第2章、铝硅系耐火材料
第5章铝硅系耐火材料-3概要
2. 电熔法合成莫来石
以工业氧化铝（或优质矾土熟料）、高纯硅石为原料，经配料、 混合均匀后，投入电弧炉中熔融，再冷却成莫来石熔块，然后将 莫来石熔块粉碎、酸洗净化制成不同粒度的原料使用。
◆ 控制的工艺参数主要是：熔融温度和时间、冷却速度等。
烧结莫来石：晶粒小，缺陷多→→热震↑ 电熔莫来石：晶粒大、缺陷少→→高温力学性能和抗侵蚀性↑
—— 当配合料的Al2O3高于莫来石中的理论组成71.8%时，形 成溶有过剩Al2O3的莫来石固溶体即β-莫来石。
—— 只有Al2O3＞80%时才会出现刚玉相。
★ 关于锆莫来石(Zirconia mullite material)
1. 烧结法合成莫来石
B. 合成工艺路线类型
a). 配合料 → 干混、细磨→ 成球→ 回转窑煅烧 b). 配合料 → 湿磨→ 压滤→ 块体料→ 回转窑煅烧 c). 配合料 →干混、细磨→ 加水练泥→ 压成料块→ 隧道窑煅烧
C. 影响烧结莫来石质量的主要工艺因素
a). 煅烧温度：采用纯净的Al2O3与SiO2原料合成莫来石时，一般在 1200℃左右即开始形成，到1650 ℃时反应完成，但此时莫来石晶 体发育不完善，到1700 ℃以后才能发育好。故这种情况下，合成 莫来石的煅烧温度应 ≥ 1700℃。当采用天然原料配料时，煅烧温度 可稍低些。
<3 <5 <10
≥1790
<0.2 <0.3 <0.3
≥2.75 ≥2.70 ≥2.65
<3 <5 <10
≥1790
1. 烧结法合成莫来石
M45莫来石 由优质高岭土和少量工业氧化铝及矿化剂， 采用湿法真空成型，高温烧成，形成一种高硅氧玻璃 材料，及由莫来石和玻璃二晶相组成的复合材料，其 产品性能类似英国莫来卡特料，是一种理想的高温窑 具材料。指标 Al2O3 44-46, Fe2O3≤0.5, R2O≤0.5， 体密≥2.55 g/cm3，晶相（%）≥55
5耐火材料硅铝质耐火材料全解
2.2 硅质耐火材料
二氧化硅的同素异晶转变
二氧化硅在加热过程中，在不同的温度下以不同的晶型存在，在
一定条件下相互转变，并伴随有体积变化。 •迟钝型转变 不可逆
2.2 硅质耐火材料
硅砖的性质和使用
六、耐热震性 在850℃下水冷仅为1—2次。其原因在于温度剧烈变化时，硅砖内部的 结晶发生快速型转变，体积突然膨胀或收缩，产生较大的内应力所致。
当使用温度在600℃以上波动时，由于结晶不发生快速型转变，耐热震
性较好。 七、抗渣性
对酸性及弱酸性炉渣和含腐蚀性炉气的侵蚀有很强的抵抗能力。对含
体积密度为1.8一1.95g／cm3。 硅砖的成型压力愈高，体积密度愈
大。增大体积密度可以提高硅砖的结构强度、导热性和抗渣能力。
2.2 硅质耐火材料
硅砖的性质和使用
三、耐火度
1600一1730℃。随着SiO2含量、晶型、杂质种类及数量的不同而略有 变化。SiO2含量愈高耐火度愈高，杂质含量愈多则耐火度愈低。 四、荷重软化温度 一般为1620一1670℃，与其耐火度接近。影响因素主要是砖中杂质种 类、数量和晶型与密实状况等。 五、高温体积稳定性 热膨胀+晶型转变导致的体积膨胀。
2.2 硅质耐火材料
硅砖的性质和使用
一、化学矿物组成
2.2 硅质耐火材料
硅砖的性质和使用
二、真密度和体积密度
一般硅砖的真密度在2.388g／cm3以下，优质硅砖在2.33—2.34g
／cm3范围内，硅石为2.652／cm3。根据真密度可以判断硅砖的矿
基础考试——精选推荐
第六章答案6-2什么是吉布斯相律？它有什么实际意义？解：相律是吉布斯根据热力学原理得出的相平衡基本定律，又称吉布斯相律，用于描述达到相平衡时系统中自由度数与组分数和相数之间的关系。
一般形式的数学表达式为F＝C－P＋2。
其中F为自由度数，C为组分数，P为相数，2代表温度和压力两个变量。
应用相率可以很方便地确定平衡体系的自由度数。
6-3固体硫有两种晶型，即单斜硫、斜方硫，因此，硫系统可能有四个相，如果某人实验得到这四个相平衡共存，试判断这个实验有无问题？解：有问题，根据相律，F=C-P+2=1-P+2=3-P，系统平衡时，F=0，则P=3，硫系统只能是三相平衡系统。
图6-1 图6-26-4如图6-1是钙长石（CaAl2Si2O）的单元系统相图，请根据相图回解：（1）六方、正交和三斜钙长石的熔点各是多少？（2）三斜和六方晶型的转变是可逆的还是不可逆的？你是如何判断出来的？（3）正交晶型是热力学稳定态？还是介稳态？解：（1）六方钙长石熔点约1300℃（B点），正钙长石熔点约1180℃（C点），三斜钙长石的熔点约为1750℃（A点）。
（2）三斜与六方晶型的转变是可逆的。
因为六方晶型加热到转变温度会转变成三斜晶型，而高温稳定的三斜晶型冷却到转变温度又会转变成六方晶型。
（3）正交晶型是介稳态。
6-5图6-2是具有多晶转变的某物质的相图，其中DEF线是熔体的蒸发曲线。
