第三章硅酸铝系耐火材料学生用课件.ppt

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1、,本章重点： Al2O3-SiO2二元系统 杂质对Al2O3-SiO2二元系统的影响 Al2O3-SiO2系制品的生产工艺要点 Al2O3-SiO2系制品的性能特点 主要内容： 1.粘土质耐火材料； 2.高铝质耐火材料； 4.莫来石质耐火材料； 5.刚玉质耐火材料；,第三章 硅酸铝及刚玉系耐火材料,2,2.分类：半硅质Al2O3含量15-30% 粘土质 Al2O3含量30-46% 高铝质 Al2O3含量大于46% 刚玉质 Al2O3含量大于90%,3.1 概况：1.硅酸铝质耐火材料：以SiO2和Al2O3为基本化学组成的一类耐火材料。,3,Al2O3-SiO2系耐火材料组成与性能,随A/S由低

2、到高，制品呈酸性、弱酸性、中性（耐酸碱、化学稳定）。A/S大于莫来石组成的高铝砖、刚玉砖基本晶相组成：莫来石、刚玉。A/S小于莫来石组成的高铝砖、粘土砖和半硅砖相组成：石英、莫来石性能：半硅质耐火度低，整体性好（略膨胀）。 粘土、高铝砖，耐火度提高，热震好。 刚玉制品抗渣强，热震稍差。,3.2生产的工艺原理一、A-S二元系统：见相图（1942年鲍恩与格雷提出）1.晶相：三个（方石英：熔点1723；莫来石：熔点1850；刚玉：熔点2050）,A3S2是A含量：72-78%固溶体。是该二元系统唯一二元化合物。针、柱状晶体，链状硅酸盐结晶、高温强度高，抗热震性好（膨胀系数小），荷软高。刚玉（ -Al

3、2O3）： 中性（耐酸碱）、化学稳定性好（抗渣好)、膨胀系数较大（比碱性小）、热震较差。粒、板状。,5,SiO2A12O3系组成与耐火度间的关系,6,Al2O3-SiO2系制品的荷重软化变形温度,（1）Al2O3SiO2二元系统相图,所以Al2O3-SiO2系制品中，随着Al2O3含量的增加，其矿物组成逐渐变化，高温性能也呈规律性的变化。,由于莫来石的存在A-S系统分割二个子系统， 即S-莫来石和A-莫来石2.S-A3S2分系统TE=1595 、共晶点组成（A=5.5%,S=94.5%)靠近S一边、常温固相（方石英，莫来石）。 当A15%：液相线较陡、对温度和组成都敏感，不宜作耐材。当A15%

4、：当温度低于1700时，液相线较陡，随温度升高液相量增加慢，同时莫来石会向液相中溶解，补充液相中SiO2含量使得液相的粘度随温度升高降低不明显，这一特征决定了粘土制品的荷软开始温度不高而变形范围较宽的特性。3. A3S2-A分系统TE=1840（较高）、比莫来石的熔点只低10 ，共晶点靠A一侧、常温莫来石、刚玉共存。刚玉相抗渣好，但在A-S系统中抗热震差（但比碱性好）。,二、杂质对S-A系统影响（三元系统）杂质：Fe2O3、TiO2、CaO、MgO及R2O等种类、数量决定制品出现液相温度、液相数量和粘度，起助熔作用，对耐火度影响很大。,1.可以看出： R2O-A-S三元系统， R2O是最强熔剂

5、，TE急剧降低！ R2O最有害杂质，要严格控制。2.铁氧熔剂作用FeO Fe2O3，要采取氧化气氛生产和使用。,9,Al2O3SiO2K2O系统相图,SiO2-A3S2 （1595） SiO2-A3S2-KAS4（985 ） T=610 较大 Al2O3-A3S2（1840 ） Al2O3-A3S2-KAS4（1315 ） T=525 较小,10,1.Al2O3SiO2K2O系统,河南矾土原料中含 K2O高，一般为0.5%2.0%, K2O也是粘土砖和半硅砖的主要杂质。,11,不同气氛下Al2O3SiO2氧化铁系统相图,12,还原气氛 SiO2-A3S2 (1595) SiO2-A3S2-2F

6、eO2Al2O35SiO2 (1210) T=385,氧化气氛 SiO2-A3S2 (1595) SiO2-A3S2-Fe2O3Al2O3 (1380) T=215,13,比较,还原气氛 Al2O3 - A3S2 (1840) Al2O3 -A3S2-FeOAl2O3 (1380) T=460,氧化气氛 Al2O3- A3S2 (1840) Al2O3 -A3S2-Fe2O3Al2O3 (1460) T=380,14,Al2O3SiO2氧化铁系统,1 硅酸铝耐火材料不宜在还原气氛下烧成和使用抵抗氧化铁侵蚀的能力，Al2O3SiO2比大于2.55莫来石组成的高铝砖优于Al2O3SiO2比较莫来石

