Al2O3—SiO2(硅铝）系耐火材料

Al2O3—SiO2系耐火材料是由多种不同的化学成分及不同结构的矿物组成的非均质体。其化学组成、组织结构以及所形成的各种矿物的结晶形状、大小、数量及分布情况差别较大。这些差别会直接影响耐火砖的基本性能，因此掌握其本质须从以下三方面来认识：

1）材料的化学组成是何种成分；

2）它们的矿物组成（相组成）是以何种结合状态存在；

3）材料的微观组织结构是以何种集合状态构成。

1. 化学组成。

化学组成是构成耐火材料的基础，通常将耐火材料的化学组成按各个成分的含量多少和其作用分成为两部分，即占绝对多量的主成分和占少量的副成分。副成分是原料中伴随的夹杂成分和工艺制造中特加的添加成分（加入物）。

（1）主成分主成分是构成耐火主体的成分，也是决定制品特性的基础。如果知道化学组成中的主成分就容易知道其中的耐火主体。

除使用特殊原料制成的耐火材料主成分接近100％外，使用天然原料制戍的硅酸铝质耐火材料不可避免地要混入一定数量的夹杂物，因而耐火材料的质量规定中都规定了主成分的最低值。

材料的成分即使都在规定值以上，其杂质成分的种类。数量以及制品的组织结构等仍极大地影响着耐火砖的性能。例如硅砖生产中杂质铝含量超过1%时，虽然主成分含量（SiO2）在规定值以上，仍会使制品的性能变坏。因此规定耐火砖的主成分仅是保证制品质量的措施之一，单凭这一点是不够的。

（2）副成分

在硅酸铝质耐火材料制品中，除主成分外，通常还含有少量的杂质成分。近年来，随着工业生产的不断发展、对耐火材料的使用要求越来越高，因而对制品中的杂质成分的限制也越来越严。

材料中的杂质成分大部分在高温下起着熔剂作用，严重地降低了耐火砖的耐火性能，因而通常将其视为有害成分。所以在实际生产中应该避免超过规定的限度。至于对材料中杂质成分的熔剂作用的发生机理则有两种看法：

1）由于化学反应生成低熔性液相；

2）其产物虽不一定是低熔融性的，但在相同温度下生成的液相量较多。

A12O3-SiO2（硅铝）系统中杂质氧化物的影响研究表明，杂质成分中R2O的危害最大。即使其数量很低（<1％），也能使制品在1000℃左右生成共熔液相，明显地降低制品的耐火性和高温结构强度。在使用过程中含碱成分的熔渣或含碱的气体均对硅酸铝质制品有严重的熔蚀作用。

熔液相生成温度愈低，液相生成量就愈多，且随温度升高，增长速度也愈快，杂质成分的熔剂作用也愈强，因而对制品耐火性能的影响也愈大。

耐火砖（原料）中杂质成分的作用除上述的外，还具有降低制品（原料）的烧成温度，促进制品（原料）烧结的作用，不过应该注意的是同时也会使制品的某些性能降低。

在硅酸铝耐火砖的制造过程中，为了促进材质的高温变化和降低烧结温度，有时加入少量的添加成分（加入物）。按其目的和作用可分为：1）矿化剂；2）稳定剂；3）烧结剂等。这些成分也都包括在制品的化学组成中。

在分析化学组成时一般主要分析其中的灼减、A12O3、SiO2、Fe203、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等含量。特殊制品和原料则根据要求加以分析。耐火原料灼减表征着原料内加热分解的去气产物（如CO2）和有机物质的多少，从而可以据此判定在加热过程中原料的体积收弥决定在生产中是否需要预烧，以保证制品的体积稳定。

2．矿物组成

耐火砖是矿物组成体，其性质是组成矿物性质的综合反映。因此在考虑制品的组成对其性质的影响时，应考虑到制品的矿物组成，而不是单纯的化学组成。硅酸铝耐火材料的矿物组成取决于制品（原料）的化学组成和工艺条件。因而即使是化学组成完全相同的制品，由于所形成的矿物相的种类数量、结晶大小的不同以及分布情况的差异，其性质也可有很大的差别。

至于在使用过程中，耐火砖受到高温的作用和熔渣的侵蚀；会使其矿物组成发生变化等，都说明单纯从化学组成出发，来分析讨论制品的性质是不够全面的，应进一步研究其矿物组成的变化。

研究Al2O3-SiO2（硅铝）系耐火材料的矿物组成必须从以下三个方面来考察：1）原料的加热相变化；2）制造中配料间相互反应产生的相变化；3）耐火材料在使用中的相变化。其结果可以作为确定制品的生产工艺、鉴定制品质量以及判断是否适合于使用条件等方面的重要资料。

Al2O3-SiO2系（硅铝）耐火材料中的矿物相可分为结晶相、玻璃相两：类。而结晶相又有主晶相与次晶相之分。主晶相是指构成制品结构的主体且熔点较高的一种晶相。

Al2O3-SiO2系耐火材料中其主晶相主要有石英变体、莫来石、刚玉，‘其含量视其平衡体系的化学组分和相对含量而定。它们的性质、数量和其间的结合状态直接决定着制品的性质。

