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

遼寧科技大學材料與冶金學院 遼寧鞍山114051

鎂鐵鋁尖晶石磚的掛窯皮性和抗侵蝕性優異，熱導率低，高溫韌性好［1-2］，已成為新型干法水泥回轉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法［3-4］、電熔法［1，3］、高能球磨法［5-6］、反應等離子噴涂法［7］和熔鹽法［8-10］等。燒結法對反應氣氛和工藝控制要求很嚴，電熔法能耗大效率低［11］，反應等離子噴涂法受設備限制大，高能球磨法的最終產物控制難度大［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］和工業級原料的研磨時間［10］等方面，但對于熔鹽介質對合成鐵鋁尖晶石的影響缺乏系統的研究。

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，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物質的量比為1∶1），NaCl-Na2CO3（NaCl、Na2CO3物質的量比為0．553∶0．447［14-15］）；d50＝60μm的石墨粉，其化學組成（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射掃描電子顯微鏡觀察鐵鋁尖晶石粉的顯微形貌并進行微區成分分析。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。可以看出：采用NaCl-Na2CO3熔鹽合成的鐵鋁尖晶石粉NN中未發現鐵鋁尖晶石相。因為當溫度超過Na2CO3熔點（851℃）后，Al2O3粉和Na2CO3粉按反應式Na2CO3+Al2O3Na2Al2O4+CO2反應［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 顯微結構

合成鐵鋁尖晶石粉的SEM照片見圖2，圖中各點的EDS能譜分析結果見表1。

表1 圖2中各點的EDS分析結果

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，絕大多數都是灰黑色疏松顆粒，僅有極其少數灰白色團聚狀顆粒（用橢圓圈標記）；EDS分析結果顯示，灰黑色疏松顆粒（點4、點6、點8處）均為鐵鋁尖晶石，灰白色團聚狀顆粒（點5、點7、點9處）則是鐵氧化物。結合XRD以及SEM的結果來看，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育更均勻。

結合XRD、SEM 和粒度分析的結果認為：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，原料在熔鹽介質中的起始溶解溫度就越低，開始進行離子遷移和反應的時間就越早，晶粒發育也越好；另一方面，試樣N中鐵鋁尖晶石晶粒發育不完善也與NaCl熔鹽的黏度較高［18］，流動性差，不利于離子的遷移有關。

3 結論

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