KE是晶型I 的升华曲线；GF是晶型II的升华曲线；JG是晶型III的升华曲线，回答下列问题：（1）在图中标明各相的相区，并写出图中各无变量点的相平衡关系；（2）系统中哪种晶型为稳定相？哪种晶型为介稳相？（3）各晶型之间的转变是可逆转变还是不可逆转变？解：（1）KEC为晶型Ⅰ的相区，EFBC过冷液体的介稳区，AGFB晶型Ⅱ的介稳区，JGA晶型Ⅲ的介稳区，CED是液相区，KED是气相区；（2）晶型Ⅰ为稳定相，晶型Ⅱ、Ⅲ为介稳相；因为晶型Ⅱ、Ⅲ的蒸汽压高于晶型Ⅰ的，即它们的自由能较高，有自发转变为自由能较低的晶型Ⅰ的趋势；（3）晶型Ⅰ转变为晶型Ⅱ、Ⅲ是单向的，不可逆的，多晶转变点的温度高于两种晶型的熔点；晶型Ⅱ、Ⅲ之间的转变是可逆的，双向的，多晶转变点温度低于Ⅱ、Ⅲ的熔点。
硅质耐火材料培训课件PPT(31张)
• 高温体积稳定性 硅砖在加热过程中，除了存在一般的热膨胀外，还发 生晶型转变并伴有体积膨胀。 • 耐热震性 硅质耐火制品的耐热震性很差，在850℃下水冷仅为 1～2次。当硅砖的使用温度在600℃以上波动时，由于 结晶不发生快速型转变，它的耐热震性较好。 • 抗渣性 硅砖是酸性耐火材料，对酸性及弱酸性炉渣和含腐蚀 性炉气的侵蚀有根强的抵抗能力； 对含CaO和FeO的 炉渣侵蚀作用也有一定的抵抗能力。
CaO-Al2O3-SiO2系统
• 最低共熔液相温度 1170
CaO-FeO-SiO2系统
• 最低共熔液相温度 1105℃
FeO-Fe2O3-SiO2系统
• 最低共熔液相温度 1178-1450
Na2O-Al2O3-SiO2系统
第二节
• 硅石原料
原料及其性质
– 制造硅砖的原料为硅石，要求硅石中SiO2含量大于96％（我国多数 在98％以上），Al2O3、TiO2及碱金属氧化物等杂质总含量一般要小 于2％。 – 硅石的显微组织分为结晶质和胶结质两种。结晶硅石由结晶石英颗 粒组成。 – 胶结硅石是由硅质胶结物将细小石英晶体胶聚而成，若控制得当也 可生产出合格产品。 – 原料分类：
• 按转变速度分类； • 按致密程度分类； • 按剧烈膨胀开始温度分类。
• • • •
废硅砖 石灰 矿化剂 有机结合剂
第三节 硅砖的生产工艺
• 硅砖生产的工艺流程：硅砖与其他耐火砖的生产工艺不同 之处在于：原料不经煅烧，直接配用破粉碎和筛分后的硅 石颗粒料和细粉；需加一定的矿化剂，其中石灰乳既是矿 比剂又起结合作用。然后成型、干燥和烧成。
• 硅砖真密度的大小是判断其晶型转变程度的重要 标志之一。 一般硅砖的真密度在2.38g/cm3以下， 优质硅砖在2.32～2.36g/cm3范围内，硅石为 2.65g/cm3。 • 硅砖的体积密度与气孔率有关。一般硅砖的显气 孔率为17～25％，体积密度为1.8～1.95g／cm3。
硅酸铝系耐火材料硅质耐火材料课件
VS
详细描述
高炉内衬需要承受高温、高压和化学侵蚀 等恶劣条件，因此需要选用具有良好耐火 性能和结构强度的硅质耐火材料。常见的 硅质耐火材料包括硅砖、硅质捣打料等。 在施工时，需要严格控制砌筑质量，确保 内衬的尺寸精度和表面平整度，同时采取 适当的维护措施，延长内衬的使用寿命。
案例二：连铸中间包内衬的选用及施工方法
良好的抗热震性能
硅质耐火材料具有较好的抗热 震性能，能在温度急变的情况 下保持稳定性。
良好的机械性能
硅质耐火材料具有较高的密度 和硬度，耐磨、耐压性能良好
。
硅质耐火材料的应用场景
高炉内衬
硅质耐火材料因其高温稳定性、化学 稳定性和良好的抗热震性能，广泛应 用于高炉内衬。
玻璃窑炉
玻璃窑炉内衬需要抵抗高温和化学侵 蚀，硅质耐火材料是常用的材料之一 。
采用清洁能源
在硅质耐火材料生产过程中，应 尽量采用清洁能源，如电力、天 然气等，以减少燃煤和燃油的使
用，从而降低污染物排放。
优化生产工艺
通过技术改造和升级，优化硅质耐 火材料的生产工艺，提高设备的能 源利用效率，减少能源浪费和排放 。
废弃物资源化利用
对于硅质耐火材料生产过程中产生 的废渣和废气，应进行资源化利用 ，如回收废渣制作建筑材料、废气 回收再利用等。
等方面的不同需求。技术创新能够开发出适应市场需求的新产品，提高
企业的市场竞争力。
硅质耐火材料的研发方向
提高热学性能
研发新型的硅质耐火材料，提高其热学性能，如热导率、热膨胀系 数等，以满足高温工业炉窑对材料的高温适应性要求。
提高抗腐蚀性能
针对化工、钢铁等领域的高温、高压、强腐蚀等极端环境，研发具 有优异抗腐蚀性能的硅质耐火材料。
《材料科学基础》课后习题及参考答案
绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、 Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。
MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。
