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天然原料合成镁铝尖晶石
摘要：本文重在概述以天然原料合成镁铝尖晶石的工艺路线、合成方法，合成
镁铝尖晶石的天然原料一般采用以高铝矾土生料 (或特级铝土矿>与轻烧氧化镁
(或菱镁矿>粉，合成方法主要分为二步煅烧法，湿化学法，高能球磨法
(HEM>，自蔓延高温合成法(SHS>等等。此外还介绍了添加剂、气氛、成型方
法成型压力、原料活性对工艺的可能影响，从而从中找出合适的实验方案，得
出一个合理的实验设计。
关键词：镁铝尖晶石 天然原料 工艺路线 合成方法 实验设计
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目录
摘要1
引言1
第一章文献综述1
1.1镁铝尖晶石的定义1
1.2材料结构与基本性能1
1.3合成原料2
1.4 镁铝尖晶石的合成方法3
1.4.1二步煅烧法3
1.4.2湿化学法3
1.4.3高能球磨法(HEM>4
1.4.4自蔓延高温合成法(SHS>4
1.4.5固相法5
1.4.6 电熔法5
1.4.7凝胶固相反应法6
1.4.8均匀沉淀法6
1.4.9 共沉淀法7
1.4.10 超临界法7
1.4.11 冷冻一干燥醇盐法7
1.4.12 水热合成法8
1.4.13 蒸发分解法9
1.4.14 燃烧合成法9
1.5影响合成镁铝尖晶石原料烧结性的因素9
1.5.1添加剂9
1.5.2气氛10
1.5.3成型方法和成型压力10
1.5.4原料的活性10
1.6镁铝尖晶石材料的性能11
1.6.1 力学性能11
1.6.2热震稳定性11
1.6.3抗渣性11
1.7 本课题的目的、意义与主要内容12
1.7.1 目的和意义12
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1.7.2 本课题的研究内容12
第二章实验方案13
2.1 实验原料13
2.1.1原料组成13
2.1.2原料处理方法13
2.2实验仪器、设备13
2.3实验步骤13
2.4检测工程14
2.5数据参考指标14
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引言
随着耐火材料工业的发展，制备和使用高质量的原材料已经成为生产具有
优良性能产品的关键，许多单一或者复杂氧化物都作为原材料用来生产耐火材
料产品，其中，作为复杂氧化物的一种，镁铝尖晶石良性能<如高熔点，良好的热震稳定性以及抗渣侵蚀性等等）而在耐火材料工业
上得到了广泛的应用。目前，制备MA粉体最常用的方法是固相反应合成法，亦
即用氧化物，氢氧化物及碳酸盐作原料在高温下的固固反应来制备，此法受固
相扩散过程控制，需在较高的温度下(＞1400℃>进行长时间反应，合成后的MA
呈很硬的块状体进一步破碎、研磨得到最终所需要尺寸的粉体，但在研磨的过
程中容易带入一些研磨杂质，降低了MA粉体的纯度，因而影响粉体各方面的性
能。电熔法是工业上比较普遍采用的另一种制备MA粉体的方法，制备出的粉体
晶体尺寸可以达到1mm以上，然而此法需要更高的反应温度<＞2000℃），因此
能耗过大，且制备的粉体表面活性较差。为了在低温下制备高活性的MA粉体，
一些“湿化学法”<如溶胶-凝胶法，水热合成法等等）得到了大力推广，合成
的粉体具有高纯、均一等特点，但使用的原料和溶剂价格昂贵，合成工艺复
杂，设备昂贵，致使合成成本过高。因此，制备MA粉体的方法如何选择正是我
们做实验设计前必须做好的准备工作。
第一章 文献综述
1.1镁铝尖晶石的定义
凡结晶状态属于等轴品系并含有等分子数的AO及B2O3的矿物统称尖晶
石。镁铝尖晶石71.8%，是一种熔点高<2135℃），热膨胀系数小，热导率低，热震稳定性好，
搞碱侵蚀能力强的材料。MA在自然界中是一种接触变质产物，也有少数来自
火成岩和沉积岩，但天然产出很少。耐火材料用镁铝尖晶石都是由MgO和
Al2O3人工合成的。
1.2材料结构与基本性能
镁铝尖晶石是一组分子组成为AB2O4的等轴晶系的系列化合物，其单位晶
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胞由32个立方密堆积的氧阴离子O2-和16个在八面体空隙中的铝离子Al3+以及
8个在四面体空隙中的镁离子Mg2+组成，氧有4个金属配位，其中3个处于八
面体中，剩下1个处于四面体中。尖晶石结构的X-射线衍射分析表明，晶格中
的O原子排列没有显示任何区别，晶格中所有O原子<离子）都是相同的，形
成一个紧密堆积的立方结构。该结构形成两种空隙。即八面体和四面体空隙，
较小的三价离子填充八面空隙，二价离子填充四面体空隙。必须有两倍八面体
的四面体空隙，才能与三价和二价离子数相适应。如图1.1所示。
1.3合成原料
合成镁铝尖晶石的原料一般采用拜尔法生产的Al2O3 (或特级铝土矿>与轻
烧氧化镁(或菱镁矿>粉。Sarkar等人以煅烧过的氢氧化镁和氢氧化铝为原料，
在 1550 ～ 1750 ℃合成出相对密度为91 %的镁铝尖晶石。原料预烧温度的提高
将降低其尖晶石化的程度，同时，尖晶石的致密化过程也与原料的预烧温度密
切相关。Cunhan 和 Bradt以Al2O3·MgO – SiO2三元系统相图为基础，利用耐火
粘土与水镁石在1700 ℃以下合成出含少量镁橄榄石的尖晶石。结果表明:在高
于1500 ℃时，镁橄榄石大部分固溶于尖晶石结构中，这种固溶体对合成镁铝尖
晶石的耐火性能无不利影响。
工业生产中,结合我国在生产中的实际情况，主要是轻烧氧化镁<由天然菱
镁石低温缎烧而成），生高铝矾土和工业氧化铝。辽宁和山东的菱镁石，河
南、山西等地的高铝矾土，储量大、质优，为我国生产镁铝尖晶石提供了丰富
的资源条件。所用原料化学组成见表1.
