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什么是三石?在不定形耐火材料的应用有哪些
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什么是三石?在不定形耐火材料的应用有哪些

发布时间:2020/9/2 11:48:17


什么是三石
三石系指蓝晶石、硅线石、红柱石三种高铝硅酸盐矿物,也称蓝晶石族矿物。它们是同质异形体。其化学成分相同,均为Al2O3·Si02,其中Al2O3 占63.1%,SiO2占36.9%。但因生成条件不同,晶体结构不同,主要表现在阳离子配位上有差异,故其理化性能既有共性,又有差异。在高温下分解为莫来石和熔融状游离Si02。在此过程中,硅线石开始分解的温度约为1500—1550℃,分解速度慢,分解后的体积膨胀值居中,莫来石结晶发生在整个晶粒中,晶体呈短柱状、针状,长约3μm;而红柱石分解温度居中,约1350—1400℃,分解速度居中,分解后体积膨胀小(约3—5%),莫来石结晶在颗粒表面开始,逐步深入内部,莫来石晶体呈针状、柱状,长约20μm。蓝晶石晶体分解为莫来石的温度低,约1300—1350℃,分解速度快,分解后的体积膨胀值也较大,莫来石结晶也是在颗粒表面开始的,逐步深入内部,晶体呈长针状,长约35μm。三石与高铝矾土原料相比,其有害杂质含量低,例如在矾土熟料中Ti02、Fe2O3、RO、R20杂质总量高达4.5—5.0%,而三石中的杂质总量高者约占2.3%(其中红柱石约有1%),是矾土中杂质含量的一半。特别是R2O很低,约0.1—0.4%。此外,三石在一定温度下,将分解成莫来石和熔融状游离SiO2,使制品具有耐水度高,抗化学腐蚀性好,热膨胀性低的特点。这三种矿物在加热时均产生体积膨胀,尤以蓝晶石的膨胀大,硅线石次之,红柱石小。因而在制耐火砖时,蓝晶石与硅线石需经过煅烧后方可使用,红柱石则可不经煅烧直接制耐火砖,因其不大的膨胀可抵消结合粘土的收缩。
不定形耐火材料应用三石精矿作为膨胀剂
不定形耐火材料的各品种,如浇注料、可塑料、捣打料及耐火泥浆,都不同程度使用到蓝晶石、红柱石及硅线石,尤其是蓝晶石使用更为广泛。 
主要机理是利用三石矿物在高温下分解,莫来石化反应伴随的体积膨胀,以补偿不定形耐火材料在高温下的收缩,使线膨胀趋于正值,减轻结构剥落,增强材料体积稳定性。
此外,三石矿物的分解,形成莫来石矿物对材料的荷重软化温度、强度等都有良好的作用。
不定形耐火材料的膨胀剂还有使用石英(SiO2)的。利用石英同质多象转变产生的膨胀来补偿不定形耐火材料高温下的收缩。其中主要应用α-石英(高温石英)转变成α-方石英的膨胀,因它体积变化大。
但是将石英与蓝晶石相比较,蓝晶石使用效果较好。一则是膨胀值相对较大,二则是由于蓝晶石分解,获得莫来石晶相,对材料高温性能有利。因此,目前在不定形耐火材料中常用蓝晶石作为膨胀剂,或与红柱石或硅线石复合作为外加物使用。
利用蓝晶石、红柱石和硅线石的分解莫来石化反应,对材料的性能产生好的影响,需要根据作业温度选择好品级、用量和粒度,否则会使材料内部恶化,造成材料的膨胀裂纹和密度及强度的降低。
以上的方法是利用三石矿物的分解,莫来石化伴随的膨胀反应和石英晶型转变产生的膨胀反应,补偿不定形耐火材料高温下的收缩,增强体积稳定性。但是,膨胀反应对材料的良好影响不止于此。上面几章讨论的如热风炉用低蠕变砖、改性高铝砖系列等,就是利用材料内部的膨胀反应来提高荷重软化温度和抗蠕变性、抗热震性等性能。所以大家要很好地利用三石来改善耐火材料的性能。
这里顺便指出,在耐火材料里大量存在着膨胀反应的问题。例如,以上讨论的热风炉用低蠕变砖的研发,其基质就有膨胀化效应问题。基质中:刚玉与石英的反应(△V= 
+10%);蓝晶石、红柱石、硅线石在高温下转变为莫来石时,有膨胀效应。分别为△V= 
+18%、+5.4%、+7.2%;又如:SiO2变体的膨胀效应;ZrO2晶形转变引起的膨胀化效应;高岭石加热变化过程,体积收缩效应 (△V= 
-20%)等等。关于膨胀反应对材料性能的影响,田守信的研究结果表 明:固-固相的膨胀反应,如M+A=MA,使耐火材料膨胀、气孔率增加和体积 
密度下降;固-气的膨胀反应,如SiC+3/202→SiO2+CO、Si+O2→SiO2,使耐火材料膨胀和增重,它对材料的体积密度和总气孔率几乎没有什么影响,但它使闭气孔率增加和显气孔率减少;对于CaO的固-气相水化反应,在水化的初期阶段,显气孔率下降约1%,随后,材料的体积和气孔率增加,很快试样产生裂纹,松散甚至粉化;对于材料内的液-气相沉积反应,同气-气相沉积反应一样, 
使气孔率降低和密度增加。
总之,除了重视材料中大量存在的膨胀化反应外,更重要的是设法利用、控制它来改善材料的性能。
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