8、根据最密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金钢石结构的空间利用率很低(只有34.01％)，为什么它也很稳定?9、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25．9％；10、金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74克/厘米3，求它的晶胞体积。
熔模铸造用制壳耐火材料介绍
第一章、制壳耐火材料一、概述熔模铸造型壳是由粘接剂、耐火材料及附加物组成的。
其中耐火材料占总比重的90%以上，对型壳性能影响很大。
制壳耐火材料应使型壳有足够的常温强度和高温强度，在高温下不发生变形；有良好的透气性、热震稳定性、热化学稳定性、脱壳性等性能。
为此，制壳用耐火材料必须有足够的耐火度、热化学稳定性、小而均匀的热膨胀系数、合适的粒度，并要有利于涂料性能的稳定。
此外，作为制壳材料还应对人体健康无害、货源充足和质量稳定。
用于熔模铸造的耐火材料种类很多，按用途大致可分为：型壳面层用耐火材料、型壳加固层用耐火材料、陶瓷型芯用耐火材料及炉衬用耐火材料等四种类型。
用于型壳加固层材料的有：莫来石、铝矾土及其他铝硅系耐火材料（如耐火粘土、匣钵砂、煤矸石等）；以及（英国）莫洛卡特（Molochite）等耐火熟料。
近年来还应用氧化钙等作为制壳用耐火材料。
在一定的温度范围内，有些耐火材料的热膨胀比较均匀（如刚玉、氧化镁）而另有些耐火材料的热膨胀则不均匀（如石英）。
耐火材料在高温下应具有良好的热化学稳定性，以保证铸件表面质量。
常用耐火材料的物理、化学性能见下表所示：另外，制壳用耐火材料还应具有合理的粒度组成，它直接影响型壳的致密度、强度和透气性。
二、石英石英砂（粉）可分为天然的和人造的两种。
前者是堆积在河岸或沙丘上的天然石英砂（粉）；后者是将石英岩经机械粉碎、筛选和分级而成的，纯度较高。
熔模铸造通常采用的是人造石英砂（粉）。
熔模铸造用石英粉应有粗有细，粗细相镶，分散分布，最好为双峰分布。
石粉厂已配制出人工级配粉供精铸厂使用，以稳定粉料质量。
讲解老标准目数概念颗粒目数的定义：所谓目数，是指物料的粒度或粗细度，一般定义是指在1英寸长度内有多少个网孔数，即筛网的网孔数，物料能通过该网孔即定义为多少目数：目数越大，说明物料粒度越细，目数越小，说明物料粒度越大。
一般筛网网线宽度占35%，网孔宽度占65%。
在自然界中出现的石英大多是低温型的，且主要是以β石英存在。
无机非工学 第二章 硅酸铝质耐火材料
粘土砖的理化指标
氧化铝% 耐火度℃ 荷重软化温度℃ 显气孔率% 重烧线变化% 常温强度MPa ≮ ≮ ≮ ≯ 1450 ℃，2h ≮ 42 42 42 40 36 1750 1750 1750 1730 1690 1450 1430 1400 1350 1300 15 16 24 24 26 0～－0.2 0～－0.3 0～－0.4 0～－0.3 0～－0.5 58.8 49.0 29.4 24.5 19.6
第二节
硅酸铝质耐火材料
硅酸铝质耐火材料是以Al2O3和SiO2为基
本化学组成的石砖、莫来石砖、刚玉砖。
一、硅酸铝制品的物理化学特性：
二、二次莫来石化过程：
水铝石 脱水 刚玉化 高岭石 脱水分解 莫来石化
刚玉结晶 二次莫来石化 刚玉再结晶 莫来石再结晶
方石英
硅酸盐玻璃
三、粘土砖的性质：
粘土质耐火材料是用天然的各种粘土作原料，将一部分粘土
预先煅烧成熟料，并与部分生粘土配合制成Al2O3含量为30～ 46%的耐火制品，属于弱酸性耐火材料。 1. 耐火度：耐火度较高（1600～1700 ℃），随Al2O3含量增多 而提高。
对于Al2O3在20～50%范围内的制品，其耐火度有经验公式：
四、高铝砖的性质：
1. 耐火度较高，＞1780℃。
2. 荷重软化温度：
高铝砖的理化指标
氧化铝% 耐火度℃ 荷重软化温度℃ 显气孔率% 重烧线变化% 常温强度MPa ≮ ≮ ≮ ≯ 1500 ℃，2h ≮ 75 65 55 48 1790 1790 1770 1750 1520 1500 1470 1420 23 23 22 22 －0.4 －0.4 －0.4 － 53.9 49.0 44.1 39.2
无机非金属材料科学基础答案6~10部分
第六章6-4 什么是吉布斯相律？它有什么实际意义？解：相律是吉布斯根据热力学原理得出的相平衡基本定律，又称吉布斯相律，用于描述达到相平衡时系统中自由度数与组分数和相数之间的关系。
一般形式的数学表达式为F＝C－P＋2。
其中F为自由度数，C为组分数，P为相数，2代表温度和压力两个变量。
应用相率可以很方便地确定平衡体系的自由度数。
6-6 根据Al2O3－SiO2系统相图说明：（1）铝硅质耐火材料：硅砖（含SiO2＞98％）、粘土砖（含Al2O335％～50％）、高铝砖（含Al2O360％～90％）、刚玉砖（含Al2O3＞90％）内，各有哪些主要的晶相？（2）为了保持较高的耐火度，在生产硅砖时应注意什么？（3）若耐火材料出现40％的液相便软化不能使用，试计算含40mol％Al2O3的粘土砖的最高使用温度。
