低品位菱鎂礦與工業鋁灰制備鎂鋁尖晶石*

鐘鑫宇，羅旭東，張國棟，曲殿利，王 闖

（遼寧科技大學高溫材料與鎂資源工程學院，遼寧鞍山 114051）

鎂鋁尖晶石具有熔點高、熱膨脹系數低、導熱性好、抗渣侵蝕能力強等優點，被廣泛應用于冶金等高溫領域［1］。鎂鋁尖晶石在制備過程中受離子擴散速度控制，并且固相反應伴隨體積膨脹，因此很難燒結致密［2］。目前工業上鎂鋁尖晶石的合成方法一般包括燒結法和電熔法，其合成溫度一般較高［3-5］。原料一般采用高品位菱鎂礦、工業氧化鋁等高純原料，原料成本也較高。基于以上情況，采用低品位菱鎂礦與工業鋁灰制備鎂鋁尖晶石具有良好的經濟效益。工業鋁灰是電解鋁工業中的除塵灰及電解槽下的飛濺物質，成分較為復雜，含有大量的Al2O3、AlN、金屬鋁和氟化物［6］。從20世紀50年代開始就有將工業鋁灰用于煉鋼脫氧、造渣的報道，同時工業鋁灰的組成特點符合現有LF爐造渣要求，因此逐步在精煉等工藝得到應用。但是，由于工業鋁灰成分復雜，使用前需進行脫氮活化處理等，給其進一步推廣應用帶來不利［7］。以工業鋁灰和低品位菱鎂礦為原料，通過高溫固相反應制備鎂鋁尖晶石可以克服工業鋁灰成分復雜的缺點，即將工業鋁灰中的含鋁單質、氮化物和氟化物在高溫有氧條件下轉變成氧化鋁，并與菱鎂礦高溫分解形成的活性氧化鎂反應可生成鎂鋁尖晶石。筆者采用的低品位菱鎂礦為遼寧南部地區典型的菱鎂礦風化石，由于長期的風化作用，此種粉狀巖石礦物對環境造成嚴重的污染［8-10］。因此以菱鎂礦風化石和工業鋁灰為原料制備鎂鋁尖晶石也具有重要的社會意義。筆者重點研究了煅燒溫度對以低品位菱鎂礦與工業鋁灰為原料固相反應制備鎂鋁尖晶石材料礦物組成和微觀結構的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

低品位菱鎂礦為遼寧南部地區典型的菱鎂礦風化石，其化學組成 ：w（MgO）=41.22%，w（SiO2）=3.72%，w（CaO）=1.26%，w（Fe2O3）=0.78%，w（Al2O3）=0.21%，灼減量=46.89%。工業鋁灰化學組成：w（Al2O3）=65.23%，w（SiO2）=6.22%，w（CaO）=3.95%，w（Fe2O3）=1.93%，w（Al）=12.23%。

1.2 制備方法

工業鋁灰煅燒試樣制備：將工業鋁灰置于坩堝中，分別在 1300、1400、1500℃煅燒，保溫時間 2 h，試樣編號分別為D1、D2、D3。煅燒后試樣隨爐冷卻。

鎂鋁尖晶石煅燒試樣制備：按40%菱鎂礦風化石和60%工業鋁灰為基礎配方（質量分數）稱取物料，采用濕磨工藝濕磨3 h，濕磨后物料在110℃干燥箱中干燥12 h；干燥后試樣外加占物料總質量5%的聚乙烯醇溶液作為結合劑，半干法成型，成型壓力為20 kN；成型后試樣在110℃干燥2 h，然后分別在 1300、1350、1400、1450、1500 ℃煅燒，保溫時間為 2 h，試樣編號分別為 T1、T2、T3、T4、T5。 煅燒后試樣隨爐冷卻至室溫。

1.3 材料表征

用D/max-RB12kW轉靶X射線粉末衍射儀分析試樣的礦物相組成。采用X′Pert Plus軟件對XRD譜圖進行擬合計算不同煅燒溫度下工業鋁灰中剛玉相以及不同溫度下煅燒所得鎂鋁尖晶石材料中鎂鋁尖晶石相的晶格常數［11］，并利用該軟件計算對比D1～D3試樣的相對結晶度以及T1～T5試樣的相對結晶度。用JSM6480LV型掃描電鏡分析試樣的微觀結構及組織形貌。

