重庆晋渝耐火材料有限公司

CHONGQING JINYU REFRACTORY MATERIALS CO.,LTD
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耐火材料最常用的六大类原材料都有哪些?

耐火原料是指生产耐火材料产品所必需的材料。它是生产耐火材料的基础。耐火原料大部分是天然矿物(如耐火黏土、高铝矾土、硅石、铬矿、菱镁矿、白云石、镁橄榄石、锆英石、蓝晶石、硅线石、红柱石等),随着对耐火材料综合性能要求的不断提高,耐火材料生产中也越来越多地使用工业原料和人工合成原料(如工业氧化铝、合成莫来石、人造耐火纤维、人造耐火空心球等)。耐火制品的质量优劣和成本高低,在很大程度上取决于对原料的正确选择和合理使用。

耐火原料按化学性质可分为酸性耐火原料、碱性耐火原料和中性耐火原料;按来源可分为天然矿物原料和人工合成原料;一般情况下,人们把生产耐火材料的原料分为主要原料、辅助原料等。

用以生产耐火制品的原料,不论是天然矿物原料还是人工合成原料,从矿物学观点看,必须具有生产产品所达到的足够高的耐火度;从工艺学观点上看,要能满足工艺的基本要求;从用其制得的产品性能上看,应能满足制品的使用性能,特别是高温使用性能的要求。

通常将耐火原料分为铝硅系耐火原料(硅质、黏土质、高铝质等)、碱性耐火原料、隔热耐火原料和其他耐火原料。

一、硅质原料

由于石英变体的体积效应,硅砖也是用硅石直接制砖的,硅石是脉石英、石英岩、燧石和砂岩等的统称。硅石中的主要成分是SiO2,其他均属杂质成分。耐火材料用的硅质原料有结晶碎石和胶结硅石两大类。

耐火材料最常用的六大类原材料都有哪些?


表1 耐火材料用硅石的分类和特性


二、黏土质原料

耐火黏土是生产硅酸铝质耐火材料的主要原料,其耐火度要求高于1580℃的各种硬质黏土、软质(半软质)黏土和黏土页岩,人们统称为耐火黏土。

天然的耐火黏土,通常是以黏土矿物主要是高岭石(Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O)为其主要成分,即以含水硅酸盐为主体,并夹杂有游离的石英、黄铁石、金红石及有机物等构成的混合物。此种非单一矿物,大部分是由直径小于1.2μm的颗粒构成的分散体。

依据黏土的生成情况不同,可分为:原生黏土和次生黏土。原生黏土是指母岩(如长石)经风化后形成黏土,仍残留在原地。次生黏土又称漂积黏土,它是由原生黏土在自然动力条件下转移到其他地方再沉积下来的黏土,其粒度细小,分散度大,可塑性高。

耐火材料工业上应用的耐火黏土,主要有以下两大类。

① 硬质黏土其特点是组织致密、硬度大,颗粒极细,遇水不易分散,可塑性很低。此类黏土外观常呈浅灰色、灰白色或灰色。贝壳状断口,有的表面有滑腻感,易风化破碎成碎块。

② 软质(半软质)黏土常呈土块状,组织松软,可塑性较好。这种黏土的颜色,由于杂质的种类和含量不同,差异很大。从灰色、深灰色,直到黑色;也有的呈紫色、淡红色或白色。

三、高铝质原料

(1) 铝土矿

铝土矿是生产棕刚玉的主要原料,Al2O3含量88%〜90%的高铝熟料是亚白刚玉的主要原料;生产白刚玉、致密刚玉等用氧化铝做原料。铝土矿亦称高铝矾土或铝矾土,主要矿物是水铝石(Al2O3 • H2O)和三水铝石(Al2O3•3H2O)。

耐火材料最常用的六大类原材料都有哪些?


我国高铝矾土的储量极为丰富:产地从黄河以北的山西、河北和山东,穿过中部的河南和广西,直至西南的贵州和云南。目前出产高铝矾土熟料的主要产地在山西、河南和贵州。在湖南也有一些规模较小的矿在开发中。我国高铝矾土主要矿物为水铝石、勃姆石、高岭石和叶蜡石,可按其矿物组成,分为三种类型:水铝石-高岭石型 (DK);勃姆石-高岭石型(BK);水铝石-叶蜡石型(DP)。而目前DK型高铝矾土应用最为广泛,DK型高铝矾土熟料按其Al2O3含量分为S、Ⅰ、ⅡA、ⅡB、Ⅲ等。

(2)烧结刚玉和电熔刚玉

人工生产刚玉是采用工业氧化铝或高铝矾土为主要原料,在电弧炉中熔融制得。除此之外,还可用烧结法制得刚玉板状氧化铝。此法仍是以工业氧化铝粉为主要原料,经煅烧、细磨、成球和烧成制得。此种方法生产技术难度大,但产品的强度高, 抗侵蚀能力强,热震稳定性好。所谓“亚白刚玉”实际上是高铝矾土基的致密电熔刚玉,Al2O3含量大于98%,显气孔率小于4%;是在还原气氛和控制条件下电熔由高铝矾土制成的。刚玉结晶为粒状,一般为1〜15mm;主要杂质为金红石、钛酸铝及其固溶体。

(3)莫来石

莫来石是以3Al2O3•2SiO2结晶相为主要成分的耐火原料。莫来石分为天然莫来石和人工合成莫来石两类。天然莫来石很少,一般采用人工合成。莫来石化学性质稳定,不溶于氢氟酸。具有良好的高温力学、高温热学性能,因此,合成莫来石及其制品具有密度和纯度较高、高温结构强度高、高温蠕变率低、热膨胀率小、抗化学侵蚀性强、抗热震等优点。

(4) 硅线石族矿物

硅线石族矿物有蓝晶石、红柱石、硅线石,俗称“三石”。三石的化学组成相同,但晶体结构不同,属同质异晶体。加热到高温,均转化为莫来石,生成少量熔融态SiO2,同时伴随体积膨胀。

耐火材料最常用的六大类原材料都有哪些?


