耐火材料的化学矿物组成
发布日期:
2020-06-24

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耐火材料的性质取决于其中的物相组成、分布及各相的特性,即取决于制品的化学矿物组成。对于既定的原料,即化学组成一定时,可以采取适当的工艺方法,获得具有某种特性的物相组织(如晶型、晶粒大小、分布以,形成固溶体和玻璃相等)和某种组织结构(如致密程度、物料的颗粒大小和分布等),在一定限度内提高制品的工作性质。

一、化学组成

化学组成即耐火材料的化学成分,它是耐火制品的最基本特征之一。耐火材料是非均质体,有主、副成分之分。通常将其基本成分称为主成分,而将其他部分称为副成分。副成分又按有意添加以提高制品某方面性能的成分,或是无意或不得已带入的无益或有害成分,分别称为添加成分及杂质成分。

主成分通常是高熔点耐火氧化物或复合矿物或非氧化物的一种或几种。它是耐火制品的主体,直接决定了耐火制品性能的基础条件。耐火材料按其主成分的化学性质可分为三类(见表1-1)

 

1-1 按耐火材料的化学性质分类

类别

高温耐侵蚀性能

主成分

所属耐火材料

酸性耐火材料

对酸性物质侵蚀抵抗性强

SiO2ZrO2等四价氧化物(RO2)

硅石质、粘土质耐火材料

中性耐火材料

对酸性、碱性物质有相近的抗侵蚀性

Al2O3Cr2O3三价氧化物(R2O3)SiCC等原子键结晶矿物

高侣质、铬质、碳质等耐火材料

碱性耐火材料

对碱性物质侵蚀抵抗性强

MgOCaO等二价氧化物(RO)

镁质、白云石质等耐火材料

 

添加成分往往是为弥补主成分在使用性能或生产性能以及作业性能某方面的不足而使用的,常被称为结合剂、矿化剂、稳定剂、烧结剂、减水剂、抗水化剂、抗氧化剂、促凝剂、膨胀剂等,添加成分种类繁多,是当前耐火材料行业研究的重点对象。它们的共同特点是:加入量很少:能明显地改变耐火制品的某种功能或特性;对该制品的主性能无严重影响。

杂质成分则是指由于原料纯度有限而被带人或生产过程中混入的对耐火制品性能具有不良影响的部分。一般说来,K2ONa2OFeOFe2O3都是耐火材料中的有害杂质成分。此外,碱性耐火材料(RO为主成分的)中的酸性氧化物(RO2)及酸性耐火材料中的碱性氧化物都被视为有害杂质,它们在高温下具有强烈的熔剂作用。这种作用使得共熔液相生成温度降低,生成的液相量增加,而且随着温度升高液相量增长的速度加快,从而严重影响了耐火制品的高温性能

通过化学成分分析的数据,按所含成分的种类和数量,可以判断制品或原料的纯度以及制品的化学特性。表1-2列出了几种常见的耐火氧化物的熔点,由这些氧化物又能复合成很多耐火矿物,图1-1及表1-3示出了常见的耐火材料氧化物及主要矿物。耐火材料常用非氧化物如图1-2所示。几种氧化物的熔点见表1-4

 

1-2 常用氧化物熔点

氧化物

熔点/

氧化物

熔点/

SiO2

1725

Al2O3

2050

MgO

2800

CaO

2570

Cr2O3

2435

ZrO2

2690

 

耐火材料的化学矿物组成 

1-3 主要耐火复合矿物的熔点

矿物名称

化学组成

熔点/

莫来石

3Al2O3·2SiO2

1810

镁铝尖晶石

MgO·Al2O3

2135

镁铬尖晶石

MgO·Cr2O3

2180

锆英石

ZrO2·SiO2

2500

正硅酸钙

2CaO·SiO2

2130

镁橄榄石

2MgO·SiO2

1890

白云石

MgO-CaO

(低共熔点)2300

 

1-3 耐火材料常用非氧化物的熔点

名称

化学组成

熔点/

氮化硼

BN

3000

碳化硼

B4C

2350

碳化硅

SiC

2700

氮化硅

Si3N4

2170

石墨

C

3700

 

二、矿物组成

耐火制品是矿物组成体。制品的性质是其组成矿物和微观结构的综合反映。因此,在分析制品的组成对其性质的影响时,单纯从化学组成出发分析考察问题是不够全面的。应进一步观察其化学矿物组成。耐火材料在其化学成分固定的条件下,由于成分分布的均匀性和加工工艺的不同,使制品组成中的矿物种类、数量、晶粒大小、结合状态的不同,这种微观结构的不同,造成制品的性能差异。例如,SiO2含量相同的硅质制品,因SiO2在不同工艺条件下可形成结构和性质不同的两种矿物——鳞石英和方石英,使制品的某些性质会有差别。即使制品的矿物组成一定,但随矿相的晶粒大小、形状和分布情况的不同,亦会对制品性质有着显著的影响。

耐火材料的矿物组成一般分为主晶相和基质相两大类。

主晶相是指构成制品结构的主体且熔点较高的晶相。制品中的主晶相依其平衡体系的组分和其相对含量而异,主晶相的性质、数量和其间的结合状态直接决定着制品的性质。常见耐火制品的主晶相见表1-5.

1-5常见耐火制品的主要成分及其主品相

耐火材料的化学矿物组成 

基质是耐火材料制品的主品相之间填充的结晶矿物或玻璃相,其数量不大,但成分结构复杂,作用明显,往往对制品的某些性质有着决定性的影响,而制品在使用时也常常首先从基质部分开始损坏。

绝大多数耐火制品(除少数特殊耐火制品外),按其主晶相和基质相的成分可以分为两类:

(1)含有晶相和玻璃相的多成分耐火制

品,它的基质为玻璃相,如粘土砖、硅砖等;

(2)仅含晶相的多成分制品,基质多为细

微的结晶体。镁砖、铬镁砖等碱性耐火材料。

耐火制品的显微组织结构有两种类型,如

1-3所示。一种是由硅酸盐(硅酸盐晶体矿

物或玻璃体)结合物胶结晶体的结构类型(图

1-3a),另一种是由晶体颗粒直接交错结合成结晶(图1-3b)

耐火材料的化学矿物组成 

1-3耐火制品的显微组织结构

 

 

鉴定并研究耐火材料的原料、制品以及使用后砖块的矿物组成和显微结构,有非常重要的意义,特别是对于硅砖中鳞石英和方石英的转变,高铝砖中莫来石晶粒的发育,镁砖中方镁石晶粒大小、形状、分布特征等。对使用过程中受熔渣侵蚀的砖块进行显微鉴定更能提供改进质量的方向。

 

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