铝镁碳（AMC）耐火材料已在炼钢工业的钢包炉中广泛应用。材料中由于含碳，使得炉衬内部形成还原气氛。这可能导致Mg的挥发以及尖晶石化学成分的变化。伊朗的研究人员研究了在1 600 ℃，空气或还原气氛下，TiO2对镁铝尖晶石形成和显微结构的影响，以便了解在1 600 ℃，TiO2存在的条件下，使用空气和还原气氛时，MgAl2O4的稳定性。
    试验原料：煅烧氧化铝（w（Al2O3）>99.3%，d50＝2 μm）、TiO2（w（TiO2）>99% ，d50 = 3 μm）、氧化镁（w（MgO）>98%， d50 = 4 μm）、煅烧矾土（w（Al2O3）＝64.8％、w（SiO2）＝21.7％、w（TiO2）＝12.15％，矿物组成：刚玉、莫来石、钛酸铝、，d< 73 μm）以及鳞片石墨（w（C）>96%，d < 150 μm）。
    配方设计：（1）Al2O3和MgO按尖晶石的化学计量比等摩尔比配料（SP）；（2）Al2O3和MgO等摩尔比配料（SPG），添加10%石墨；（3）在（1）的基础上外加4%的TiO2（SPT）；（4）在（2）的基础上添加4%的TiO2%（SPGT）；（5）在（1）的基础添加矾土，矾土的量按引入4%的TiO2进行计算（SPB）。各组试料在异丙醇中球磨4 h。泥浆在110 ℃干燥，整理团聚料块。接着加入2％的热塑性酚醛树脂和0.2％的六亚甲基四胺（固化剂）进行混合，养护24 h，在150 MPa的压力下单轴加压成圆柱试样（Φ50 mm×50 mm）。200 ℃养护后，以5 ℃•min-1加热到1 600 ℃，保温3 h烧成，气氛为空气或埋炭。利用XRD分析试样的相组成，镁铝尖晶石相组成的XRD峰值计算晶格参数。带能谱仪的SEM分析试样的显微结构，使用背散射电子成像技术。
    XRD分析显示，未添加TiO2的试样（SP和SPG）1 600 ℃ 3 h热处理（空气或还原气氛下）后，各试样中都含有镁铝尖晶石以及未反应的刚玉、方镁石；添加石墨的试样在还原气氛下热处理后还发现有石墨。另外该XRD图谱还显示，在还原气氛下，形成尖晶石的峰有轻微的变化，其2θ值比在空气气氛下更大；根据XRD峰计算各试样的晶格常数发现，与在空气气氛相比，还原气氛下尖晶石的晶格常数有所减小；这表明化学计量比尖晶石在还原气氛下转化为富铝尖晶石。SEM照片显示，在还原气氛下烧成后，试样中有气孔（Mg蒸气挥发造成的），而在空气中烧成时，不含石墨的试样没有出现气孔。
    添加TiO2的试样（SPT、SPGT）经1 600 ℃烧成后（空气或还原气氛下），除了形成镁铝尖晶石外，还有假板钛矿型固溶体（Al2TiO5-MgTi2O5）如Mg0.3Al1.4Ti1.3O5（M0.3AT）和MgAl8Ti6O25（M0.2AT）为少量相。通过对各试样中尖晶石的晶格常数计算，发现，含TiO2的比不含TiO2的试样中尖晶石的晶格常数小，这可能和TiO2固溶于尖晶石对晶格常数的影响与还原气氛下化学计量比尖晶石转化为富铝尖晶石的作用相反有关。
    SPT试样经1 600 ℃烧成（空气和还原气氛下）后的SEM照片显示，空气中烧成的试样显微结构致密，存在自形、圆形尖晶石晶体，该晶体固溶了一些TiO2；一些区域的尖晶石晶粒被烧结液相分开；还原气氛烧成时，试样显微结构中有许多气孔，可能是Mg蒸发造成的，在一些区域高含钛的叶状物相被尖晶石晶体包覆，可能是由于残留的金红石还原或MxAT分解造成的。
    SPTG试样经不同气氛烧成后的显微结构显示，在空气气氛下，显微结构致密，在许多区域含TiO2的尖晶石晶体之间为直接结合，在晶界处存在一些明亮的MxAT的物相。在还原气氛下，试样有不均匀的晶界气孔和晶内气孔，尤其是在石墨附近，气孔急剧增多。
    对于含矾土的试样在不同气氛下烧成后，XRD分析结果显示，试样中的物相为MgAl2O4尖晶石（主要相），刚玉和钛酸镁尖晶石(Mg2TiO4)。Mg2TiO4和MgAl2O4形成完全固溶体，但是由于矾土试样的结构特殊，Mg2TiO4作为特殊相仍有残留。SEM照片显示，还原气氛下烧后试样为多孔结构。
    综上所述，与在空气中烧成相比，在还原气氛下烧成，试样中尖晶石的峰转换成的2θ值更高，晶格常数更小，表明化学计量比尖晶石转化为富铝尖晶石。和在空气中烧成相比，还原条件下试样的气孔率显著升高。在MgO和Al2O3混合物中加入石墨在还原气氛下烧成后致密，而且可促进非化学计量比尖晶石的形成。对于TiO2试样，主要相为MgAl2O4外，还有少量的MgxAl2（1-x）Ti（1+x）O5，x＝0.2或0.3。在还原气氛下，含TiO2试样的XRD峰值比不含TiO2的小，这是由于TiO2在MgAl2O4中形成固溶体与富铝尖晶石的形成，二者对晶格常数的作用相反。在含矾土试样中，可以观察到MgAl2O4尖晶石、刚玉、钛酸镁尖晶石（Mg2TiO4）和无定形相。形成的Mg2TiO4尖晶石和MgAl2O4完全固溶，但是由于矾土试样的结构特殊，Mg2TiO4作为特殊相仍有残留。另外，空气中烧成后，含TiO2的试样由于发生液相烧结，结构致密，而且在晶界处有新相形成（MxAT）。
（编译自《Ceramics International》2011，№1）