四種熔鹽對熔鹽法合成鐵鋁尖晶石粉的影響

司超偉 郎杰夫 游杰剛 譚文東 佘以明

遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院 遼寧鞍山114051

鎂鐵鋁尖晶石磚的掛窯皮性和抗侵蝕性優(yōu)異，熱導(dǎo)率低，高溫韌性好［1-2］，已成為新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯無鉻化的最佳替代品。作為其原料的鐵鋁尖晶石主要依靠人工合成，常見的合成方法有燒結(jié)法［3-4］、電熔法［1，3］、高能球磨法［5-6］、反應(yīng)等離子噴涂法［7］和熔鹽法［8-10］等。燒結(jié)法對反應(yīng)氣氛和工藝控制要求很嚴(yán)，電熔法能耗大效率低［11］，反應(yīng)等離子噴涂法受設(shè)備限制大，高能球磨法的最終產(chǎn)物控制難度大［12］；熔鹽法具有合成溫度低、工藝簡單易控等優(yōu)點，成為合成鐵鋁尖晶石的新趨勢。

目前，對于熔鹽法制備鐵鋁尖晶石的研究涉及溫度、氣氛［13］、原料（Al2O3和高鐵鋁土礦）［8］、還原劑［9，11］和工業(yè)級原料的研磨時間［10］等方面，但對于熔鹽介質(zhì)對合成鐵鋁尖晶石的影響缺乏系統(tǒng)的研究。

本工作中，以Fe2O3粉、Al2O3粉和石墨粉為主要原料，分別以NaCl、KCl、NaCl-Na2CO3和NaCl-KCl為熔鹽介質(zhì)，采用熔鹽法合成鐵鋁尖晶石，研究了四種熔鹽對合成鐵鋁尖晶石的影響。

1 試驗

1．1 試驗原料

試驗采用的原料有：分析純的Fe2O3粉、Al2O3粉、NaCl、KCl、NaCl-KCl（NaCl、KCl物質(zhì)的量比為1∶1），NaCl-Na2CO3（NaCl、Na2CO3物質(zhì)的量比為0．553∶0．447［14-15］）；d50＝60μm的石墨粉，其化學(xué)組成（w）為Fe2O30．75%，CaO 0．13%，MgO 0．13%，Al2O30．45%，SiO21．60%，C 96．50%。

1．2 試驗步驟

將Fe2O3粉和Al2O3粉按n（FeO）∶n（Al2O3）＝1∶1配料，石墨粉按照反應(yīng)方程式2Fe2O3（s）+C（s）4FeO（s）+CO2（g）中C的理論需要量的1．05倍配料。四種熔鹽均按m（熔鹽）∶m（Fe2O3+Al2O3）＝1∶1的比例配料，采用NaCl、KCl、NaCl-KCl、NaCl-Na2CO3不同熔鹽制得的鐵鋁尖晶石粉體試樣分別記為N、K、N-K和N-N。

配好的料先在瑪瑙研缽中研磨混合均勻，然后置于帶有蓋子的剛玉方舟中，放入管式爐中，以20 mL·min-1流量通入高純氮氣，升溫至1 000℃保溫3 h，取出后在超聲波清洗儀中以60℃的去離子水清洗，抽濾并沖洗5～8次后，在110℃干燥12 h，得到合成鐵鋁尖晶石粉。

1．3 表征

利用X射線衍射儀結(jié)合High Score Plus軟件分析鐵鋁尖晶石粉的物相組成。利用附有能譜分析儀的場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察鐵鋁尖晶石粉的顯微形貌并進(jìn)行微區(qū)成分分析。利用線性截距法［16］分析鐵鋁尖晶石粉的粒度。