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1.4 镁铝尖晶石的合成方法
合成镁铝尖晶石的方法有很多，国内国外都在不断的尝试新方法，可分为
两大类：高温反应法和低温的湿化学法，由于生产设备和生产条件的局限性，
目前国内生产镁铝尖晶石采用较为广泛的是前者，即通常所说的固相法和电熔
法。
1.4.1 二步煅烧法
尖晶石的合成过程不可避免地伴随一定的体积膨胀，故通常采用二步煅烧
法。第一步，在 1100～1300 ℃煅烧原料，合成活性尖晶石粉；第二步，经过重
新粉碎、研磨、成型和烧结，得到致密的烧结体。虽然此法成本较高，但由于
可生成高纯、致密的尖晶石而倍受关注。Beiley发现。在 1125～1140 ℃煅烧
MgCO3与Al2O3混合料，使其完成 55 %～70 %的尖晶石化。并且保持足够的活
性，再在1640 ℃以下进行第二步煅烧。就可降低或完全消除第二步煅烧过程中
的体积膨胀，从而得到致密的烧结体。
1.4.2湿化学法
采用湿化学方法，如氢氧化物共同沉淀法、碱土金属无机盐或有机盐的溶
胶－凝胶法、喷雾干燥法和冷冻干燥法等，可成功制备高纯尖晶石粉末。与传
统的固态反应烧结法相比，采用以上这些湿化学方法，可以更好地控制配料中
Mg元素和Al 元素的配比及其化学均一性，并且提高其反应烧结性能，可以在
相对较低的烧结温度下得到纯度较高的尖晶石。但采用上述方法生产的尖晶石
仍然没有获得足够烧结而达到完全致密。
Li用碳酸铵作为沉淀剂，以Mg(NO3> 2和Al (NO3> 3混合溶液为原料合
成尖晶石初级粒子[NH4Al (OH> 2CO3· H2O]及[Mg6Al2 (CO3> (OH> 16· 4H2O] (水
滑石>，然后通过 MgO (水滑石在 400 ～ 800 ℃分解得到 > 与 γ-2 Al2O3 ( 来自
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NH4Al (OH> 2CO3· H2O>的固态反应，在 900 ℃转化成纯尖晶石。研究结果表
明，以1100 ℃煅烧2 h得到的活性尖晶石为原料，再在1550 ℃真空下烧结 2
h，可获得相对密度达 99 %的尖晶石粉末。
1.4.3高能球磨法(HEM>
高能球磨法最初用来制备纳M材料，随着研究的不断深入，现被用来合成
尖晶石材料。利用机械能直接参与或引发化学反应是一种新思路。高能球磨
后，材料的比表面积增大，晶格发生畸变，表面会产生许多破键，使粉末内部
存储大量的变形能和表面能。这一方面可降低烧结温度，另一方面，由于长时
间粉磨，会促使非晶态物质的形成
K ong等人利用高能球磨法显著提高了 MgO 与Al2O3的反应性。其研究结
果表明:高能球磨 12 h 的混合料，在900 ℃煅烧2 h就出现了平均粒度为100 nm
的晶体发育不太完全的尖晶石相。在1300 ℃煅烧后，尖晶石的晶体发育较完
全。随着煅烧温度的升高，晶态尖晶石的量增加，致密化程度也提高。研究结
果还表明，在 1550 ℃煅烧 2 h，得到晶体尺寸为2～5μm，相对密度达 98 %的
尖晶石。K im报道，在行星式球磨机里强烈粉磨60 min，Mg (OH> 2与三水铝
石很容易转化成非晶态尖晶石相。粉磨15 min的原料在900 ℃煅烧1h，可形成
晶态尖晶石相。以粉磨过的混合料煅烧合成出的尖晶石材料有很高的密度，可
能是因为粉磨减小了颗粒尺寸，缩短了空位间的距离，有助于致密化。
1.4.4自蔓延高温合成法(SHS>
自蔓延高温合成法(SHS>又称燃烧合成法(CS>，其原理是利用原料之间的
化学反应(如铝热反应>放出的大量热量来维持合成反应所需要的高温。在合成
时，试样局部在外部热源的作用下达到该反应所需要的起始温度，然后反应放
出的热量维持反应向其他部分蔓延，从而达到完全反应而合成材料的目的。
李小明等以金属铝粉与 MgO 为起始原料，采用自蔓延高温合成法合成了
高纯镁铝尖晶石制品。结果表明，1400℃为最佳合成温度。Ping等利用此方法
制得大量粒度小并且粒度分布窄的尖晶石粉末。这种粉末在 1600 ℃烧结 4h得
到相对密度为 92 %的尖晶石，并且发现过量 MgO 或 Al粉都有助于烧结。SHS
法制备工艺简单，能量利用率高，具有广泛的应用前景。但 SHS法制备耐火材
料尚处于初级阶段，在以后的研究中，仍需不断完善。