解：（1）硅砖（含SiO2>98%）主要晶相： SiO2、2Al2O3·2SiO3固溶体（莫来石），粘土砖（含Al20335 ～50%）主要晶相：SiO2、A3S2，高铝砖（含Al20360 ～90%）主要晶相：60～72%A3S2 72 ～90% Al2O3、A3S2。
（2）为了保持硅砖的耐火度，要严格防止原料中混如Al203。
SiO2熔点为1723 ℃，SiO2液相很陡，加入少量的Al203后，硅砖中会产生大量的液相，SiO2的熔点剧烈下降。
如加入1wt% Al203，在低共熔点（1595 ℃）时产生的液相量为1/5.5=18.2% ，会使硅砖的耐火度大大下降；（3）根据相图，当出现40%液相时，由杆杠规则可知，，得x=0.1, 在相图中作出析晶路线，可以估计出粘土砖的最高温度约为1670 ℃。
6-9图6-15为生成2个一致熔融二元化合物的三元系统，据图回答下列问题：（l）可将其划分为几个副三角形？（2）标出图中各边界及相区界线上温度下降方向。
（3）判断各无变量点的性质，并写出相平衡关系式。
硅酸铝质耐火材料介绍
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3、荷重软化温度 主要取决于制品中A12O3含量和杂质的种类及数量。荷重软化温度比耐 火度低很多，只有1350℃左右。
4．高温体积稳定性 在生产过程中加入了一定数量的结合剂 (如结合粘土)，在烧成时 矿化作用不彻底造成的。残余收缩一般为0.2一0.7％，不超过1％。
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5．耐热震性 耐热震性好，普通粘土砖1100℃水冷循环达10次以上，多熟料粘
5．抗渣性 A12O3为两性氧化物，既能抵抗酸性炉渣的侵蚀
也能低抗碱性炉渣的作用。但抗碱性渣的能力不及镁质材料， 却优于粘土质材料，并随莫来石和刚玉质含量增加而增强。
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四、高铝砖的用途
常用它来代替高质量的粘土砖和硅砖，以提高炉子 的寿命。目前主要用于砌筑高炉、热风炉、电炉炉顶、 鼓风炉、反射炉、回转窑内衬。此外，高铝砖还广泛地 用做平炉蓄热式格子砖、浇注系统用的塞头、水口砖等。 但高铝砖价格要比粘土砖高，故用粘土砖能够满足要求 的地方就不必使用高铝砖。
根据矿物组成分类为： 低莫来石及莫来石质(A12O3 48—71.8％) 莫来石－刚玉质及刚玉—莫来石质(Al2O3 71.8—95％) 刚玉质(Al2O3 95—100％)
一、原料：高铝矾土（主要原料）、三石、工业氧化铝等。 二、生产工艺特点
与多熟料粘土质制品的生产工艺相似。烧成比粘土耐火制品因难得多 （二次莫来石化），条件控制更加严格。
第二章 耐火材料的性能
1-刚玉砖；2-粘土砖； 3-高铝砖；4-镁砖； 5、6-硅砖
3、抗折强度
抗折强度：亦称抗弯强度或断裂模量，是指材料单位面积 所能承受的极限弯曲应力。
耐火材料的抗折强度分为常温抗折强度和高温抗折强度。 在 常 温 下 测 得 的 抗 折 强 度 为 常 温 抗 折 强 度 ； 在 10001200º C的某一特定温度下测得的抗折强度为高温抗折强度。
Db—体积密度，g/cm3； M —试样的质量，g/cm3； Vt—试样中材料的实际体积，cm3； Vo—试样中开口气孔的体积，cm3； Vc—试样中闭口气孔的体积，cm3。
M Dt Vt
气孔率与密度之间的关系
Db Pa (1 ) 100% Da
Db Pt (1 ) 100% Dt
常用耐火材料的常温耐压强度
一般制品：10-15MPa 高级制品：25-30MPa
2、高温耐压强度
高温耐压强度：耐火材料在1000-1200℃的高温热态下单 位面积所能承受的最大压力，以N/mm2表示。
常用耐火材料的高温耐压强度
耐火制品高温耐压强度的这种变化是受材料中 的某些组分、特别是其中的基质或其结合相在 高温下发生的变化所控制。一般而言，完全由 晶体构成的烧结耐火材料，因高温下其中晶粒 及晶界易发生塑性变形，特别是当其加荷速度 较小时更易发生塑性变形，故其强度随温度的 升高而降低。当其中部分晶相间在高温下熔融 或形成熔融体时，随着温度的升高，此种多相 材料的强度也因显微结构随温度变化而降低。 但当温度进一步提高后，由于玻璃相的粘度由 脆性变为强韧性，使材料颗粒间结合更为牢固， 从而使强度明显提高。而后，随着温度升高， 因材料中熔体粘度急剧下降，材料的强度也随 之急剧下降。
§2.2 耐火材料的宏观结构
Al2O3-SiO2系耐火材料2
材料科学与工程系
焦宝石
矾 土
高岭土
材料科学与工程系
水泥回转窑
陶瓷隧道窑
玻璃熔窑
材料科学与工程系
Al2O3-SiO2二元系相平衡
材料科学与工程系
SiO2—Al2O3系组成与耐火度间的关系
材料科学与工程系
Al2O3-SiO2系耐火材料组成与性能
