熔炼工艺对电熔镁砂及镁铝尖晶石结构与性能的影响

【摘要】：随着现代高温工业的日益发展,电熔镁砂的优异特性愈发受到关注。其具备熔点高(2800℃)、结晶粒大、结构致密、抗渣性强、耐高温、化学性能稳定、耐压强度大、绝缘性能强、耐冲刷、耐腐蚀,晶体大约在2300℃化学性能仍保持稳定等特点。基于电熔镁砂表现出的优良特性,其广泛应用于高温电气绝缘材料,同时也是制作高档镁砖,镁碳砖及不定形耐火材料的重要原料,此外,单晶、多晶、高纯电熔氧化镁,用于制造高级和超高级耐温、耐压、耐高频绝缘材料、热电偶材料、电子陶瓷材料、火箭、核子熔炉等领域具有广阔应用前景。然而,电熔氧化镁产业的高耗能已成为制约该产业发展的瓶颈问题,降低冶炼单耗成为一项刻不容缓的工作。同时对生产中的环境污染进行治理、对能源资源浪费进行回收利用、提高电熔氧化镁品位也是当务之急。因此,对于电熔合成氧化镁的熔炼工艺与氧化镁结晶过程及熔炼与冷却凝固过程中杂质迁移的研究是很有必要的。电熔镁砂热膨胀系数较高(14.6×10~(-6)/℃),热震稳定性较差。镁铝尖晶石(MgAl_2O_4)是由MgO和Al_2O_3组成的复合矿相,其理论化学组成为MgO28.33%,Al_2O_371.67%。它具有耐高温,热膨胀率低,热震稳定性好,耐侵蚀等优良的高温使用性能。但镁铝尖晶石的合成温度较高,电熔过程电耗较大,成本较高。为了改善这一缺点,有研究表明,如添加ZrO_2、ZnO、TiO_2可以降低镁铝尖晶石的合成温度。在保证尖晶石的高温性能不被降低和改变的前提下,进一步改善其烧结性能。本文重点研究二氧化钛添加剂对电熔合成镁铝尖晶石的物相组成、晶胞参数和显微结构的影响及探究其作用机理。以轻烧氧化镁粉、工业氧化铝为原料合成电熔镁铝尖晶石材料,研究二氧化钛为添加剂对电熔合成镁铝尖晶石的物相组成,显微结构的影响,通过XRD,SEM分析试样的物相组成、晶胞参数和断口的微观形貌。研究表明:(1)不同工艺熔炼出的电熔镁砂在靠近皮砂的位置结晶最好,晶体发育比较完整;直流电极所电熔镁砂原料比交流电极的制品结构致密,颗粒尺寸大,纯度高;空心电极在电熔过程中,排气顺畅,而且所电熔的制品比实心电极电熔的制品组织结构致密,晶粒尺寸大。(2)由于直流电极的电磁搅拌作用,电熔出的制品杂质分布均匀;直流电熔过程中,电流网稳定,所产生的噪声比较小。(3)二氧化钛为外加剂可以增大镁铝尖晶石的晶胞参数和晶胞体积、增加材料的体积密度进而提高材料的抗侵蚀性能。(4)随着二氧化钛加入量的增加镁铝尖晶石的晶胞参数和晶胞体积先增大后减小,由于二氧化钛、钛酸镁固溶到镁铝尖晶石中,过量的钛酸镁位于晶界阻碍镁铝尖晶石的长大。在电熔法制备镁铝尖晶石时,二氧化钛的加入量不宜超过5wt%。