Субсолідусна будова системи MgO – FeO – Al₂O₃

Abstract

Трикомпонентні системи складають фізико-хімічну основу більшості вогнетривких матеріалів і аналіз їх субсолідусної будови дозволяє досить точно спрогнозувати області складів з оптимальними властивостями, а також дати рекомендації за технологічними параметрами виробництва, спікання та експлуатації одержуваних матеріалів. В результаті проведеного термодинамічної аналізу системи MgO – FeO – Al₂O₃ встановлено, що розбиття системи на елементарні трикутники зазнає змін в двох температурних інтервалах: I – до температури 1141 К та II – вище температури 1141 К. Розрахунковими методами визначені геометро-топологічні характеристики субсолідусної будови системи MgO – FeO – Al₂O₃: площі елементарних трикутників, ступінь їх асиметрії, площа областей, в яких існують фази, ймовірність існування фаз в системі. Встановлено, що у всьому інтервалі температур існує досить протяжна концентраційна область шпінельних фаз: герциніт (FeAl₂O₄) – благородна шпінель (MgAl₂O₄). Причому, периклаз (MgO) співіснує одночасно з обома шпінелями лише в низькотемпературні області. Це вказує, що під час отримання периклазошпінельних вогнетривів з підвищеною термостійкістю важливим технологічним параметром є швидкість охолодження нижче 1141 К. Для отримання периклазошпінельних вогнетривів з розгалуженою мікротріщинуватою структурою за рахунок відмінностей коефіцієнтів термічного розширення периклаза, герциніта й благородної шпінелі, – найбільш раціональна концентраційна область досліджуваної системи, що є спільною для двох елементарних трикутників (MgO – FeAl₂O₄– MgAl₂O₄ іMgO – FeO – MgAl₂O₄), які існують в різних температурних інтервалах. При високих температурах випалу елементарний трикутник MgO – FeO – MgAl₂O₄ має максимальну площу і мінімальний ступінь асиметрії, а при охолодженні утворюється MgO – FeAl₂O₄– MgAl₂O₄ – досить значна за площею, але має високу ступінь асиметрії. Тому прогнозувати склади шихт для периклазошпінельних вогнетривів слід з високою точністю дозування і зі значним часом гомогенізації компонентів при змішуванні, так як концентраційна область спільна для обох вище зазначених елементарних трикутників значно скорочується. Таким чином, розбиття системиMgO – FeO – Al₂O₃ на елементарні трикутники і аналіз геометро-топологічних характеристик фаз системи дозволило вибрати в досліджуваній системі області складів, що володіють оптимальними властивостями для отримання шпінельвміщуючих матеріалів.Three-component systems constitute the physicochemical basisof most refractory materials and the analysis of their subsolidus structure makes it possible to accurately predict the areas of compositions with optimal properties, as well as give recommendations on the technological parameters of production, sintering, and operation of the materials obtained. As a result of the carried out thermodynamic analysis of the MgO – FeO – Al₂O₃system, it was found that the partition of the system into elementary triangles undergoes changes in two temperature ranges: I – up to a temperature of 1141 K and II – above a temperature of 1141 K. By calculation methods, the geometrical-topological characteristics of the subsolidus structure of the system are determined MgO – FeO – Al₂O₃: areas of elementary triangles, degree of their asymmetry, area of regionsin which phases exist, probability of phase existence in the system. It has been established that, over the entire temperature range, there is a fairly extended concentration region of spinel phases: hercynite (FeAl₂O₄) – noble spinel (MgAl₂O₄). Moreover, periclase (MgO) coexists simultaneously with both spinels only in the low-temperature region.This indicates that when obtaining periclase-spinel refractories with increased heat resistance, an important technological parameter is a cooling rate below 1141 K. To obtain periclase-spinel refractories with branched microcracking of the structure due to differences in the thermal expansion coefficients of periclase, hercynite and noble spinel, the most rational concentration regionof the system under study is which is common for two elementary triangles (MgO – FeAl₂O₄– MgAl₂O₄ and MgO – FeO – MgAl₂O₄) existing in different temperature ranges. At high firing temperatures, the elementarytriangle MgO – FeO – MgAl₂O₄ has a maximum area and a minimum degree of asymmetry, and upon cooling, MgO – FeAl₂O₄– MgAl₂O₄ is formed, which is quite large in area, but has a high degree of asymmetry. Therefore, the composition of the charge for periclase-spinel refractories should be predicted with a high dosage accuracy and with a significant homogenization time of the components during mixing, since the concentration region common for both of the above elementary triangles is significantly reduced. Thus, the division of the MgO – FeO – Al₂O₃ system into elementary triangles and the analysis of the geometrical-topological characteristics of the phases of the system made it possible to select in the system under study the range of compositions with optimal properties for obtaining spinel-containing materials.