制品名称 硅质 半硅质 粘土 Ⅲ等高铝砖 Ⅱ等高铝砖 Ⅰ等高铝砖 刚玉砖 Al2O3含量% ≥93（SiO2） 15~30 30~46 46~60 60~75 ＞75 95~99 主要矿相 鳞石英、方石英、残余石英、玻璃相 石英变体、莫来石、玻璃体 莫来石（~50%）、石英变体、玻璃体 莫来石（60~70%）、石英变体、玻璃 体 莫来石、少量刚玉、玻璃体 莫来石、刚玉、少量玻璃体 刚玉、少量玻璃体 化学性质 酸性 半酸性 弱酸性 弱酸性 弱酸性 似中性 中性
离子半径＜0.7埃，可以占据莫来石晶格中的空位；
离子半径＞0.7埃，则使晶格膨胀 在离子半径较大的碱或碱土族化合物作用下将促使莫来 石分解。
材料科学与工程系
不同半径过渡金属在莫来石中固溶量 不同过渡金属随固溶量增加莫来石组分变化
材料科学与工程系
含V2O38.7wt.%莫来石
含Cr2O311.5wt.%莫来石
材料科学与工程系
Al2O3—SiO2—MgO系统
优质粘土砖A：Al2O3 46% 吸收2%MgO,1500℃形成 液相量 L=(A’A3S2)×100%/(a’A3S2)≈60%
材料科学与工程系
Al2O3—SiO2—CaO系统
当材料的组成点在莫来石初晶区内，形成钙斜长石 (CAS2)—莫来石—鳞石英间的共熔点1(1345℃)，其熔 液相量达10%左右。当温度升高到1500℃时，液相量 增到3l.2％。
第5章 铝硅系耐火材料-2
水铝石和高岭石，二者含量相近。
4）耐火材料用铝矾土（生料）的等级划分
化学成分， ％ 级别 特级 一级 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
晶格常数
结
构
结构式 晶 颜 形 色
长柱状，针状或纤维状 集合体
灰，白褐 3.23～3.27 (3.23～3.25) 沿{010}解理完全
密 度 g/cm3 解 理
加热性质
1400℃左右开始转变为 1500℃左右开始转变为 莫来石 莫来石
体积变化 /%
+18
+5.4
+7.2
2) 化学组成
Al2O3· SiO2 理论组成：Al2O362.92%， SiO237.08%
5.4.2 高铝质制品生产工艺要点
相同点：高铝制品的生产工艺流程与多熟料粘土质制品生产 工艺流程相似。 不同点：二次莫来石化反应。
● 减轻二次莫来石化反应措施：
（1）熟料的严格拣选分级 （2）合理选择结合剂的种类和数量 —— 结合粘土尽可能少加（5～10%）
—— 用生矾土细粉代替结合粘土
—— 用高铝矾土和结合粘土粉按比例配合
1600～ 1700℃
1500～ 1600℃
因高岭石少，水铝石多，二次莫来 石化程度弱，可能还有TiO2
一定程度的二次莫来石化 二次莫来石化强烈 因高岭石多，水铝石少，二次莫来 石化程度弱 同上
1600～ 1700℃
最易 1500℃左右 最易 1500℃左右
● 衡量矾土熟料质量的指标有：① 化学组成（ Al2O3、SiO2、 Fe2O3+ TiO2、K2O+Na2O 等含量）；② 烧结程度（吸水率、体积密度等）。 如体积密度要求通常为：特级品≥3.00， I 级品≥2.80， II 级品≥ 2.55， III 级品≥2.45 。
耐火材料硅酸铝质耐火材料综述课件
环保与可持续发展要求
节能减排
优化生产工艺，降低能耗和减少废弃物排放， 实现绿色生产。
资源循环利用
开展废弃硅酸铝质耐火材料的回收和再利用研 究，降低资源消耗和环境负担。
环保标准与法规
加强环保标准和法规的制定与实施，推动硅酸铝质耐火材料行业的可持续发展。
06
参考文献
参考文献
文中引用
在正文中引用参考文献时，需要注明引用文献的作者、年份、文章标题或书籍名称等信 息，并按照文中出现的先后顺序进行编号。
提高产品质量与性能的途径
1 2 3
优化原料配方 通过调整原料配方，控制材料的化学组成和显微 结构，提高其高温性能和使用寿命。
表面改性处理 对硅酸铝质耐火材料表面进行涂层、镀层或离子 注入等处理，改善其抗氧化、抗腐蚀和抗热震性 能。
新型复合技术 采用先进的复合技术，如热压复合、爆炸复合等， 实现材料的多功能化和高性能化。
根据矿物组成可分为高 岭石型、蒙脱石型和伊 利石型等。
02
根据生产工艺可分为烧 结型、熔融型和添加结 合剂型等。
03
04
根据使用温度可分为普 通硅酸铝质耐火材料和 高温硅酸铝质耐火材料。
根据形状可分为定形耐 火材料和不定形耐火材料。
02
硅酸铝质耐火材料的生产工酸铝质耐火材料的原材料主要 包括高岭土、长石、叶蜡石等， 选择时应确保原材料的质量和稳 定性，以满足生产要求。
陶瓷熔融用耐火材料
在陶瓷熔融过程中，硅酸铝质耐火材料能够承受高温和酸性熔渣的侵蚀，用于熔 融装置的炉衬等部位。
其他领域
玻璃工业
硅酸铝质耐火材料可用于玻璃熔炉的炉墙和炉底，承受高温 和玻璃液的侵蚀。
石化工业
在石化工业中，硅酸铝质耐火材料可用于裂解炉、加热炉和 反应器等设备中，具有较好的抗酸性气体和硫化物侵蚀性能。
《材料科学基础》课后习题及参考答案
绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、 Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。
MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。
8、根据最密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金钢石结构的空间利用率很低(只有34.01％)，为什么它也很稳定?9、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25．9％；10、金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74克/厘米3，求它的晶胞体积。
铝硅系耐火原料
铝硅系耐火原料(Al2O3-SiO2 system refractory raw matrials)天然的或人工合成的Al2O3和SiO2二元系耐高温矿物原料。
该原料在自然界中分布较广，在耐火原料中占有主要地位。
简史自青铜器时代人们就认识并开始利用耐火粘土类矿物于高温作业，用量逐渐扩大、品种不断增多。
1924年英国人鲍文(N．L.Bewen)等发现3Al2O3.2SiO2的新矿物，并命名为莫来石。
经研究，首先发表了Al2O3-SiO2系相平衡图。
1951年苏联人局部修改了该图，1954年英国人提出对该图Al2O3含量在70％～77%之间的修改意见，以后又经过几次修改，直到1974年由英国人提出的更为成熟的修改图(见图)。
通过上述的一系列的相平衡研究，明确了Al2O3-SiO2系矿物在高温下矿物相存在的状态、范围及其性质。
为有效利用天然原料中最广泛的Al2O3-SiO2系耐火矿物原料提供了参考。
它也是现在耐火原料中用量最大的系列。
分类从人们对Al2O3-SiO2耐火原料的多年使用中，逐步形成以其中Al2O3或SiO2含量的多少来分类。
SiO2含量大于96％的为硅石，Al2O3+TiO2含量在15％～30％的为半硅质粘土，30％～40％的为耐火粘土，Al2O3含量在48％以上的为铝土矿。
其中有硅线石族矿物和人工合成原料。
硅石类以石英为主要成分。
以结晶硅石的纯度为最高，SiO2含量在98％以上。
由于原料中石英结晶完整，加热时晶型转化难，因此给制品的烧成带来了困难。
胶结硅石的SiO2含量在96％以上，由于杂质含量较高、结晶较小，加热时晶型较易转化。
半硅质粘土Al2O3+TiO2含量在15％～30％之间，主要有叶蜡石(Al2O3%26bull;4SiO2%26bull;H2O)及蒙脱石族(Al2O3%26bull;nSiO2%26bull;H2O)矿物。
两种矿物的结晶结构相似(为层状结构)，并含有Fe2O3、CaO、MgO等杂质，对耐火性能有影响。
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2）软质粘土（半软质粘土、可塑粘土） 沉积矿床（时间短）、松散→水中分散，可
塑性好→结合剂 材料科学与工程学院
• Al2O3-SiO2二元系相平衡
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2050
1723
莫来石：
Al2O3:71.8%
SiO2:28.2%
5.5
熔点：1850℃
30
46
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— 金属氧化物，如CuO、Cu2O、TiO2、Fe2O3等
— 特殊硅石（Al2O3、R2O低）
— 添加含硅的物质，如SiC、Si3N4、Si等
硅铬砖：抗氧化铁和熔渣侵蚀性强 硅锆砖和硅堇青石砖：高热震稳定性 硅碳化硅砖：高热震稳定性、耐磨性、热导率
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2.2 硅质耐火材料
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600－700℃ CaO与SiO2的固相反应开始，砖坯结 合强度↑
2CaO＋SiO2 →β－2CaO·SiO2 2CaO·SiO2＋SiO2→2（CaO·SiO2）
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硅砖烧成中主要物理化学变化
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1000－1100℃ 生成固溶体 α－CaO·SiO2＋FeO·SiO2→[CaO·SiO2－FeO·SiO2]
◆ 成型 砖坯体积密度2.2-2.3g/cm3 砖模尺寸应缩小（缩尺）
◆ 烧成 废品率高 —— SiO2晶型转变，体积变化 —— 液相量较少（~10%）
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硅砖烧成中主要物理化学变化
