四种熔盐对熔盐法合成铁铝尖晶石粉的影响

司超伟 郎杰夫 游杰刚 谭文东 佘以明

辽宁科技大学材料与冶金学院 辽宁鞍山114051

镁铁铝尖晶石砖的挂窑皮性和抗侵蚀性优异，热导率低，高温韧性好［1-2］，已成为新型干法水泥回转窑无铬化的最佳替代品。作为其原料的铁铝尖晶石主要依靠人工合成，常见的合成方法有烧结法［3-4］、电熔法［1，3］、高能球磨法［5-6］、反应等离子喷涂法［7］和熔盐法［8-10］等。烧结法对反应气氛和工艺控制要求很严，电熔法能耗大效率低［11］，反应等离子喷涂法受设备限制大，高能球磨法的最终产物控制难度大［12］；熔盐法具有合成温度低、工艺简单易控等优点，成为合成铁铝尖晶石的新趋势。

目前，对于熔盐法制备铁铝尖晶石的研究涉及温度、气氛［13］、原料（Al2O3和高铁铝土矿）［8］、还原剂［9，11］和工业级原料的研磨时间［10］等方面，但对于熔盐介质对合成铁铝尖晶石的影响缺乏系统的研究。

本工作中，以Fe2O3粉、Al2O3粉和石墨粉为主要原料，分别以NaCl、KCl、NaCl-Na2CO3和NaCl-KCl为熔盐介质，采用熔盐法合成铁铝尖晶石，研究了四种熔盐对合成铁铝尖晶石的影响。

1 试验

1．1 试验原料

试验采用的原料有：分析纯的Fe2O3粉、Al2O3粉、NaCl、KCl、NaCl-KCl（NaCl、KCl物质的量比为1∶1），NaCl-Na2CO3（NaCl、Na2CO3物质的量比为0．553∶0．447［14-15］）；d50＝60μm的石墨粉，其化学组成（w）为Fe2O30．75%，CaO 0．13%，MgO 0．13%，Al2O30．45%，SiO21．60%，C 96．50%。

1．2 试验步骤

将Fe2O3粉和Al2O3粉按n（FeO）∶n（Al2O3）＝1∶1配料，石墨粉按照反应方程式2Fe2O3（s）+C（s）4FeO（s）+CO2（g）中C的理论需要量的1．05倍配料。四种熔盐均按m（熔盐）∶m（Fe2O3+Al2O3）＝1∶1的比例配料，采用NaCl、KCl、NaCl-KCl、NaCl-Na2CO3不同熔盐制得的铁铝尖晶石粉体试样分别记为N、K、N-K和N-N。

配好的料先在玛瑙研钵中研磨混合均匀，然后置于带有盖子的刚玉方舟中，放入管式炉中，以20 mL·min-1流量通入高纯氮气，升温至1 000℃保温3 h，取出后在超声波清洗仪中以60℃的去离子水清洗，抽滤并冲洗5～8次后，在110℃干燥12 h，得到合成铁铝尖晶石粉。

1．3 表征

利用X射线衍射仪结合High Score Plus软件分析铁铝尖晶石粉的物相组成。利用附有能谱分析仪的场发射扫描电子显微镜观察铁铝尖晶石粉的显微形貌并进行微区成分分析。利用线性截距法［16］分析铁铝尖晶石粉的粒度。

2 结果与讨论

2．1 物相组成

合成铁铝尖晶石粉的XRD图谱见图1。可以看出：采用NaCl-Na2CO3熔盐合成的铁铝尖晶石粉NN中未发现铁铝尖晶石相。因为当温度超过Na2CO3熔点（851℃）后，Al2O3粉和Na2CO3粉按反应式Na2CO3+Al2O3Na2Al2O4+CO2反应［17］生成了Na2Al2O4。其他3组合成铁铝尖晶石粉均由铁铝尖晶石相组成。其中，铁铝尖晶石粉K和N-K中铁铝尖晶石衍射峰比铁铝尖晶石粉N的尖而窄，表明其铁铝尖晶石晶粒的发育比铁铝尖晶石粉N的好。

图1 合成铁铝尖晶石粉的物相组成

2．2 显微结构

合成铁铝尖晶石粉的SEM照片见图2，图中各点的EDS能谱分析结果见表1。

表1 图2中各点的EDS分析结果

由图2和表1可以看出：试样N-N由大量亮白色颗粒和少量灰黑色疏松颗粒组成。EDS分析结果显示，亮白色颗粒（点1、点2处）为Fe3O4、FeO，灰黑色疏松颗粒（点3处）为铝铁尖晶石。试样N、K和N-K中，绝大多数都是灰黑色疏松颗粒，仅有极其少数灰白色团聚状颗粒（用椭圆圈标记）；EDS分析结果显示，灰黑色疏松颗粒（点4、点6、点8处）均为铁铝尖晶石，灰白色团聚状颗粒（点5、点7、点9处）则是铁氧化物。结合XRD以及SEM的结果来看，试样N、K和N-K中铁铝尖晶石纯度还是较高的。

从图2（c）至图2（h）可以看出，合成铁铝尖晶石粉N、K、N-K中铁铝尖晶石的晶粒大小存在差异。利用线性截距法对其进行粒度分析，晶粒尺寸分布图见图3。

图3 合成铁铝尖晶石粉中铁铝尖晶石晶粒的粒度分布

由图3可以看出：试样N、K和N-K中铁铝尖晶石的平均晶粒尺寸分别为45．05、52．28和52．83 μm，呈递增趋势。并且试样N-K中铁铝尖晶石的晶粒尺寸分布比试样N和K的更为集中，说明试样N-K中铁铝尖晶石的晶粒发育更均匀。

结合XRD、SEM 和粒度分析的结果认为：一方面，在铁源能够溶解在熔盐体系的前提下［10］，熔盐的熔点越低，原料在熔盐介质中的起始溶解温度就越低，开始进行离子迁移和反应的时间就越早，晶粒发育也越好；另一方面，试样N中铁铝尖晶石晶粒发育不完善也与NaCl熔盐的黏度较高［18］，流动性差，不利于离子的迁移有关。

3 结论

在本试验条件下，以NaCl-Na2CO3作为熔盐介质不能合成出铁铝尖晶石，因为Na2CO3与Al2O3在Na2CO3熔点（851 ℃）以上温度反应生成了Na2Al2O4。以NaCl、KCl和NaCl-KCl作为熔盐介质均能合成出纯度较高的铁铝尖晶石，并且在NaCl-KCl熔盐介质中合成的铁铝尖晶石的平均粒度比在KCl和NaCl熔盐介质中合成的铁铝尖晶石的大，粒度分布也更均匀。