7、组成低的高铝砖、粘土砖和半硅砖。 此外，Fe2O3在TiO2存在的条件下，降低制品的高温力学性能。所以，在高铝制品中，Fe2O3的含量应控制在2-3以下，并且使Fe2O3进入结晶相形成固溶体：防止Fe2O3、TiO2同时进入玻璃相,3、TiO2-Al2O3-SiO2三元系1）此图无三元化合物，只有莫来石固溶体和钛酸铝，并且在莫来石中固溶有TiO2，如:B点：Al2O3=75%，TiO2=6%，C点： Al2O3=69.5%，TiO2=3.5%2）ABCD区域为莫来石固溶体区域，Al2O3-AT-B和SiO2-AT-C为三相区，TE分别为1727和1480。3）A-B-Al2O3, AT-B-C

8、, SiO2-D-C分别为莫来石固溶体与相应物质的二元混合物， TE分别为E3P1,P2P1和E2P2上的某一点。,4）A/S小于2.55的制品，TiO2含量一般小于3.5%，基本上与莫来石形成固溶体，不存在于液相中；A/S大于2.55的制品，随Al2O3含量的增加，莫来石固溶TiO2量相应减少，余下的TiO2会进入液相，这样对液相造成污染。降低制品的荷软和高温蠕变性。,4 、CaO-Al2O3-SiO2三元系,说明抗CaO侵蚀的能力，高铝制品优于粘土制品。,5、 MgO-Al2O3-SiO2三元系,S-A3S2分系统 生成堇青石（M2A2S5组群状硅酸盐），膨胀系数小、抗热震比A3S2好！用

9、于陶瓷匣钵。A3S2-A分系统 生成镁铝尖晶石（MA熔点2135)， 该三元系统TE=1578相对高、抗侵蚀。且MA膨胀系数小、抗热震比A3S2好！,小结：杂质氧化物对A-S二元系影响：R2O最强，其次FeO、Fe2O3、CaO、MgO，TiO2最弱。,一、定义、分类： 粘土质耐火材料：Al203 3048，采用粘土为主要原料的一类耐火材料。 根据原料和生产工艺的不同，粘土质耐火材料分为： 普通粘土砖； 全生料粘土砖； 多熟料粘土砖； 高硅粘土砖； 不定形耐火材料。生产简便、价格低、生产最多（占全国60%以上）、应用最广泛。广泛应用于炼铁高炉、熄焦炉、加热炉、铁水包内衬、炼铝炉、玻璃窑等。,1

10、9,3. 化学矿物组成： 主要化学成分：Al2O3、SiO2 主矿物（主晶相）：高岭石 ：Al2O32SiO22H2O （ 高岭石族、蒙脱石族、叶腊石族、水云母族） 次矿物（次晶相）：石英、铁化合物、有机物等，严格控制,Al2O3含量及Al2O3SiO2比值愈接近高岭石矿物的理论值 粘土纯度，质量。, Al2O3SiO2比值，粘土耐火度，粘土烧结熔融范围越宽。,20,4.耐火粘土的工艺特性 分散性 结合性 烧结性 可塑性 粘土的矿物组成和颗粒组成所控制。,（1）分散性,分散程度：颗粒组成或比表面积 粘土属于高分散性物质，一般不大于10微米。 粘土的工艺性质主要取决于小于2微米颗粒的数量。,粘土

11、的分散度等级与在水中的分散性,（2）可塑性 表示方法：塑性指数和塑性指标 塑性指数法：粘土显可塑状态时的水量上限和下限之差（含水量变化的范围）的间接指数值来衡量其强弱的方法。 塑性指标法：采用一定直径的泥球，当外力作用后发生形 并开始产生裂纹， 以应力(变形力)与应变(变形的程度)的乘积来 表示其可塑性程度的一种方法。,22,增加粘土可塑性的方法： 除去如石英等非可塑性的杂质矿物； 细磨以增加其分散度； 加入适量塑性物质结合剂（如亚硫酸纸浆废液等）； 真空处理； 困料。,（3）结合性 粘土分散程度，比表面积，结合性。 在实际生产中，通常都以粘土的可塑性来判断其结合性 能的强弱。,23,（4）粘

