[發明專利]一種合成鐵鋁尖晶石及其生產方法

有效

• 申請號: 201410018045.1
• 申請日: 2014-01-14
• 公開（公告）號: CN103848618A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 李志堅;陸兆鑫;劉蘭芳;欒旭;吳鋒;嚴明偉
• 申請（專利權）人: 遼寧科技大學
• 主分類號: C04B35/10
• 分類號: C04B35/10;C04B35/622;C04B41/85
• 代理公司: 鞍山嘉訊科技專利事務所 21224
• 代理人: 張群

技術領域

本發明涉及耐火材料工業領域，特別一種合成鐵鋁尖晶石及其生產方法。

背景技術

鎂鉻磚因為具有一系列較好的高溫使用性能及優越的掛窯皮性能，被廣泛的應用于水泥回轉窯燒成帶。但是，隨著鍛燒水泥技術的進步，早期的由硅酸鹽結合的傳統鎂鉻磚，己經不能適應現代新型干法水泥窯生產工藝的要求。直接結合鎂鉻磚的主要的特征是在磚中方鎂石與方鎂石晶粒、方鎂石晶粒和鉻鐵尖晶石晶粒之間直接結合，導致其抵抗水泥熟料侵蝕性能和高溫強度都明顯優于傳統的鎂鉻磚。直接結合鎂鉻磚是由高純的合成原料經高壓成型、高溫鍛燒而成，直接結合鎂鉻磚的另一個特點是在使用的過程中與水泥窯內的熟料發生反應生成穩定的窯皮，粘掛在磚的工作面上保護磚體，因而具有更好的掛窯皮性能。

隨著水泥回轉窯內的溫度和氣氛的改變，鉻鐵礦中的氧化鐵會不斷地發生鐵的變價反應，這個過程會伴隨著體積的變化，使鎂鉻磚的結構疏松，影響其使用壽命。鐵的氧化物在低溫時的穩定價態是+3價，而在高溫條件下，Fe³⁺不穩定，轉變為Fe²⁺；當溫度下降時，Fe²⁺又變為Fe³⁺。由于Fe²⁺和Mg²⁺的離子半徑相近，當鎂鉻磚中的Fe³⁺轉變為Fe²⁺后，Fe²⁺進入MgO晶格，形成了（MgFe）O_ss固溶體，這個過程體積收縮約20%；而當溫度下降時，固溶在MgO晶格中的Fe²⁺又有部分脫溶，氧化形成Fe³⁺，使材料的體積膨脹約20%，如圖1。所以，雖然鎂鉻材料的高溫性能非常出色，掛窯皮性也很好，但是，在回轉窯進行暫停、檢修過程中，常出現鎂鉻磚的結構疏松、強度降低，或剝落損毀等，這就是鎂鉻磚最致命的弱點。

水泥回轉窯內的鎂鉻磚中的三氧化二鉻會在高溫狀態下回與水泥熟料或者燃料中的堿金屬氧化物反應形成帶有劇毒六價鉻的化合物。含有劇毒的Cr⁶⁺的化合物會被混入水泥熟料中，這些水泥熟料使用后就會造成Cr⁶⁺的污染。同時，使用后的廢磚被雨水浸泡后滲入到地下，造成大范圍的水污染。

從八十年代中期開始，很多國家已經認識到了六價鉻對環境污染的嚴重性，開始限制水泥窯燒成帶中鎂鉻磚的使用，監督廢鎂鉻磚的處理，然而，廢鎂鉻磚的處理費用十分高昂，所以各國的水泥行業都紛紛尋找一種可以替代在水泥回轉窯燒成帶使用的鎂鉻磚的堿性耐火材料。

尖晶石磚、白云石磚、鎂鋯磚等可以替換鎂鉻磚的替代品，在水泥回轉窯燒成帶上使用均沒有達到理想的效果，尋找一種能夠在水泥窯燒成帶上使用且達到理想的使用效果的無鉻磚成為了當前非常迫切的問題。

水泥回轉窯的外筒溫度不能過高，否則會導致窯體變形，這就要求燒成帶用的耐火材料要有低導熱系數，燒成帶用的耐火材料要有足夠的鐵鋁酸四鈣（C₄AF）窯皮來保護水泥回轉窯燒成帶襯磚。通過研究窯皮材料發現，在鐵、鋁元素共同存在的條件下，有助于形成具有穩定的性能的C₄AF窯皮組分，即存在鐵元素有助于水泥回轉窯燒成帶用的耐火材料形成穩定的窯皮。鎂-鐵鋁尖晶石磚中同時含有鋁和鐵的氧化物，這是形成窯皮必不可少的氧化物，有利于形成穩定的C₄AF窯皮，這就是鎂-鐵鋁尖晶石磚最突出的優點。

目前，鎂-鐵鋁尖晶石磚的制備主要有兩種方式：一是先合成出鐵以Fe²⁺的形式存在的鐵鋁尖晶石原料，再以鎂砂和合成出的鐵鋁尖晶石為原料經成型、燒成等工藝制備，簡稱預合成法；二是以鎂鋁尖晶石和鎂鐵砂等為原料經成型、燒成等工藝直接制備，簡稱直接法。

由于鐵的變價會導致較大的體積變動，所以在使用含鐵的制品時，要想辦法將鐵的價位穩定下來。以合成的鐵鋁尖晶石為原料制備了鎂-鐵鋁尖晶石磚，可以很好的將磚中的鐵元素的價位穩定在二價，從而很好的避免了溫度變化對制品的體積的影響。

在鐵氧化物及鐵的復合氧化物中，能夠作為Fe²⁺的載體引入到磚中的也就是亞鐵鋁尖晶石。自然界中鐵很少會以二價化合物存在，所以在自然界中找不到天然的鐵鋁尖晶石，只能人工合成。

人工合成鐵鋁尖晶石是生產鎂-鐵鋁尖晶石磚的主要原料之一，人工合成鐵鋁尖晶石有兩種方法-電熔法和氣氛保護燒結法。