Магний-алюминий/магний-хром/железо-алюминиевая шпинель структура кристаллической фазы и индекс

1. Магнезиально-глиноземистый шпинелевый песок.

Химическая формула магниево-алюминиевой шпинели MgAl2O4 или MgO-Al2O3, теоретическое содержание ω(MgO) = 28,3%, ω(Al2O3) = 71,7%. Природная магнезиально-глиноземистая шпинель встречается редко, и все промышленные применения - это синтетические продукты. Магнезиально-глиноземистая шпинель обладает хорошей устойчивостью к эрозии, истиранию и хорошей стабильностью к тепловому удару. По методу синтеза подразделяется на метод спекания и метод электросварки.
Температура плавления твердого раствора шпинели MgAl составляет 2135℃. В результате реакции MgO и Al2O3 с образованием шпинели происходит объемное расширение от 5% до 8%, что создает определенные трудности для уплотнения процесса синтеза Mg-Al шпинели. Синтез Mg-Al шпинели относится к твердофазным реакциям, которые можно рассматривать как компактное накопление ионов кислорода большего радиуса, в то время как ионы Mg и Al меньшего радиуса диффундируют друг к другу в рамках фиксированного компактного накопления ионов кислорода.
(1) Спеченный магнезиально-глиноземистый шпинелевый песок.
Спеченная синтетическая шпинель обычно представляет собой высокочистый слегка обожженный MgO (массовая доля примесей менее 3%) и промышленный глинозем или глинозем смешанного помола, баллинг, в высокотемпературную вращающуюся печь или перевернутое пламя печи кальцинации. В основном используется в подготовке цементной печи с магнезитом шпинельного кирпича.

В следующей таблице приведены типичные технические показатели шпинелевого песка с высоким содержанием магнезии.

Микроструктурные характеристики спеченной магнезиально-глиноземной шпинели зависят от типа сырья и параметров процесса синтеза. В качестве сырья для синтеза магнезиальной шпинели в экспериментах были выбраны промышленный глиноземный порошок и порошок легкообожженного оксида магния, произведенный на одном из предприятий. Основной кристаллической фазой богатой магнием шпинели является магнезиально-глиноземная шпинель и магнезит, размер зерен магнезиально-глиноземной шпинели составляет 10-30 мкм, межзерновое распределение зернистых кристаллов магнезита, по размеру меньше зерен магнезиально-глиноземной шпинели.
(2) Электроплавленый магнезиально-глиноземистый шпинельный песок.
Электроплавленая магнезиально-глиноземная шпинель изготавливается из магнезита и промышленного глинозема в качестве сырья, с использованием электродуговой печи для плавления и синтеза шпинели, которая имеет характеристики простого процесса и крупных кристаллов с высокой плотностью синтезированной шпинели. Электродуговая синтетическая шпинель часто используется в качестве сырья для рафинировочных печей, антифрикционных плит и других шпинельных изделий.

В следующей таблице приведены типичные технические показатели электрического плавленого магниево-алюминиевого шпинельного песка.

Микроструктура электроплавленой магнезиально-глиноземной шпинели характеризуется наличием основной кристаллической фазы магнезиально-глиноземной шпинели с небольшим количеством магнезиально-оливиновой. Кристаллы шпинели полные и крупные, более нескольких сотен микрон, с высокой плотностью.
2. Магниево-хромовый шпинельный песок.
Магнезиально-хромовый шпинельный песок - это магнезиальное комплексное огнеупорное сырье, получаемое путем искусственного синтеза с основным кристаллом магнезии и вторичной шпинелью в качестве основного минерала. Система Mg0-Cr2O3 очень похожа на MgO-Al2O3, и в ней существует соединение магнезиально-хромовой шпинели MgO-Cr2O3, которое является теоретической основой синтеза магнезиально-хромового шпинельного песка. Обычно магнезиально-хромовая шпинель и магнезиальный песок являются композитным материалом для производства магнезиально-хромовых кирпичей, особенно непосредственно комбинированных магнезиально-хромовых кирпичей, широко используемых в металлургии, производстве строительных материалов и других областях промышленности.

В настоящее время на рынке широко используется в основном 20 магниево-хромовый песок и 36 магниево-хромовый песок. Обычно сортность магниево-хромового песка связана с содержанием оксида хрома в магниево-хромовом песке. В следующей таблице показан типичный технический индекс магниево-хромового песка.

Микроструктура магнезиально-хромового песка характеризуется наличием основной кристаллической фазы магнезита и магнезиально-хромовой шпинели. Из диаграммы морфологии светлого листа видно, что серый цвет - это основная кристаллическая фаза магнезита, белый - вторичная шпинель десольвации, серо-белый - силикатная фаза, а зерна магнезита объединены фазой шпинели и силикатом между ними. По сравнению с электроплавленым 20-хромовым магниево-хромовым песком, в 36-хромовом магниево-хромовом песке размер кристаллической шпинели большой, и наблюдается явление агрегации шпинели.
3. Железо-алюминиевый шпинельный песок：

Железо-алюминиевая шпинель - редкий в природе минерал. Химическая формула - FeAl2O4. Это ортоклиническая, изометричная кристаллическая система, в основном октаэдрической кристаллизации. Его температура плавления составляет 1780℃. Это единственное стабильное соединение в системе FeO-Al2O3. FeO-Al шпинель обладает хорошими свойствами, с высокой температурой плавления (1780℃) и низким коэффициентом теплового расширения. При добавлении в огнеупорные кирпичи железо-алюминиевая шпинель придает им отличные физико-химические свойства. Однако она редко встречается в природе и должна быть синтезирована искусственно, как правило, методами электросварки и спекания для синтеза железо-алюминиевой шпинели.
Наблюдая фазовую диаграмму системы FeO-Al2O3, обнаруживается, что существует расплавленное соединение с температурой плавления 1780°C ниже 1750°C - это стабильное соединение только в области, где оксид железа FeO может стабильно существовать, чтобы гарантировать, что соединение, образованное с Al2O3, является шпинелью FeO-Al2O3. А в условиях вне области стабильного присутствия FeO, о продукте, полученном в результате действия оксида железа и Al23, трудно сказать, что это шпинель FeO-Al2O3, но может быть твердым раствором, содержащим большое количество или в основном Fe2O3-Al2O3.
Из морфологии микроструктуры электроплавленой железоалюминиевой шпинели и спеченной железоалюминиевой шпинели следует, что основной кристаллической фазой в обоих случаях является железоалюминиевая шпинель. Разница заключается в том, что размер кристаллов плавленой железоалюминиевой шпинели большой, достигает нескольких сотен микрон, а плотность сырья высокая, но однородность невысокая, и примесная фаза сконцентрирована. Размер кристаллов спеченной железоалюминиевой шпинели составляет от 20 до 40 м, размер кристаллов более однородный, плотность сырья невысокая, содержит больше открытых пор, а размер пор больше.