第五章矿物原料的应用

第五章矿物原料的应用

随着科技进步和国民经济的发展，矿物原料的应用领域不断拓展，应用功效

日益提周。

当前矿物应用的主要领域包括耐火、保温、绝缘、陶瓷、建筑、化工、填料、

农用、药用、环保、研磨、宝石和功能矿物等。

保温材料具有导热率低、容重小，兼具隔音功能，是节能工程的基本材料之

O

天然保温矿物原料包括蛭石、石棉（主要是纤蛇纹石石棉）、纤维水镁石、

石膏和硬石膏等。

珍珠岩、黑耀岩、硅藻土、浮岩、膨胀页岩等，因其天然多孔或经热处理而

使表观密度较小，热导率降低，可作为天然保温材料P

膨胀页岩与粘土及煤砰石可制作保温陶粒。

玄武岩、辉绿岩、蛇纹岩可用以生产岩棉。

微孔硅酸钙保温材料是由硅质（石英、硅藻土、膨润土、沸石、火山灰等）

和钙质（主要为石灰）矿物原料组成。

空心微珠（漂珠）是热电厂烧煤后粉煤灰的副产物。

陶瓷是指以粘土、长石和石英为主要原料，经粉碎、混炼、成型、烧成而制

成的陶器、帽器和瓷器的总称。

随着科学技术进步，发展了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、电子陶瓷等特种陶瓷

或精细陶瓷。

可塑性原料主要为粘土，不同陶瓷对其可塑性、结合性、吸附性、烧结性及

烧后颜色均有不同要求。

石英是常用的减粘原料，其作用在于合理降低粘土或坯泥的可塑性和粘结

性，从而减少坯体的干燥收缩和烧后收缩。

长石是陶瓷坯料、釉料、色料的基本熔剂原料之一。

水泥是一种胶凝材料，它在一定的物理、化学条件下能从浆体变成坚固的石

状体，并能胶结其他物料。

水泥熟料中的主要矿相有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙等。

水泥生产中有害的杂质为MgO、K2O、NazO、SO3等。

生产水泥的主要原料以石灰岩为主，也可以用大理岩、泥灰岩等，主要矿相

为方解石；常用的粘土质原料有粘土、铝土矿、页岩、泥岩等；辅助性原料包括

矿化剂萤石、缓凝剂石膏等。

玻璃是有石英、纯碱、长石及石灰岩等原料在高温下熔融而形成的玻璃熔体

经拉制或压制等方式而形成的产品。

玻璃按化学组成特点可分为钠钙玻璃、铝镁玻璃、钾玻璃、硼硅玻璃、铅玻

璃、石英玻璃等。

生产玻璃的主要原料有：（一）作为玻璃主要组成的硅质原料，如石英砂、

石英岩、脉石英等；（二）配料矿物原料，如碳酸盐岩（白云岩、石灰岩、菱镁

矿）主要提供CaO、MgO,长石（通常用碱性长石）提供AkO3和部分碱质，芒

硝提供Na?O；（三）助熔性原料，主要是萤石。

化工原料是指在化工生产过程中能全部或部分转化为产品的物质。

化工矿物原料通常是化工起始原料，参与整个化学反应过程，提高化工产品

所需的化学组分。

工业用硫酸（硫、黄铁矿）、盐酸（石盐）、硝酸（钠硝石）、硼酸（硼砂、

硼镁石）、磷酸（磷灰石）、氯氟酸（萤石）、烧碱（石盐、芒硝），均可用天然矿

物制取。

各种镁化合物可用含镁矿物（如白云石、菱镁矿、水镁石、蛇纹石、橄榄石

等）制取，红柱石、蓝晶石、矽线石、霞石、白榴石及三水铝石、一水铝石族矿

物是生产铝化合物的矿物原模。

生产锌较白需用毒重石，钛白粉需用金红石，生产铸盐或活性二氧化镐用菱

锌矿。

另外，化工助剂矿物原料也很重要。如水镁石。

农用矿物是指农业生产过程中所利用的矿物。包括：

肥料矿物：钠硝石、钾硝石是氮肥原料；白云石、方解石、蛇纹石、菱镁矿、

磷灰石、石膏等是生产钙镁磷肥的矿物原料，钾肥生产可用光卤石、钾盐、霞石、

白榴石、钾长石、微斜长石等。

饲料矿物：碳酸钙类、磷灰石、食盐、含镁矿物等用于补充Ca、P、Mg等

元素。

农药矿物：雄黄、雌黄。硫磺、毒重石、重晶石、胆矶等原料用于制农药。

土壤改良矿物：蛭石等多孔矿物用于改善土壤结构，施加膨润土可提高输送

水、保水及保肥能力，用生石灰或石膏来改变土壤的酸碱度C

填料乂称填充剂，即添加进制品（如塑料、橡胶、涂料、纸张等）中作充填

用的材料。它对制品可以起改善性能，降低成本，改进工艺特性等多方面的作用。

塑料填料包括滑石、石英、高岭土、膨润土、碳酸钙等，起到降低成本、补

强、调整塑料的流变性、改善塑料化学性质，并改进热、电性能。

橡胶填料：活性碳酸钙、氧化硅等用于补强，白色填料可增大容积，降低成