由于三石加热膨胀的大小不同,其直接利用程度也不一样。由于红柱石体积变化小,无论是用它制砖,还是作为添加物,都是直接用生料。而硅线石、蓝晶石往往是以膨胀剂形式加入配料中,特别是更多的用于不定形耐火材料。而用来制砖就要煅烧熟料了,尤其是蓝晶石必须煅烧成熟料。

四、碱性耐火原料

4.1镁质原料

(1)菱镁矿

我国菱镁矿主要有两种类型:晶质菱镁矿和非晶质菱镁矿。我国菱镁矿主要分布在辽宁和山东两省,菱镁矿主要杂质是滑石,也有一些菱镁矿含有较高的CaO,其次矿物为白云石,我国菱镁矿根据化学成分可分级为S、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ五个级别,只有S级和 I级用于煅烧制砖镁砂。

耐火材料最常用的六大类原材料都有哪些?


用两步浮选法和二步煅烧法制备高纯镁砂,以此方法制备的高纯镁砂为原料,可以开发多种高性能的耐火材料制品。

(2) 其他含镁矿物

在镁质耐火材料中的镁橄榄石制品,其主要矿物组成是镁橄榄石(2MgO·SiO2)和方镁石(MgO)。这种制品的特点是抗熔融氧化铁的能力较强,热震稳定性优于普通镁砖。生产此种制品的主要原料是橄榄岩和蛇纹岩。

4.2白云石质原料

白云石是以碳酸镁(MgCO3)和碳酸钙(CaCO3)的复盐为主要成分的耐火原料,其化学式为CaMg(CO3)2或MgCO3 • CaCO3,其理论组成为CaO3 0.41%、 MgO2 1.87%、CO2 47. 72%。CaO/MgO = 1.39、硬度为3.5〜4。

我国白云石原料丰富,分布广泛,且比较纯净。辽宁大石桥一带储量十分丰富。山东、湖北、陕西、广西、甘肃、江西、安徽、四川、云南、湖南等省均有丰富的矿源。此矿体常与石灰石和菱镁矿共生。

五、锆质制品用原料

(1)锆英石

锆英石(ZrO2·SiO2或ZrSiO4)是生产锆质制品和锆英石制品的主要原料,我国锆英石产地是海南省。广东省、广西壮族自治区、山东省、福建省和台湾省等地均有分布。

锆英石的理论组成为ZrO2 67. 01%、SiO2 32. 99%。它经常含有TiCfe和其他微量稀土 氧化物,由于这些元素的存在,使其具有不同程度的放射性。因此在使用此原料生产制品时,应当有必要的防护措施。

锆英石的热导率较低,20〜1000℃间为3.72W/(m.K)。锆英石的膨胀系数与其他晶相比较也较低,在1000℃时为4.6X10-6℃,其单晶在垂直和平行主轴(C轴)的两个方向上的膨胀系数有较大差异。锆英石的化学惰性高,难与酸发生反应。与玻璃熔体在较小的程度上发生反应,它常用于冶金和玻璃工业用耐火材料。

(2)斜锆石

天然的斜锆石(ZrO2)常呈不规则块状,黑色、褐色、黄色或无色。我国天然的斜锆石矿体很少。工业上使用的ZrO2,属化工原料,是由锆英石(ZrO2·SiO2) 采用化学方法制得的白色或微黄色粉末。

纯的ZrO2在常压下共有三种晶型:从低温到高温依次为单斜相、四方相和立方相。

稳定的ZrO2,依其稳定程度的不同,又有部分稳定的ZrO2和全稳定的ZrO2之分,由于全稳定的ZrO2的热膨胀系数较大,其热震稳定性不及部分稳定的好,故后者常用来做陶瓷和耐火材料的增韧材料。

(3) 脱硅锆

国外在熔铸锆刚玉(AZS)耐火材料的制造中,除了采用锆英石精矿外,大多加 入一定数量的“脱硅锆”原料,其目的:一是调整与稳定配方;二是改善与优化产品 性能。

(4) 锆刚玉莫来石

原始原料为工业氧化铝、高岭土和锆英石,它们细磨混合均匀,半干法压球并在 300〜1700℃下煅烧,即可制得这种材料。研究表明,增加锆英石含量会导致提高烧 结温度,减少总收缩量,增多封闭气孔,这些反应使烧结锆刚玉莫来石具有较高的密度和强度以及较好的抗热震稳定性。

六、铬质制品用原料

生产铬质(铬砖、铬镁砖、镁铬砖)耐火材料的主要原料之一是铬矿或铬铁矿。铬铁矿是多种矿物的混合物,因其矿物成分波动较大,在化学成分和物理性质方面变 化也大。它通常由铬质晶粒的脉石矿物构成。这些脉石矿物通常是镁质硅酸盐,如蛇纹石、镁橄榄石和橄榄石等。在铬铁矿中除Cr2O3外,还存在Al2O3、Fe2O3和 MgO等,一般的铬铁矿,由于镁和铁的存在,常以(Mg, Fe) Cr2O3表示。

以上为常用耐火原料,随着耐火材料技术的推陈出新,其原材料的种类也更为繁多,尤其是近年来,因为环保问题及原矿资源等一系列原因,不断研制出性能更好的人工合成材料以及更为环保的资源再生原材料(如氮化硅铁、塞隆等)。


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