12、土的烧结性 高岭石的加热变化 Al2O32SiO22H2O Al2O32SiO2+2H2O （450550） Al2O32SiO2 Al2O3（无定形）+2SiO2 （无定形） Al2O3（无定形）- Al2O3（结晶型） （930960 ） 3- Al2O3 +6SiO2 （无定形）A3S2+4SiO2 （无定形） SiO2 （无定形）SiO2 （方石英） （12501300） （一次莫来石）1200 主要为莫来石长大，至1500 1600结束，方石英成玻璃相或其它变体 。,24,杂质的影响 熔剂作用 Fe2O3、TiO2 促进莫来石化； CaO、R2O 抑制莫来石化、分解。 杂质数量和种类

13、决定烧结机制 液相烧结（粘滞流动烧结）高硅玻璃相 硬质粘土 A， T（烧结温度） 软质粘土 A， T （烧结温度） 如R2O，T烧结温度将显著降低 煤质粘土或含有机物较多，孔隙多，烧结困难,25,定义：粘土Al2O33048% 分类： 普通粘土砖 全生料粘土砖 多熟料粘土砖 高硅粘土砖,三、粘土砖的生产工艺要点,生产的工艺流程：粘土熟料破粉碎筛分结合粘土破粉碎筛分 混合共磨配料混练成型干燥烧成成品拣选结合粘土的筛下料一部分与熟料混合共磨，一部分拿来直接配料。,26,1.原料选择、配料 为进一步减少结合粘土的用量，提高制品的高温性能，可将粘土熟料细粉与结合粘土进行共同粉磨后加入配料中。A.多熟料

14、制品（瘠化作用、分散、骨架、网络化、高温性能好）： 熟料：细粉=80：20；熟料80%，临界粒度3-4； 粗：中：细=（40-50）：中：（25-35）遵循最紧密堆积原理。 细粉0.088，结合粘土与熟料共磨。B.普通熟料制品： 熟料：细粉=70：30；结合粘土25%，临界粒度0.1-0.2； 干燥、烧成收缩大（收缩15-20%），不易控制尺寸，高温性能不好。 可见：多引入粘土熟料，A制品性能优于B。,28,2.混练方法： 结合粘土 泥浆（1-3%）+纸浆（1-2%） 1) 结合粘土熟料干混水混合 2) 熟料水或泥浆结合粘土混合 （常规） 3) 细颗粒熟料结合粘土共磨已润湿的粗粒料混合（最佳）

15、3.成型与干燥：通常机压半干泥料水分一般为46，50-80MPa压力，生坯体积密度210240gcm3。, 快速干燥制度 ：,1）干燥介质进口温度：标、普型砖150200，异型砖120160；2）废气排出口温度：7080；3）砖坯残余水分：2%；4）干燥时间：1624小时。,4.烧成：目的：具有一定外形尺寸、气孔率低、致密、强度提高、体积稳定好、耐火性好。温度：要高于结合粘土烧成温度。宽烧结温度范围：要高出100150；窄烧结温度范围：要高出50100普通：12501350多熟料：13801420注意：体积总收缩4-5%；烧成速度不能太快，适当保温。,30,四、粘土制品的性质1.热震性好（11

16、00：水冷10次；多熟料50-100次或更高）。主要原因： A3S2 热膨胀系数小、均匀、无多晶转变、颗粒间有很多裂纹缓冲应力。2.抗酸性熔渣侵蚀（SiO2）3.高温性能差（无A3S2骨架）数量(50%)、结晶细小。4.具有很宽的荷重软化变形温度范围，但荷软低1250-1400. 提高措施 多熟料配比（骨架）及混合细磨工艺（分散均匀）； 尽可能提高基质中Al2O3含量，使基质中Al2O3/SiO2比接近莫来石组成，即提高基质纯度； 引入外加物，增大液相粘度； 提高烧成温度（ A3S2 长大）。,31,二、高铝矾土原料 ：不能直接制砖坯！必须煅烧成熟料。 高铝矾土（又称铝土矿、矾土、铝矾土、矾石

17、） 1） 分布 山西（阳泉、孝义、太原），河北（唐山、古冶）， 河南（巩义、新密、 沁阳、登封）以及贵州等地。,第三部分 3.6高铝质耐火材料,一、定义、分类：高铝矾土熟料结合粘土，A12O3在4890%的铝硅系制品。,按A12O3含量分： I等，75；II等，6075；III等，4860%。按矿物组成分：低莫来石、莫来石、莫来石-刚玉、刚玉-莫来石、刚玉质 随A12O3含量增加、玻璃相减少、高温性能增加！,32,化学组成： Al2O3、SiO2；少量杂质Fe2O3 、TiO2 、 CaO、 MgO 、R2O.矿物组成： 水铝石： Al2O3H2O、高岭石： Al2O32SiO22H2O,2）