2 結果分析與討論

2.1 煅燒溫度對工業鋁灰組成的影響

圖1為工業鋁灰經 1300、1400、1500℃煅燒2 h所得試樣XRD譜圖。從圖1可以看出，工業鋁灰在3種不同溫度下煅燒所得產物的主晶相為剛玉相，其他雜峰應該屬于玻璃相雜峰。剛玉相的形成主要源于工業鋁灰中氧化鋁的存在，同時在有氧條件下單質鋁氧化形成氧化鋁，以及鋁灰中氮化鋁和氟化鋁在高溫有氧條件下轉化生成氧化鋁，促進了材料中剛玉相的形成。

表1為利用X′Pert Plus軟件計算得到的工業鋁灰經不同溫度煅燒所得剛玉相在（012）和（116）晶面間距及晶胞常數。從表1看出，主晶相剛玉相為六方晶體結構。六方晶體結構中晶面間距d、晶面指數（hkl）及晶格常數滿足（4/3）［（h2+hk+k2）/a2］+（l/c）2=1/dhkl2的關系。因此確定兩組晶面指數及所對應的晶面間距dhkl即可確定出晶格常數a和c。通過對（012）和（116）兩組晶面的晶面指數及兩組晶面所對應的2θ位置，利用軟件計算出特征峰對應的晶面間距d012和d116，計算得到晶格常數a和c。

表1 剛玉相（012）（116）晶面間距d及晶胞常數

從表1中剛玉相晶格常數a和c的變化趨勢可以看出，剛玉相晶胞常數變化趨勢表現為各向異性，即隨著煅燒溫度的升高，a方向表現為減小趨勢，而c方向表現為增大趨勢。分析認為，工業鋁灰中氮化鋁和氟化鋁在高溫有氧條件下，氮離子、氟離子與氧離子交換過程中造成了剛玉相晶胞常數變化趨勢在不同方向上表現出各向異性，隨著煅燒溫度的升高，這種變化趨勢表現得更為明顯。

2.2 煅燒溫度對工業鋁灰微觀結構的影響

圖2為工業鋁灰經1300、1500℃煅燒2 h所得試樣斷口 SEM 照片。 從圖 D1（a）和 D3（a）看出，隨著煅燒溫度的升高，試樣的致密度逐漸增加，結構中氣孔數量明顯減少。 并且從 D1（b）和 D3（b）看出，提高煅燒溫度有利于結晶相的發育，結晶相棱角更加分明。分析認為，高溫狀態下氮離子、氟離子與氧離子交換速度增加以及由于煅燒溫度升高在結構中形成的熱缺陷均促進了結晶相的發育和長大。通過對比D1～D3的相對結晶度也可以發現，D3的相對結晶度是D2的1.1006倍，是D1的1.2460倍。

2.3 煅燒溫度對鎂鋁尖晶石材料組成的影響

圖3 為經 1300、1350、1400、1450、1500 ℃煅燒2 h鎂鋁尖晶石試樣XRD譜圖。從圖3可以看出，T1試樣XRD譜圖中出現了明顯的鎂鋁尖晶石相特征峰。隨著煅燒溫度的逐漸升高，鎂鋁尖晶石相衍射峰強度逐漸增強，以鎂鋁尖晶石作為主晶相的鎂鋁尖晶石材料中出現了方鎂石相和鎂橄欖石相。煅燒溫度的升高促進了方鎂石相轉變成鎂鋁尖晶石相，方鎂石相特征峰強度逐漸減弱。鎂橄欖石相的特征峰強度隨煅燒溫度的升高變化不大。為進一步研究討論煅燒溫度對鎂鋁尖晶石材料中主晶相鎂鋁尖晶石相的結構特征，利用X′Pert Plus軟件對XRD譜圖進行擬合，分析煅燒溫度對材料中鎂鋁尖晶石的晶胞常數的影響。表2為鎂鋁尖晶石相（311）（400）（440）晶面間距 d 及晶胞常數。

