第3章 硅酸铝质耐火材料

第三章 硅酸铝质耐火材料
§3-3 矾土基高铝质耐火材料的生产
高铝质制品系指Al2O3含量在48%以上的耐火材料，其分类有两 种情况：
（一）按制品的Al2O3含量分
I 等高铝砖： II 等高铝砖： III 等高铝砖： （二）按制品的矿物组成分
Al2O3含量 ＞75% 65 ~ 75 48 ~ 65 Al2O3含量渐增 ●低莫来石质高铝制品
II等：65~75
I等：＞75
莫来石、刚玉
刚玉、莫来石 刚玉
刚玉砖
＞90
★ 硅酸铝质耐火材料是应用最广泛的耐火材料，在冶金、建材、石化、机械
制造、动力等工业都有广泛的应用。
第三章 硅酸铝质耐火材料
§3-1 硅酸铝质耐火材料生产的理化基础
硅酸铝质耐火材料以SiO2和Al2O3为基本化学组成，杂质成分通常是
★ 第三组分对铝硅系统的液相形成温度的影响，其中影响最大的是碱 金属氧化物R2O。
系统组成 S-A3S2 S-A3S2-KAS6 S-A3S2-NAS6 S-A3S2-F2’A2S5 S-A3S2-CAS2 S-A3S2-M2A2S5 S-A3S2-AT 低共熔点 温度, ℃ 1585 985 1050 1210 1340 1440 1480 600 535 375 240 145 105 温降 （℃） 系统组成 A-A3S2 A-A3S2-NAS6 A-A3S2-KAS6 A-A3S2-F’A A-A3S2-CAS2 A-A3S2-MA A-A3S2-AT 低共熔点 温度, ℃ 1850 1104 1315 1380 1512 1578 1727 746 535 470 338 272 123 温降 （℃）
5.5~20 2.8~5.5 1.8~2.8 1.0~1.8
煅烧熟料中 相组成情况 刚玉
刚玉、莫来石 莫来石、刚玉 莫来石 莫来石、玻璃 相
＞90
80~90 70~80 60~70 48~60
◆ 试验证明：特级、I 级及 III 级矾土比较容易烧结，而 II 级矾土（尤
其是 II 等乙级矾土）难以烧结。
●莫来石质高铝制品
●莫来石—刚玉质制品 ●刚玉—莫来石质制品 ●刚玉质高铝制品
§3-3 矾土基高铝质耐火砖的生产
一、高铝矾土原料 1. 化学矿物组成
（1）化学组成 主要化学组成：Al2O3、SiO2。其中Al2O3波动于 45~80%。 主要杂质组成：Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、 Na2O。总含量为2.5~6.0%。 关于耐火材料生产用铝土原料（生料）分类的技术条件（YB327— 1963）： 化学成分含量（%） 级 别 特级品 一级品 二级品 三级品 四级品 Al2O3 ＞75 70~75 60~70 55~60 45~55 Fe2O3 ＜2.0 ＜2.5 ＜2.5 ＜2.5 ＜2.0 CaO ＜0.5 ＜0.6 ＜0.6 ＜0.6 ＜0.7 耐火度 （℃） ＞1770 ＞1770 ＞1770 ＞1770 ＞1770
§3-3 矾土基高铝质耐火砖的生产
一、高铝矾土原料 1. 化学组成
新的分类方法稍有不同：
牌 号 特A
A B1 B2 C
等 级 特级
I级 II 等甲级 II 等乙级 III 级
来自百度文库
Al2O3 （%） ＞76
68~76 60~68 52~60 42~52
Al2O3/SiO2 煅烧熟料中 Al2O3含量（%） 比值 ＞20
来石化过程最长，产生的体积膨胀最大，使得烧结困难。
4. 影响高铝矾土烧结的因素
（1）二次莫来石化过程
b). 在II级矾土矿物组成中，高岭石和水铝石接近于各占约50%（51.5/ 48.5），其组织结构最不均匀，含有许多结构致密、大小不等且分布不 均的球状或椭球状体，这使得II级矾土的二次莫来石化过程结束的温度 最高。 ★ 总之，促进矾土的二次莫来石化是保证其充分烧结的重要前提，而 矾土的烧结则始于其二次莫来石化过程结束的温度。因此，矾土的煅 烧温度一般控制为超过其二次莫来石化完成温度大约100~200℃. 特级矾土：1600~1700 ℃ I 级矾土： 1500~1600 ℃ 各级矾土原料的 实际煅烧温度
第三章 硅酸铝质耐火材料
§3-1 硅酸铝质耐火材料生产的理化基础
