是生产镁-铁铝尖晶石砖的主要原料之一，人工合成铁铝尖晶石有两种方法-电熔法和气氛保护烧结法。