2 結(jié)果與討論

2．1 物相組成

合成鐵鋁尖晶石粉的XRD圖譜見圖1?？梢钥闯觯翰捎肗aCl-Na2CO3熔鹽合成的鐵鋁尖晶石粉NN中未發(fā)現(xiàn)鐵鋁尖晶石相。因為當(dāng)溫度超過Na2CO3熔點（851℃）后，Al2O3粉和Na2CO3粉按反應(yīng)式Na2CO3+Al2O3Na2Al2O4+CO2反應(yīng)［17］生成了Na2Al2O4。其他3組合成鐵鋁尖晶石粉均由鐵鋁尖晶石相組成。其中，鐵鋁尖晶石粉K和N-K中鐵鋁尖晶石衍射峰比鐵鋁尖晶石粉N的尖而窄，表明其鐵鋁尖晶石晶粒的發(fā)育比鐵鋁尖晶石粉N的好。

圖1 合成鐵鋁尖晶石粉的物相組成

2．2 顯微結(jié)構(gòu)

合成鐵鋁尖晶石粉的SEM照片見圖2，圖中各點的EDS能譜分析結(jié)果見表1。

表1 圖2中各點的EDS分析結(jié)果

由圖2和表1可以看出：試樣N-N由大量亮白色顆粒和少量灰黑色疏松顆粒組成。EDS分析結(jié)果顯示，亮白色顆粒（點1、點2處）為Fe3O4、FeO，灰黑色疏松顆粒（點3處）為鋁鐵尖晶石。試樣N、K和N-K中，絕大多數(shù)都是灰黑色疏松顆粒，僅有極其少數(shù)灰白色團(tuán)聚狀顆粒（用橢圓圈標(biāo)記）；EDS分析結(jié)果顯示，灰黑色疏松顆粒（點4、點6、點8處）均為鐵鋁尖晶石，灰白色團(tuán)聚狀顆粒（點5、點7、點9處）則是鐵氧化物。結(jié)合XRD以及SEM的結(jié)果來看，試樣N、K和N-K中鐵鋁尖晶石純度還是較高的。

從圖2（c）至圖2（h）可以看出，合成鐵鋁尖晶石粉N、K、N-K中鐵鋁尖晶石的晶粒大小存在差異。利用線性截距法對其進(jìn)行粒度分析，晶粒尺寸分布圖見圖3。

圖3 合成鐵鋁尖晶石粉中鐵鋁尖晶石晶粒的粒度分布

由圖3可以看出：試樣N、K和N-K中鐵鋁尖晶石的平均晶粒尺寸分別為45．05、52．28和52．83 μm，呈遞增趨勢。并且試樣N-K中鐵鋁尖晶石的晶粒尺寸分布比試樣N和K的更為集中，說明試樣N-K中鐵鋁尖晶石的晶粒發(fā)育更均勻。

結(jié)合XRD、SEM 和粒度分析的結(jié)果認(rèn)為：一方面，在鐵源能夠溶解在熔鹽體系的前提下［10］，熔鹽的熔點越低，原料在熔鹽介質(zhì)中的起始溶解溫度就越低，開始進(jìn)行離子遷移和反應(yīng)的時間就越早，晶粒發(fā)育也越好；另一方面，試樣N中鐵鋁尖晶石晶粒發(fā)育不完善也與NaCl熔鹽的黏度較高［18］，流動性差，不利于離子的遷移有關(guān)。

3 結(jié)論

在本試驗條件下，以NaCl-Na2CO3作為熔鹽介質(zhì)不能合成出鐵鋁尖晶石，因為Na2CO3與Al2O3在Na2CO3熔點（851 ℃）以上溫度反應(yīng)生成了Na2Al2O4。以NaCl、KCl和NaCl-KCl作為熔鹽介質(zhì)均能合成出純度較高的鐵鋁尖晶石，并且在NaCl-KCl熔鹽介質(zhì)中合成的鐵鋁尖晶石的平均粒度比在KCl和NaCl熔鹽介質(zhì)中合成的鐵鋁尖晶石的大，粒度分布也更均勻。