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≤150℃
自由水↑
450－500℃ Ca(OH)2分解，砖坯结合强度↓ 550－650℃ β－石英→α－石英
普通硅砖
0.18 95.60 0.10 0.95 0.55 2.00 0.06 0.06 0.18
＜1 63 18
高密度硅砖
超高密度硅砖
0.14 95.85 0.07 0.96 0.59 2.10 0.06 0.08 0.10
＜1 61 21
0.16 96.06 0.07 0.85 0.54 1.96 0.15 0.07 0.14
∴ CaO-FeO可作为矿化剂； 硅砖可以同时吸收不同 比例的CaO和FeO。
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Na2O-SiO2系
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∵加入6.5%Na2O，液化温度 下 降 到 1600℃ ， 25%Na2O， 液 化 温 度 降 到 Na2O·SiO2SiO2 共 晶 点 789℃ ， 并 且 无 二液区。
思考题： 影响硅砖导热性能的因素有哪些？说明原因。
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2. 4 粘土质耐火材料
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定义：沉积矿床或铝硅酸盐岩石——风化——土状矿 物。
耐火粘土：耐火度≥1580℃ 按耐火度分：特级、一级、二级、三级 种类： 1）硬质粘土 沉积矿床（时间长）、致密→水中不分散，可塑性差 →熟料
应用：
建材工业、冶金工业（高炉、热风炉、蓄热室、 加热炉、均热炉、退火炉及铸锭系统等）、机械工业、 石油化工工业、动力工业以及轻工业等。
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2.1 概况
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Al2O3-SiO2系耐火材料组成与性能
Al2O3含量，%
主要矿相
化学性质
硅质 半硅质
≥93（SiO2） 15~30
砖种
Ⅲ等粘土 砖
Ⅰ等粘土 砖
莫来石砖 刚玉砖
Al2O3，% / 40 70 90
开始变形温 4%变形温度， 40%变形温
度TH，℃
℃
度TK，℃
1250
1320
1500
1400
1470
1600
1600 1870
1660 1900
1800 /
TK-TH 250 200 200 /
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2.2 硅质耐火材料
废硅砖（≤20%） 矿化剂：轧铁皮（铁鳞）、平炉渣、硫酸渣、软锰矿等。 结合剂：石灰乳、硅酸盐水泥、亚硫酸纸浆废液。
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2.2.3 硅砖的生产工艺要点
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生产工艺要点
◆ 颗粒组成的选择（结合剂少） 临界粒度（颗粒大易压碎、转变时体积膨胀大而开裂） 细粉数量（转变时体积膨胀小、与矿化剂作用及烧结性增强）
∴ Na2O不能用作矿化剂; Na2O 也是有害杂质。
•
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2.2 硅质耐火材料 与液相相关的因素
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— 液相的形成温度（低共熔点） — 液相的数量 — 液相的粘度（如氟化物） — 液相对SiO2的润湿能力 — 液相（硅酸盐）的结构
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2.2.3 硅砖的生产工艺要点
鳞石英、方石英、残余石英、玻璃相 石英变体、莫来石、玻璃体
酸性 半酸性
粘土
30~46
莫来石（~50%）、石英变体、玻璃体 弱酸性
Ⅲ等高铝砖 Ⅱ等高铝砖 Ⅰ等高铝砖
刚玉砖
46~60
60~75 ＞75 95~99
莫来石（60~70%）、石英变体、玻璃 体
莫来石、少量刚玉、玻璃体
莫来石、刚玉、少量玻璃体
刚玉、少量玻璃体
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硅砖真比重 鳞石英，% 方石英，%
熔点
1670
1723
石英，%
1600
玻璃相，%
2.33
80
13
1
7
2.34
72
17
3
8
2.37
63
17
9
1
2.39
60
15
9
6
