中文摘要：

因Cr6+具有强致癌性，年用量近50万吨的水泥窑用镁铬砖已被"十二五"列为重要的Cr6+污染源。替代镁铬砖、实现无铬化已成为非常紧迫的任务；而我国的无铬化研究虽已20余年，但一直未能有效突破。镁铁铝砖作为无铬化的方向，其性能严重受制于Fe2+向Fe3+的转变。低温稳定态的Fe3+，高温时变为Fe2+，而温度降低时又变回Fe3+，价态变化导致了镁铁铝砖性能的急剧劣变。为从结构上揭示Fe2+变价的机制、实现在亚铁铝尖晶石结晶过程中对Fe2+的强化稳定，本项目从理论计算入手，对合成工艺与阳离子分布、八面体位铁离子数与Fe2+稳定、Mg2+的择位替代及对Fe2+稳定的影响等进行研究，以建立结构、工艺参数与Fe2+稳定的相关性，完善反应烧结的合成理论。该项目的实施对合成亚铁铝尖晶石、强化Fe2+的价态稳定以及对耐火材料学科的发展都是非常重要的，而且也将彻底解决水泥产业几十年来的铬污染难题。

结论摘要：

欧美早在上世纪九十年初即已经禁止镁铬砖的应用,而我国则由于无铬化耐火材料的研究迟迟未取得有效进展而落后了近20年。直到2010年，我国水泥用镁铬砖仍然高到40-60万吨/年，替代镁铬砖、实现无铬化已成为非常紧迫的任务。镁铁铝砖作为无铬化的方向，其技术当时仅有国外的RHI拥有，产业化严重受到Hercynite合成的制约。 Hercynite中的铁为Fe2+，而在正常情况下铁的稳定价态为Fe3+，因此，如何实现原料中的铁由Fe3+转化为Fe2+，进而合成出Hercynite；合成的hercynite中的铁是否都为Fe2+以及其中的Fe2+对Hercynite晶体结构和性能、掺杂离子对Hercynite晶体结构和性能的影响等，这些就是本课题的主要研究核心。为此，本项目首先合成出了铁铝尖晶石，并对其结构进行了分析，证明在实验室合成的铁铝尖晶石，尽管其XRD为纯净的Hercynite，但是却含有一定数量的Fe3+，并非完全是Fe2+，进而确定了x值和结构式（Ⅳ(Fe1-xAlx)Ⅵ(FexAl2-x)O4）。以SiO2、TiO2和MgO作为添加剂合成了铁铝尖晶石，并进行了分析，表明这些氧化物都可以促进Hercynite的合成；而Si4+在起到促进作用的同时不会进入Hercynite的晶格。对于TiO2、MgO含量较少时，则Ti4+、Mg2+则会占据Hercynite晶格的四面体和八面体，使晶格常数发生变化；含量较高时，则以复合尖晶石固溶体形式存在。 在Hercynite中，Fe2+氧化为Fe3+后的离子半径减小，改变了离子排列，为O2-的进入提供了通道。为此，利用热重天平对Mg2+替代的Hercynite的稳定性进行了研究，表明Mg2+的占位可以增强O2-在Hercynite结构中传输的阻力，强化Hercynite抵抗氧化的能力。本项目从Hercynite离子占位、Mg2+离子的择位替代及对Hercynite稳定性的影响等进行研究，以建立结构、工艺与Hercynite稳定的相关性等。这对于完善Hercynite合成、强化Fe2+的价态稳定以及对耐火材料学科的发展都具有非常重要的意义；这几年，Hercynite技术已被国内外所认可、接受，而基于Hercynite的方镁石-铁铝尖晶石耐火材料也已在水泥行业推广、替代镁铬砖，真正实现了“解决水泥产业几十年来的铬污染”的初衷。