（4）在Al2O3 含量波动于15~72% 区间，液相线变化相对较平坦，说 明系统中的液相量随温度升高增加 迅速。这一特征决定了粘土砖和二、 三等高铝砖的荷软温度都不会太高。
E2
粘土砖：1300~1400 ℃ II、III 等高铝砖：1420~1500 ℃
§3-2 粘土质耐火材料的生产
一、概念、分类
1. 粘土质耐火材料是采用天然耐火粘土为原料，将大部分耐火粘土预先 煅烧为熟料，然后与另一部分生粘土配合制成的Al2O3含量为30~48%的 耐火材料。 2. 粘土质耐火材料从生产工艺上大致可分为两类： 少熟料粘土砖： 熟料配比较小， （生）结合粘土配比较大（约25~50%） 熟料配比较大， （生）结合粘土配比较小（约10~20%） 多熟料粘土砖：
（偏高岭石）
3(Al2O3· 2SiO2)
＞ 950℃
3Al2O3· 2SiO2 + 4SiO2
（一次莫来石） （无定形）
ΔV = －17.2%
SiO2 （方石英）
3. 高铝矾土在加热过程中的化学变化
（2）二次莫来石化阶段（1200~1500℃左右） ★ “二次莫来石化过程” 系指由高岭石莫来石化后析出的SiO2，
● 性能要求较高的制品一般采用多熟料配方，如高炉砖、盛钢桶砖等制
品的生产。多熟料配比容易获得较理想的内部显微结构和准确的外形尺寸。 而对一些性能要求较低、成型较困难的制品，则通常采用少熟料多生料配 比。
二、生产工艺
1. 少熟料粘土砖生产工艺
熟料及废砖 粗 中 筛 碎 碎 分 筛下料 （骨料） 结合粘土 干 粉 燥 碎
◆ 高铝矾土在加热过程中的化学变化是其中各种矿物加热变化的综合 反映。其烧结过程大致可分为三个阶段：
（1）分解阶段（400~1200℃左右）
此阶段的主要化学反应是：
α-Al2O3· 2O H
400~600℃
α-Al2O3 + H2O
（刚玉假相） ＞1100℃
ΔV=
－27.24%
α-Al2O3（刚玉）
特点： 1. 废砖被少量配入。 2. 生粘土单独细粉碎后配入。
筛上料
料 仓
配料仓
配
筒磨机 细粉碎 细粉 困 混
料
练 料 水、结合剂
成
干 烧
型
燥 成 检验包装
2. 多熟料粘土砖生产工艺
熟 粗 中 料 碎 碎 结合粘土
特点： 1. 废砖不配入。
干 粉 筛 料 仓
燥 碎 分
2. 生粘土的两种用法：一是与
1585
（ 5 ） 当 Al2O3 含 量 大 于 78% 时 ， A3S2- Al2O3系统的低共熔点E2温度 为1850℃左右，说明 I 等高铝砖和 刚玉砖的液相生成温度高得多，具 有比粘土砖和II、III等高铝砖好得 多的耐火性能。例如刚玉砖的荷软 温度大于1700 ℃。
E1
§3-1 硅酸铝质耐火材料生产的理化基础
（1）二次莫来石化过程
◆ 二次莫来石化过程对铝矾土的烧结影响很大。实验表明，II 级矾土 煅烧时最难烧结，其烧结温度与特级矾土相当（1600~1700 ℃ ）。其原 因在于： a). II 级矾土中的Al2O3含量恰好处于莫来石的理论组成附近（65~75%）， 铝硅比Al2O3/SiO2≈2.55，因此烧结过程中生成的莫来石量最大，二次莫
400~600℃
α-Al2O3 + H2O
（刚玉假相） ＞1100℃
+
α-Al2O3
（刚玉）
3Al2O3· 2SiO2
ΔV ≈ + 10%
（二次莫来石）
3. 高铝矾土在加热过程中的化学变化
（2）二次莫来石化阶段（1200~1500℃左右）
◆二次莫来石化的完成温度因铝矾土中的Al2O3/SiO2比值不同而不同。
◆水铝石分解后形成的刚玉假相仍保持水铝石之外形，在温度高于1100℃ 之后，逐渐转变为刚玉。
§3-3 矾土基高铝质耐火砖的生产
一、高铝矾土原料 3. 高铝矾土在加热过程中的化学变化 （1）分解阶段（400~1200℃左右）
Al2O3· 2SiO2· 2O 2H
450~550℃
Al2O3· 2SiO2 + 2H2O
TiO2、Fe2O3、 CaO、MgO、R2O等。因此，Al2O3—SiO2系相图是这
类耐火材料的理化基础。
1585
第三章 硅酸铝质耐火材料
§3-1 硅酸铝质耐火材料生产的理化基础
（1）固溶体二元化合物莫来石的 组成不是固定的，其Al2O3含量波 动 于72~78%， 相 当 于 A3S2~A2S 之间的化学组成。但习惯上以 A3S2表示。 （2）莫来石的理论熔点为1910℃，