2.40
58
12
12
18
2.42
53
12
17
18
硅砖的密度一般应小于2.38g/cm3
优质硅砖的密度在2.32~2材.36料g/c科m学3 与工程学院
弱酸性 弱酸性 似中性
中性
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2.1 概况
• Al2O3-SiO2二元系相平衡
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2050
1723
5.5
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2.1 概况
• Al2O3-SiO2系组成与耐火度间的关系
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2.1 概况
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Al2O3-SiO2系制品的荷重软化变形温度
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原料
分类 岩石分类
显微结构和特征
示例
结晶 硅石
脉石英 石英岩 变质石英岩 石英砂
晶粒很大，纯净，转变困难 晶粒较小，纯净，中速转变 晶粒受地壳压力而发生扭曲，易转变 晶粒较大，纯度不定
吉林 本溪 包头
胶结 硅石
砂岩 玉髓 燧石岩
以胶结石英为基质的砂岩 由玉髓组成 以玉髓为基质
武汉 山西
∵液化温度2250℃， 二液区宽度5-98 Cr2O3 ， 二元共熔点1720℃ 。
∴ Cr2O3不能用作矿化剂
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CaO-FeO-SiO2 系
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∵CaO-SiO2 、 FeO-SiO2 都有二液区，由两个含 二液区的二元系统构成 的三元系统，仍然保持 着二液区。
• ∴ MgO不能用作矿化剂
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TiO2-SiO2系
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∵液化温度1780（1794） ℃ ， 二 液 区 宽 度 18-92 TiO2（偏向TiO2），二 元共熔点1553℃
∴ TiO2不能用作矿化剂
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Cr2O3-SiO2系
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弱还原气氛
20 ℃／小时（快） 25 ℃／小时（最快） 10 ℃／小时 5 ℃／小时（慢） 2 ℃／小时（最慢）
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2.2.4 硅砖的组成与性质 ◆ 化学成分
SiO2 93-98
Al2O3 0.5-2.5
Fe2O3 0.3-2.5
CaO 0.2-2.7
◆ 矿物组成
普通硅砖
高密度硅砖
超高密度硅砖
32 1/2
33
32
2.309
2.311
2.302
2.30
2.30
2.26
g/cm3
1.80
1.85
1.93
％
21.6
19.5
14.6
cc/Sec
0.121
0.103
0.035
MPa
60
62
95
MPa
19
1480℃
5
19.9
21.1
5.5
11.6
MPa
1.30
1.35
1.76
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第2章 Al2O3-SiO2系耐火材料
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本章主要内容
2.1 概况 2.2 硅质耐火材料 2.3 硅酸铝质耐火材料 2.4 粘土质耐火材料 2.5 高铝质耐火材料 2.6 氧化铝质耐火材料
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第二章 Al2O3-SiO2系耐火材料
≥1200℃ 与杂质如Al2O3、Na2O等作用形成液相（8－10 ％），润湿石英颗粒，石英转变速度↑
1300－1350℃ 鳞石英和方石英↑ 1350－1430℃ 鳞石英↑，方石英↓
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典型硅砖烧成升温制度
20－600℃ 600－1100 ℃ 1100－1300 ℃ 1300－1350 ℃ 1350－1430 ℃
2.2 硅质耐火材料
2.2.3 矿化剂选择原则