18、组成、构造,4） 高铝矾土的加热变化：三阶段, 分解阶段； 莫来石化阶段； 重结晶烧结阶段。过程中二次莫来石化过程伴随约10的体积膨胀。,-Al2O3H2O-Al2O3游离、颗粒假象+H2O （400-600） Al2O32SiO22H2OAl2O32SiO2（偏高岭石）+2H2O （600左右） 3（Al2O32SiO2）3Al2O32SiO2（一次莫来石）+4 SiO2 （980左右） （莫来石化） （无定形） 3-Al2O3+ 2SiO23Al2O32SiO2 （1200-1500） V+10% 二次莫来石化,过程中二次莫来石化过程伴随约10的体积膨胀松散作用，气孔率增大，颗粒相互推开、

19、阻碍烧结。莫来石、刚玉的重结晶烧结作用（1500）： 莫来石、刚玉晶体发育长大（重结晶），气孔缩小和消失，坯体逐渐致密化，强度、密度增加。 （高温长时间进行）同时杂质存在，高温产生液相促进烧结，并缓解二次莫来石化造成的膨胀松散作用 （杂质Fe2O3 、TiO2 辅助烧结作用）,35,不同等级铝矾土的烧结情况,可见：A/S 提高或 A/S 降低 ,二次莫来石化效应较弱 A/S=2.55 ,二次莫来石化效应 激烈。,36,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。,三、高铝质制品生产工艺要点,减轻二次莫来石化反应措施： 1.熟料的严格拣选分级（

20、避免混级使用）：保证熟料充分烧结，即二次莫来石化和烧结收缩在原料煅烧过程中进行完毕。控制坯体：体密和吸水率。 2.配方选择：A.骨料:烧结矾土熟料；细粉：矾土熟料、结合粘土（软质粘土，制成泥浆、均匀、结合性好）。B.铝含量高的制品：以细粉形式加入为宜。（细粉收缩较大，可以部分抵消二次莫来石化的膨胀作用）。尽量压缩结合粘土用量。,合理选择结合剂的种类和数量 结合粘土尽可能少加（510%） 用生矾土细粉代替结合粘土 用部分高铝矾土熟料和结合粘土粉按莫来石A/S=2.55比例配合，共同细磨。 C.颗粒组成：尽可能扩大细粉用量（0.088）45-55%。（高铝熟料难磨，产量低）。熟料临界粒度：2-3，

21、不宜太高。遵循最紧密堆积原理。让二次莫来石化在细粉里进行（比表面积大、加热收缩大与二次莫来石化膨胀，两者抵消）。3.烧成：平、侧码砖；弱氧化气氛；结合剂：亚硫酸纸浆废液。隧道窑：、等1500-1600；等1450-1500倒焰窑： 、等1430-1450保温40小时； 等1390-1420保温24-32小时。,38,熟料的邻级混配和氧化铝含量高的熟料以细粉形式加入 合适的颗粒组成 适当增加细粉数量（4550%） 适当增大粗颗粒的尺寸和数量 部分熟料和结合粘土共同细磨 共磨时熟料和粘土混合料中的A12O3SiO2重量 比应略大于2.55。 适当提高烧成温度（级矾土熟料）,39,四、高铝质制品性质

22、,1.高铝砖中A12O3含量和 荷重软化温度关系,、等矾土煅烧后的玻璃相组成,耐高温比粘土砖好：A增加，荷软明显提高。粘土砖耐火度：1580-1770粘土砖荷软：1250-1400高铝砖荷软：大于1400高铝砖耐火度：1770-2000,2.高铝制品的热震稳定性比粘土砖差,I、 等高铝砖比等高铝砖更差些,3.高铝制品的抗渣性随制品中A12O3含量增多和液相 量的减少而有所提高。 4.高铝砖化学中性：对酸、碱渣适用性强。, 提高原料纯度，改变基质的化学矿物组成，减少玻璃相数量，调整玻璃相成分，是提高制品的高温结构强度、热震稳定性及抗渣性的关键。,高炉用硅线石砖、红柱石砖、蓝晶石砖、热风炉用低蠕变高铝砖、高荷软高铝砖、高热震高铝砖以及水泥窑和电炉顶用优质磷酸盐结合高铝不烧砖等。 莫来石砖、莫来石刚玉砖和刚玉莫来石砖等。 应用：高炉、热风炉、温度稍高：炉身下部、炉腰。温度稍低用粘土砖；高铝砖较粘土砖寿命长，高档耐火材料。,作业及思考题,两次课黑板上的题,