铝硅系耐火原料(Al₂O₃-SiO₂ system refractory raw  matrials)

天然的或人工合成的Al₂O₃和SiO₂二元系耐高温矿物原料。该原料在自然界中分布较广，在耐火原料中占有主要地位。

简史 自青铜器时代人们就认识并开始利用耐火粘土类矿物于高温作业，用量逐渐扩大、品种不断增多。1924年英国人鲍文(N．L.Bewen)等发现3Al₂O₃.2SiO₂的新矿物，并命名为莫来石。经研究，首先发表了Al₂O₃-SiO₂系相平衡图。1951年苏联人局部修改了该图，1954年英国人提出对该图Al₂O₃含量在70％～77%之间的修改意见，以后又经过几次修改，直到1974年由英国人提出的更为成熟的修改图(见图)。通过上述的一系列的相平衡研究，明确了Al₂O₃-SiO₂系矿物在高温下矿物相存在的状态、范围及其性质。为有效利用天然原料中最广泛的Al₂O₃-SiO₂系耐火矿物原料提供了参考。它也是现在耐火原料中用量最大的系列。

分类 从人们对Al₂O₃-SiO₂ 耐火原料的多年使用中，逐步形成以其中Al₂O₃或SiO₂ 含量的多少来分类。SiO₂含量大于96％的为硅石，Al₂O₃+TiO₂ 含量在15％～30％的为半硅质粘土，30％～40％的为耐火粘土，Al₂O₃ 含量在48％以上的为铝土矿。其中有硅线石族矿物和人工合成原料。

硅石类 以石英为主要成分。以结晶硅石的纯度为最高，SiO₂含量在98％以上。由于原料中石英结晶完整，加热时晶型转化难，因此给制品的烧成带来了困难。胶结硅石的SiO₂含量在96％以上，由于杂质含量较高、结晶较小，加热时晶型较易转化。

半硅质粘土 Al₂O₃+TiO₂含量在15％～30％之间，主要有叶蜡石(Al₂O₃•4SiO₂•H₂O)及蒙脱石族(Al₂O₃•nSiO₂•H₂O)矿物。两种矿物的结晶结构相似(为层状结构)，并含有Fe₂O₃、CaO、MgO等杂质，对耐火性能有影响。叶蜡石的热膨胀率较低，故可用生料直接制砖。蒙脱石是膨润土及酸性白土的主要矿物成分，具有膨润性、阳离子交换性、粘性，多用作结合粘土。

耐火粘土 主要由高岭石、珍珠陶土、迪开石及富硅高岭石等矿物组成。珍珠陶土、迪开石与高岭石的化学组成完全相同(Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O)，不同的是在结晶结构的迭置上有差异。如高岭石族矿物为单斜晶系，加热到450～600℃之间脱水，1200℃左右形成莫来石，体积收缩小于20％。耐火粘土又有软质粘土(结合粘土)、半软质粘土及硬质粘土之分。软质粘土多由高岭石微晶构成，常呈松散块状或土状，有较高的可塑性，多作结合剂使用；含杂质矿物较多，Al₂O₃+TiO₂含量在26％～32％。Al₂O₃和SiO₂的含量波动范围较小。多含有Fe₂O₃、K₂O、Na₂O及CaO等杂质。一般使用控制总杂质含量在5％以下(见耐火粘土)。

铝土矿(或铝矾土)由一水硬铝石(或称硬水铝矿)、一水软铝石(或称勃姆石、波兰石)及三水铝石(又名水铝氧石、氢氧铝石)等矿物构成，铝土矿的Al₂O₃含量波动于48％～75％之间，也有的高于75％(见铝土矿)。其杂质含量较高的须经选矿处理；有的虽有害杂质含量在允许范围内，但分布不均，需经均匀化处理后才能使用。Al₂O₃含量在70％左右的铝土矿，煅烧时由于二次莫来石化作用难烧结。

硅线石族矿物 包括硅线石、红柱石和蓝晶石三种矿物，天然矿物的化学分子式同为Al₂SiO₅，三者为类质同象，其物理性质见表。但在加热过程中，硅线石与红柱石的线膨胀率较小，宜于直接制砖，而蓝晶石，由于加热时的线膨胀率高达16％～18％，因此除用于不烧制品作膨胀剂外，须经煅烧后才能用于制砖。世界上还未发现较纯的硅线石族矿石，故全部需经过选矿处理后才能用作耐火原料。

人工合成Al₂O₃.SiO₂系耐火原料有熔融石英、烧结合成莫来石、烧结或电熔刚玉及工业氧化铝等。

(1)熔融石英。是SiO₂含量在98％以上的硅质原料，经1750℃ 以上高温熔融而成，它具有很低的线膨胀率及较高的抗热震性能。

(2)合成莫来石。是Al₂O₃-SiO₂ 系中在常温下唯一存在的二元系矿物，它有良好的力学、化学及高温性能，线膨胀率小、高温强度及抗热震性好等优点，因而促进了合成莫来石的发展。用较纯净的铝土矿或工业氧化铝配入适量的耐火粘土可制成莫来石。当所用原料纯净时则只有α与β莫来石，前者只有莫来石，后者则为莫来石与刚玉。在原料含有TiO₂及Fe₂O₃时则有)，一莫来石相出现。在有碱金属氧化物存在时，到1200℃以上就开始分解成刚玉和玻璃相，降低了高温性能。莫来石的熔点为1870℃(或在1810℃开始分解)。

(3)烧结或电熔刚玉。α一刚玉相从常温到熔点期间是稳定的，受热膨胀均匀，但线膨胀率较大，弹性模量较高，故抗热震性较差；化学稳定性好，对酸或碱均有良好抵抗性。其制法是用铝土矿加无烟煤及氧化铁，或用工业氧化铝经电弧炉熔融而成，前者为棕刚玉，后者为白刚玉。