基质是指填充在主晶相间其他不同成分的结晶矿物（也称次晶相或第二晶相）和玻璃相（也称为结合相），也有将材料中粒状材料以外而由细粉和结合材料组成的部分视为基质的。在Al2O3-SiO2系耐火砖中，它们的含量并不多，但对制品的性质（高温特性、耐侵蚀性）起着决定性影响。制品在使用时也往往先从基质部分开始损坏。因而在耐火材料的生产工艺中，为了改善制品的性质，采用调整和改变制品的基质成分是有效的工艺措施。

3．粘土原料的矿物组成

粘土岩的矿物组成主要是高岭石，微晶高岭石、地开石及水云母等粘土矿物。此外尚含有其他矿物碎屑（如石英、黄铁矿、长石、方解石、金红石和石膏等）及有机物质。由于粘土矿物的颗粒非常细小（大部分＜0.02mm），在显微镜下很难区别。粘土岩按其主要矿物组成，可分为单矿岩和复矿岩两种类型。有工业价值的单矿硬质粘土岩几乎都是高岭石型的，外观上常呈浅灰至灰色，致密，贝壳状断口，工业价值较大的半软质粘土岩，主要也是高岭石型的，外观上常呈灰色、致密、参差状断口，常含植物化石；有工业价值的单矿软质粘土岩，同样是高岭石型的，水云母型的较少。

4．高铝原料及其矿物组成

我国生产高铝耐火砖的矿物原料主要是高铝矾土，近年来也有采用硅线石族（包括蓝晶石、红柱石、硅线石等）矿物和刚玉作为矿物原料的。高铝矾土主要由一水硬铝石Al2O3·H2O、—水软铝石；Al2O3·H20，三水铝石Al203·3H20及高岭石AI2O。·2H：O·2SiO2组成，有时也含有少量的蛋白石或其他的硅酸盐，碳酸盐矿物。

在各种类型的高铝矾土中，以高岭石—水硬铝石型采用较多。这种原料除以一水硬铝石和高岭石为主要矿物组成外，还经常混杂有——些其他矿物，如一水软铝石、三水软铝石及其他粘土矿物等。次要一些的还有铁的氧化物和氢氧化物、碳酸盐、金红石、黄铁矿及明矾石等。当然上述矿物不一定在所有的高铝矾土中都能见到，但在研究原料的过程中要加以注意。

各级高铝巩土在外观上常具有一定的特征，一般而言，特级和二级矾土比较致密，坚硬，比重较大，结构均匀l二级高铝矾土多具鲕状结构；三级高铝矾土质软而较轻，易碎，常呈疏松土状或多孔状。由于其中所含的粘土矿物较多，蚊在外观上与许多粘土岩很难区别。至于矿石的颜色，则取决于某些有色杂质组分和含量。如高铁矾土多呈棕红色或暗褐色。

5．硅质原料及其矿物组成

目前用于生产硅质耐火材料的矿物原料主要是SiO2含量＞96％的各种硅质岩石。矿石的主要矿物成分是石英。沉积变质类型的结晶硅石，由于具有质地纯净、结构致密、矿体规模较大以及分布广泛等特点而被广泛利用。主要以二氧化硅为胶结物的沉积类型的石英砂岩也是较好的硅质原料。属于岩浆类型的脉石英，晶体比较粗大，加热时转化困难。但质地纯净、坚实致密，具有较高的耐火度，因此也是值得注意的矿物原料。

结晶硅石主要由结晶质的石英组成。由于变质过程中的再结晶作用，形成了该种矿石所特有的齿状变晶结构和花岗变晶结构。具有齿状变晶结构的细粒结晶硅石表现出较好的工艺性能。这种硅石在烧成过程中易于转化，具有较小的膨胀性、不易松散，可以制成比较致密的制品。呈花岗变晶结构的结晶硅石，石英晶体近于等轴粒状或呈略为拉长的粒状，后者往往具有沿拉长方向定向排列的结构特征，晶界通常较为平直。在烧成过程中转化稍为困难，具有较高的热膨胀性，易于松散。所以烧戍的制品气孔率较高，强度较差，宜与其他原料配合使用。

矿石中可能存在的次要成分是锆英石、金红石、电气石、白云母以及绢云母、绿泥石、高岭石、叶蜡石、赤铁矿、渴铁矿等。．其中某些矿物引进的组分如Al2O3无疑是非常有害的，因此在进，行原料的显微结构分析时应力求察明杂质矿物的赋存状态。

胶结硅石属于机械沉积岩中的一种单矿物高硅岩石、从结构上看；可以将其划分为碎屑（即粗颗粒）及胶结基质两个部分。碎屑主要由石英组成，有时也伴有极少量的铝硅酸盐矿物，如长石、云母等。铅石、电气石、磷灰石及金红石等经常以石英包裹体的形式存在。胶结质部分多半也是硅质的。当胶结部由碳酸盐、铁的氧化物或铝硅酸盐旷物组成时，则作为耐火原料的使用价值就大为降低。因此只有以SiO2作为胶结基质时才具有较高的工业价值。

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