铁铝尖晶石加入量及粒度对镁铁铝尖晶石砖性能的影响

　　摘要：研究了铁铝尖晶石加入量及粒度对镁铁铝尖晶石砖常温性能及抗热震性的影响。结果表明：铁铝尖晶石加入量（w）为 10%、粒度≤3 mm 时，镁铁铝尖晶石砖具有较高的体积密度和常温耐压强度，较低的显气孔率，良好的抗热震性。铁铝尖晶石在烧结过程中形成二次尖晶石，提高晶体间的结合程度而增加强度；由于热失配在材料中存在一定量的微裂纹，其增韧作用改善了材料的抗热震性。

　　关键词：铁铝尖晶石；加入量；粒度；镁铁铝尖晶石砖
为了解决水泥窑用镁铬砖造成的环境污染问题，水泥窑用无铬碱性耐火材料得到了长足的发展[1]，主要有方镁石复合镁铝尖晶石砖、镁铁尖晶石砖、镁铁铝复合尖晶石砖等。镁铝尖晶石砖抗热震性较好，但其挂窑皮性能较差，且热导率过高，不利于节能降耗；镁铁尖晶石砖虽说各方面性能都较好，但是也含有部分的铬；所以，现阶段镁铁铝复合尖晶石砖是水泥窑烧成带用耐火材料的首选[2]。镁铁铝复合尖晶石砖具有较好的结构柔韧性和致密性、良好的抗水泥熟料侵蚀性［3-5］，但其性能还需进一步优化。因此，在本工作中研究了铁铝尖晶石的加入量及粒度对镁铁铝复合尖晶石砖性能的影响。

　　1试验

　　1.1原料

　　本试验以烧结镁砂、电熔镁砂、电熔铁铝尖晶石为主要原料，其主要化学组成见表 1。

　　表 1主要原料的化学组成

　　铁铝尖晶石不同加入量的试验配比见表 2，不同粒度铁铝尖晶石的试验配比见表 3。按配比要求准确称料，先将颗粒料加入湿碾机中干混 3～5 min，加入 3%（w）的纸浆废液结合剂混练 3～5 min，再加入细粉料混练 5～10 min，泥料混合均匀后出料。采用 630 t 电动螺旋压力机成型，坯体经 110 ℃ 24 h 干燥后装车进入高温隧道窑烧成，按工艺要求保温 8 h 后出窑。

　　表 2 铁铝尖晶石加入量在试验中的配比

　　表 3 不同粒度铁铝尖晶石在试验中的配比

　　1.3性能检测

　　按GB/T 5998-2000 检测体积密度和显气孔率，按 GB/T 5072-2008 检测常温耐压强度，按 YB/T376.1-1995 检测抗热震性。

　　2结果与分析

　　2.1铁铝尖晶石加入量对材料性能的影响

　　2.1.1对显气孔率和体积密度的影响

　　图 1 示出了铁铝尖晶石加入量对试样体积密度和显气孔率的影响。可以看到，随着铁铝尖晶石加入量的增加，体积密度先增大后减小，显气孔率则呈现相反的趋势。当铁铝尖晶石加入量（w）为 10%时，试样具有较大的体积密度和较小的显气孔率，分别为 3.0 gcm-3 和 15.5%。

　　图 1 铁铝尖晶石加入量对试样体积密度和显气孔率的影响

　　2.1.2对常温耐压强度的影响
图 2 示出了铁铝尖晶石加入量对试样常温耐压强度的影响。由图 2 可以看出，随着铁铝尖晶石加入量的增加，试样的常温耐压强度呈现逐渐减小的趋势。铁铝尖晶石加入量（w）小于 10%时，强度降低明显；铁铝尖晶石加入量（w）大于 10%时，强度降低趋缓。

　　图 2 铁铝尖晶石加入量对试样常温耐压强度的影响

　　2.1.3对抗热震性的影响
图 3 示出了铁铝尖晶石加入量对试样抗热震性的影响。从图 3 可以看出，随着铁铝尖晶石加入量的增加，试样的抗热震性逐步得到提升。当铁铝尖晶石加入量（w）小于 10%时，对抗热震性的作用不明显；铁铝尖晶石加入量（w）大于 10%时，抗热震性明显改善。铁铝尖晶石加入量（w）由 10%增加到14%，试样的抗热震性由 7 次提高到 9 次。