表2 鎂鋁尖晶石相（311）（400）（440）晶面間距d及晶胞常數

由表2看出，以低品位菱鎂礦和工業鋁灰為原料經高溫煅燒制得的鎂鋁尖晶石材料中主晶相鎂鋁尖晶石相保持立方晶體結構。因此，根據立方晶體結構中晶面間距d、晶面指數（hkl）及晶格常數關系計算出鎂鋁尖晶石相晶胞常數。從表2中鎂鋁尖晶石相晶格常數a的變化規律可以看出：隨著煅燒溫度的升高，鎂鋁尖晶石的晶格常數呈現先增大后減小的趨勢。當煅燒溫度為1400℃時，鎂鋁尖晶石相晶格常數達到最大值。在鎂鋁尖晶石相立方晶體結構中，氧離子做立方最緊密堆積，其中鎂離子填充1/8的四面體間隙，鋁離子填充1/2的八面體間隙。分析認為，低品位菱鎂礦高溫分解形成的高活性氧化鎂與工業鋁灰中的氧化鋁在高溫條件下發生固相反應生成鎂鋁尖晶石，固相反應速度隨著煅燒溫度的升高而加劇，離子間擴散速度加快。同時考慮到煅燒溫度升高，更多的液相參與到鎂鋁尖晶石固相反應中去，高溫液相的出現使得擴散傳質速度明顯加快，形成鎂鋁尖晶石相的結構缺陷數量減少也是導致鎂鋁尖晶石晶胞常數變化的一個主要原因。

2.4 煅燒溫度對鎂鋁尖晶石材料微觀結構的影響

圖4 為經 1300、1350、1400、1500℃煅燒 2 h鎂鋁尖晶石試樣斷口SEM照片。由圖4看出，T1試樣結晶相發育良好，但微觀結構中存在較大孔隙。T2與T1相比，其結晶相鎂鋁尖晶石有發育長大的趨勢，微觀結構中孔隙變小。從T3試樣看出，微觀結構中鎂鋁尖晶石相結構更為致密，結晶相鎂鋁尖晶石晶粒大小也更為均勻。分析認為，T1試樣中的孔隙應為菱鎂礦風化石分解成氧化鎂和二氧化碳形成的，鎂鋁尖晶石試樣結構保持了菱鎂礦母鹽結構。而隨著煅燒溫度的升高，當溫度達到1400℃時，鎂鋁尖晶石形成所產生的體積膨脹使試樣微觀結構變得更為致密，因此結構中的孔隙率減少，結構中八面體晶型結構的鎂鋁尖晶石相增加。觀察T5試樣看出，鎂鋁尖晶石相出現異常長大的現象，并且伴隨有體積膨脹，導致微觀結構中孔隙再次出現。利用X′Pert Plus軟件對比計算T1～T5試樣的相對結晶度也可以發現，T3的相對結晶度最高，是T1的1.1707倍。當煅燒溫度高于1400℃時，T4和T5相對結晶度呈現下降趨勢，T4和T5的相對結晶度是T1的1.0128倍和0.9829倍。分析認為，煅燒溫度升高雖然加速了離子交換的速度，但也導致了新生成相鎂鋁尖晶石與材料中的雜質相反應生成低熔點相。出現的高溫液相為部分鎂鋁尖晶石相的異常長大提供了條件，但也導致了鎂鋁尖晶石試樣中的結晶相含量降低。

3 結論

工業鋁灰經高溫煅燒后，形成的氧化鋁材料主晶相為六方晶型的剛玉相。隨著煅燒溫度的升高，材料的致密性提高，主晶相剛玉相晶胞常數的變化趨勢呈現各向異性。利用低品位菱鎂礦與工業鋁灰經1400℃煅燒可以制備出以鎂鋁尖晶石為主晶相的鎂鋁尖晶石材料，在該溫度煅燒的鎂鋁尖晶石材料晶粒相對均勻、結構相對致密，主晶相鎂鋁尖晶石相晶胞常數最大。而煅燒溫度高于1400℃時，隨著煅燒溫度的升高，主晶相鎂鋁尖晶石相晶胞常數減小，材料中所形成的高溫液相增多也導致鎂鋁尖晶石晶粒的異常長大，試樣的相對結晶度降低。

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