熟料共同细磨，以保证其在细 粉中分布均匀，充分发挥结合 剂作用。二是除与熟料共同细 磨外，还用部分生粘土调制成 泥浆形式，在混练时加入。
筛
筛下料（骨料）
分
筒磨机 细粉碎 配料仓
配 料
调制 泥浆
混
练
纸浆废液 检验包装
困
料
成
型
干
燥
烧
成
第三章 硅酸铝质耐火材料
§3-2 粘土质耐火砖的生产
三、提高粘土砖高温性能的措施
§3-3 矾土基高铝质耐火砖的生产
一、高铝矾土原料 2. 矿物组成
★ 我国所产铝矾土基本上是水铝石—高岭石型的，且大多是一水硬 铝石—高岭石型的，也有少部分地区出产的铝矾土属于一水软铝石 —高岭石型的。 一水硬铝石（α-Al2O3· 2O） H 水铝石 主要矿物组成： 一水软铝石（γ -Al2O3· 2O） H
与水铝石分解后形成的α-Al2O3反应形成莫来石相的过程。即：
450~550℃
Al2O3· 2SiO2· 2O 2H
3(Al2O3· 2SiO2) α-Al2O3· 2O H
Al2O3· 2SiO2 + 2H2O
（偏高岭石）
＞ 950℃
3Al2O3· 2SiO2 + 4SiO2
（一次莫来石） （无定形）
第三章 硅酸铝质耐火材料
绪 言
1. 概念：硅酸铝质耐火材料是以SiO2和Al2O3为基本化学组成的 耐火材料。 2. 分类
类 别 硅 酸 铝 及 刚 玉 制 品 半硅砖 粘土砖 高铝砖 48~90 Al2O3 含量（%） 15~30 30~48 III等：48~65 主晶相 莫来石、方石英 莫来石 莫来石
◆ 由此可见， R2O危害最大，即使含量很低（＜1%），就能使制品在1000 ℃ 左右生成液相。说明碱性熔渣或气体均对硅酸铝质的制品有严重侵蚀作用。 ◆ 对于铝硅系耐火材料，其高温性能随其中的Al2O3含量增加而提高；随R2O、
Fe2O3、CaO、MgO等溶剂成分含量增多而降低。
第三章 硅酸铝质耐火材料
（3）重结晶阶段（始于二次莫来石化趋于完成时，止于烧结结束）
该阶段的物理变化表现为：莫来石和刚玉晶体发育长大；气孔缩小、逐 渐消失；料块逐渐致密并烧结，吸水率迅速降低。
一、高铝矾土原料
4. 影响高铝矾土烧结的因素 （重点！）
★ 矾土的烧结，既意味着其中二次莫来石化过程的完善，亦意味着 重结晶过程进行了适当的程度。因此，影响铝矾土烧结的因素主要是 二次莫来石化过程和液相的数量及组成。
E2
比重3.08~3.11，晶体常呈针状、
短柱状生长，耐酸碱侵蚀。当 Al2O3 含量大于78%时，成为具有 刚玉的莫来石固溶体。
E1
1585
（3）当Al2O3含量小于72%时，系统
的低共熔点E1温度降为1585℃ 左右，而该点组成为SiO2: 94.5%，Al2O3: 5.5%。 说明在硅砖生产时，要注意严格控制杂质Al2O3的含量。
高岭石 （Al2O3· 2SiO2· 2O） 2H
常见杂质矿物：铁质矿物、金红石、三水铝石（ γ -Al2O3· 2O）， 3H 以及滑石、白云石、叶腊石、绢云母、长石等。 无疑，矾土矿中的水铝石含量越高，则其等级越高，耐火度越高。
§3-3 矾土基高铝质耐火砖的生产 一、高铝矾土原料
3. 高铝矾土在加热过程中的化学变化
（6）实际生产配料中，不可能只是Al2O3、SiO2 两种化学成分，因此， 其它成分对Al2O3-SiO2系统耐火性能的影响，当是必须考虑的要素。这些 成分主要是：CaO、MgO、TiO2、Fe2O3、R2O等，它们的加入对铝硅系 统的液相形成温度都有较大影响，尤其是R2O。
§3-1 硅酸铝质耐火材料生产的理化基础
如 I 级矾土的二次莫来石化过程结束于1400 ℃左右，而II级矾土的二次 莫来石化过程要到1500 ℃左右才能结束。
◆在二次莫来石化过程的同时，矾土中的杂质与SiO2、Al2O3反应形成
液相，部分TiO2、Fe2O3固溶入莫来石和刚玉晶体。液相的存在既有助 于二次莫来石化的进行，也为重结晶提供了条件。
粘土砖的耐火度波动于1580~1770℃，热震稳定性较好，但
荷重软化温度较低，原因是不具网络骨架结构，玻璃相含量 较多。 1. 降低粘土原料的杂质（尤其是碱金属氧化物）含量。
2. 适当提高烧成温度，使制品具有致密结构。
3. 采用高铝基质（Al2O3/SiO2≈2.55）组成特征的配料。 4. 采用多熟料配料及混合细磨措施。