鎂鋁尖晶石(MA)具有優(yōu)良的性能，如高熔點(diǎn)(2135℃)、高硬度(16GPa)、低熱膨脹性、高耐腐蝕性、優(yōu)異的光學(xué)性能等，其被廣泛用于耐火材料、濕度傳感器、透明陶瓷材料、陽極材料、人造凸緣材料和催化材料等。在耐火材料領(lǐng)域，鎂鋁尖晶石原料主要用來制備鎂鋁尖晶石磚、方鎂石－鎂鋁尖晶石磚、方鎂石－鎂鋁尖晶石－碳磚以及剛玉－尖晶石澆注料等，是消耗量較多的耐火原料之一。
有研究表明，添加劑能夠促進(jìn)鎂鋁尖晶石的形成，可促進(jìn)晶型轉(zhuǎn)化，降低制備溫度。在制備鎂鋁尖晶石原料過程中所用添加劑主要有稀土氧化物(Y2O3、La2O3、Nd2O3和CeO2等)、氟化物(CaF2、MgF2和AlF3等)、其他氧化物(ZnO、TiO2和SnO2等)以及復(fù)合添加劑(如B2O3和氟化物)。以下綜述了合成鎂鋁尖晶石時(shí)不同添加劑的加入量、引入方式以及作用機(jī)制。
氧化物在鎂鋁尖晶石原料合成中的作用
稀土氧化物熔點(diǎn)高，化學(xué)活性大，有較好的抗侵蝕性。Y2O3、La2O3、Nd2O3和CeO2等稀土氧化物對(duì)鎂鋁尖晶石的合成均有一定的影響。
氟化物在鎂鋁尖晶石原料合成中的作用
氟化物可以促進(jìn)鎂鋁尖晶石的形成。Kosti等的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)－摻入晶格中取代O2－，增大了陽離子空位濃度，增強(qiáng)了陽離子的擴(kuò)散，促進(jìn)尖晶石的形成；Huang等的研究發(fā)現(xiàn)，添加LiF降低了尖晶石形成溫度，并通過形成液相增加了尖晶石含量。
鎂鋁尖晶石的合成方法
鎂鋁尖晶石的合成方法有電熔法、燒結(jié)法、沉淀法、溶膠－凝膠法、水熱合成法、燃燒合成法、溶液蒸發(fā)法和超臨界法等。其主要有燒結(jié)法和電熔法。
燒結(jié)法
燒結(jié)法是指將氫氧化鋁、燒結(jié)氧化鋁等原料與碳酸鎂、氫氧化鎂等含鎂原料，按照要求組成配料，共同細(xì)磨，壓球(坯)，于1750℃以上的回轉(zhuǎn)窯或豎窯中高溫煅燒，即可得到燒結(jié)法合成的鎂鋁尖晶石，具體而言，可以分為一步法、一步半法和二步法。
一步法燒結(jié)合成菱鎂礦+鋁礬土生料→干法共磨→成型→燒成→尖晶石熟料
一步半法燒結(jié)合成輕燒鎂粉+鋁礬土生料→干法共磨→成型→燒成→尖晶石熟料
二步法燒結(jié)合成菱鎂礦+鋁礬土生料→干法共磨→成型→輕燒(1300℃左右)→破碎→成型→燒成→尖晶石熟料
另外，將壓制的合成尖晶石生料球在1200~1300℃的低溫下煅燒，可以制得活性尖晶石，與燒結(jié)尖晶石不同，活性尖晶石中含有未反應(yīng)的w(Al2O3)10~15%，w(MgO)5%~10%。
燒結(jié)法合成的尖晶石，由于原料含有SiO2、CaO、Fe2O3等雜質(zhì)，所以合成砂中除含有MgAl2O4外，常常含有MgSi2O4、CaMgSiO4等雜質(zhì)礦物以及多余的Al2O3和MgO。
電熔法
電熔法合成鎂鋁尖晶石砂，可以選用各種純度的含鎂含鋁原料。在合成尖晶石的原料中，w (MgO)含量一直在35%~50%范圍內(nèi)選定。 MgO含最過高或過低都對(duì)合成砂的熔化不利，由于黏度高而使熔體難以澆注，而加入鉻礦對(duì)熔體的熔化和澆往都有益。
配制的混合料可以在傾動(dòng)式電爐或漩渦熔化爐中熔化。漩渦式熔化爐可以熔制各種配方的電熔尖晶石，它是將選定比例的混合料在該爐內(nèi)加熱到高于熔化溫度150~250℃(熔池的極限溫度是2300℃)，所以可以熔制熔點(diǎn)不高于2150℃的材料。電熔塊的位置不同，其結(jié)構(gòu)是不同的，一般在上部和周邊的蜂窩形氣孔較多，其中符合尖晶石理論組成的熔塊氣孔率最大，但是含有過量的MgO或加Cr2O3熔塊的氣孔率較低。因此，生產(chǎn)電熔尖晶石砂的關(guān)鍵是如何獲得具有均勻結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，同時(shí)適當(dāng)排除氣孔以減少產(chǎn)品的氣孔率偏析。另外，加入Cr2O3還可以提高熔融材料的耐高溫性能。
尖晶石熔塊的尖晶石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%以上，其余為硅酸鹽和玻璃狀物質(zhì)。尖晶石熔塊中，高于最低共熔點(diǎn)溫度下結(jié)晶的無雜質(zhì)尖晶石為一次尖晶石，而在低于最低共熔點(diǎn)溫度下析出的尖晶石固溶體稱為二次尖晶石。通常，二次尖晶石在熔塊上部結(jié)晶，而-一次尖晶石在熔塊下部結(jié)晶。
無Cr2O3電熔尖晶石的晶格參數(shù)同正常尖晶石相近，加Cr2O3時(shí)則發(fā)現(xiàn)晶格明顯畸變，表明Cr2O3按照置換型固溶體溶于尖晶石晶格中。
通過控制出爐體的冷卻速度，可以制得結(jié)晶程度不同的電熔尖晶石。用結(jié)構(gòu)缺陷較高的尖晶石生產(chǎn)鎂尖晶石制品時(shí)，可以保證在燒成時(shí)具有所要求的燒結(jié)活性。
參考文獻(xiàn)：
找耐火材料網(wǎng).鎂鋁尖晶石的生產(chǎn)方法有哪幾種？
顧強(qiáng)等.添加劑在鎂鋁尖晶石原料合成中的作用