　　图 3铁铝尖晶石加入量对试样抗热震性的影响

　　2.2不同粒度铁铝尖晶石对材料性能的影响

　　2.2.1对显气孔率和体积密度的影响

　　不同粒度铁铝尖晶石对试样体积密度和显气孔率的影响见图 4。从图 4 看出，铁铝尖晶石的粒度大小与显气孔率成正比，粒度大小和体积密度却是成反比的，即粒度越大，显气孔率越大，体积密度越小。

　　试样 B-1、B-2、B-3、B-4 的体积密度为分别为 2.96、2.97、2.97、2.98 g?cm-3，显气孔率分别 17.1%、16.6%、16.3%、15.7%。

　　图 4 不同粒度铁铝尖晶石对试样体积密度和显气孔率的影响

　　2.2.2对常温耐压强度的影响
不同粒度的铁铝尖晶石对试样常温耐压强度的影响如图 5 所示。由图 5 可知，铁铝尖晶石的粒度与常温耐压强度也是成反比关系，即粒度越大常温耐压强度越小，加入小颗粒有利于常温耐压强度的提高。试样 B-1、B-2、B-3、B-4 的常温耐压强度分别为：53.2、62.0、69.5、68.2 MPa。

　　图 5 不同粒度的铁铝尖晶石对试样常温耐压强度的影响　

　　2.2.3对抗热震性的影响
不同粒度铁铝尖晶石对试样抗热震性的影响见图 6。可以看出，随着铁铝尖晶石粒度的增大，试样的热震稳定性呈现先增大后减小的趋势。试样 B-1、B-2、B-3、B-4 的抗热震性分别为 5、8、6 和 3 次。

　　图 6 不同粒度铁铝尖晶石对试样抗热震性的影响　　

　　2.3分析
铁铝尖晶石热膨胀系数为（8.2～9.0）×10-6 ℃-1，方镁石热膨胀系数为 13.5×10-6 ℃-1，二者差异较大，由于热失配在材料中产生一定数量的微裂纹。微裂纹的存在改善了材料的抗热 震性能，过多的微裂纹对材料的强度产生不利影响。因此，随着铁铝尖晶石数量的增加，材 料的抗热震性提高，常温耐压强度降低。

　　在烧成过程中铁铝尖晶石与 MgO 反应而分解，生成 MA、MF 二次尖晶石，提高晶体间的结合程度，促进烧结增加强度。小颗粒的铁铝尖晶石更易反应，其增强效果好于大颗粒。 铁铝尖晶石与 MgO 反应后，使材料中铁铝尖晶石的含量减少，不利于其抗热震性。加入小颗粒铁铝尖晶石其分解的量较多，造成抗热震性降低。

　　3结论

　　（1）随着铁铝尖晶石加入量的增加，镁铁铝尖晶石材料的常温耐压强度逐渐降低，抗热震性逐步得到改善，其合理的加入量（w）为 10%。加入铁铝尖晶石后，由于热失配在材料中形成微裂纹，有利于热震性，影响其强度。

　　（2）加入大粒度的铁铝尖晶石有利于材料抗热震性的改善，加入小粒度的铁铝尖晶石有益于提高材料的强度，其粒度以小于 3 mm 加入为佳。在试样烧结过程中铁铝尖晶与氧化镁反应分解，生成二次尖晶石促进烧结，提高强度，影响其抗热震性。

　　参考文献

　　[1]栾志海，张靖，肖勇，等. 浅析国产镁鉄尖晶石砖在窑上应用的优势[C]// 中国水泥协会 2013 年水泥行业无铬化耐火材料推广会文集.

　　[2]杜巍. 优质镁铁铝尖晶石砖的性能及其在水泥窑回转窑的应用[J]. 中国水泥，2015（10）.

　　[3]郭宗奇. 水泥回转窑用氧化镁--鉄铝尖晶石耐火材料综述[J]. 耐火材料，2007, 41（增刊）.

　　[4]陈俊红，封立杰，孙家林，等. 鉄铝尖晶石的合成及镁鉄铝尖晶石砖的性能与应用[J]. 耐火材料，2011，45（6）.

　　[5]郝明选，陈树江，袁林，等. 鉄铝尖晶石加入量对镁鉄铝尖晶石砖的性能影响[J]. 硅酸盐学报，2014（11）.