本，碱性矿物可改善硫化性能。

纸由纸浆、填料和添加剂组成。纸浆多由植物纤维素原料提供，形成网状形

态，其间的空隙有矿物粉料填充。常见的纸张填料有高岭石、金红石（钛白粉）、

方解石、滑石、沸石和水镁石等。这些填料可以提高纸张的白度和平滑度，并改

善着墨性能。

功能矿物原料:矿物原料按所需利用或进一步优化的技术物理及界面特性要

求，并与其他原料相结合，采用不同工艺可以制得的具有不同功能的材料。

按功能可分为力学功能材料、热学功能材料、电、磁功能材料、光功能材

料、吸附功能材料、装饰功能材料等。

耐火材料矿物原料

耐火材料是指耐火度不低于1580C的无机非金属材料，其功能是抵抗高温

及由高温产生或衍生的磨蚀、冲击、化学侵蚀等破坏力，主要用于冶金、建筑材

料、化工等领域。

耐火材料大多以耐火粘土、硅石、三石、菱镁矿、白云石等为原料制成。目

前，更多以天然矿物为原料的人工合成原料得到大量应用。

下面将按耐火材料的基本化学组成分类，分别介绍不同类别耐火材料所需的

天然矿物原料和人工合成原料。它们主要包括：硅质矿物原料；刚玉质矿物原料;

硅酸铝质矿物原料；镁质矿物原料；白云石质矿物原料；其他耐火矿物原料。

硅质矿物原料

一、硅质耐火材料

1、定义：

指氧化硅含量为93—98%的耐火制品。

2、种类：

硅砖、硅质泥浆、硅质捣打料、石英长水口、硅质引流砂。

3、用途：

硅砖主要用于焦炉、玻璃熔窑、平炉蓄热室、陶瓷用隧道窑的拱顶等。

4、主要性能：

1）属于酸性耐火材料，龙酸性炉渣侵蚀抵抗能力强；

2）其荷重软化点高（1640—1680%：）。鳞石英（1670。©、方石英

3）炉衬有良好的气密性。在使用过程中，加热到1450%：1寸约有1.5%—2.2%

的总体积膨胀，此种残余膨胀会使砖缝密合。

4）热震稳定性差，使其应用范围受到了限制。熔融石英例外。

5、硅质原料种类：

硅石、硅砂（石英砂）、粉状石英、石英玻璃。

SiO2的种类及晶型转变：

石英判£>2-鳞石英产第.方石英>石英熔体

T573℃T163℃T180-270℃J急冷

P-石英供鳞石英。-方石英石英玻璃

T117℃

r鳞石英

*方石英和鳞石英在自然界中极少见，一般产于酸性的火山岩中；

*自然界中石英SiO2大量晶型为低温石英及其变种，如硅石中的石英、硅砂

中的石英、水晶如紫水晶（含Fe或Mn）、烟水晶、黄水晶、蔷薇水晶、翡翠石

英（含Ti）等；

*还有隐晶质石英如碧玉、燧石、玉髓或玛瑙，非晶质-蛋白石。

A、石英（低温石英）：SiO2

晶体结构：三方晶系，对称型32；结构中［SiCM四面体以角顶相连，He

轴呈螺旋状排列，有左、右旋之分。

鉴定特征：常呈柱状晶体，六方柱面上具横纹，为｛100｝和｛1（）1｝之聚形纹。

集合体呈粒状、致密块状或晶簇状。

通常为无色、乳白色、灰白色，因含杂质色心或细分散包裹体而呈各种颜色;

玻璃光泽，贝壳状断口油脂光泽；透明一半透明。无解理；H7oG2.65o具压电

性。

异种：

1）显晶质异种：

水晶簇：纯净者无色透明。

紫水晶：微量Fe3+fSi4+产生色心而致紫色。加热退色。

烟水晶：AF++H+或Na+-Si4+,在x射线或y射线作用下，Al-O键电子对

中的一个电子离位产生空穴色心而成烟黄〜暗褐色、黑色。加热至225℃开始缓

慢褪色，至400℃±烟色渐消失。（注：色透明者称墨晶；茶褐色者称茶晶。）

黄水晶：黄色透明者，可能为Fe2+所致。

蓝石英：蓝色。含Ti较高，次有AI、Mn«加热至300〜400C,褪色或变

为紫色。

蔷薇石英（芙蓉石）：蔷薇红色或粉红色，可能由Ti、Mn造成。通常呈致

密块状。加热至575℃褪色；日光下长期暴晒颜色变浅。

2）隐晶质异种：

玉髓（石髓）：呈钟乳状、肾状、葡萄状、皮壳状等外貌，具蜡状光泽半透

明的纤维状异种，常呈乳白、黄、褐、深蓝等色，尚有红褐色（光玉髓）、苹果绿

（绿玉髓）、绿色中夹有红色碧玉小斑点（血玉髓，血滴石，鸡血石）。

玛瑙：不同颜色的玉髓条带或同心环状相间分布。有缠丝玛瑙、苔纹玛瑙、

编玛瑙、截子玛瑙等。

碧玉：含氧化铁（可＞20%）的致密块状石英。可呈暗红、紫红、褐色〜黄色、

蓝色、青绿色等。

燧石：暗色（浅灰〜褐黑等色）无光泽，呈结核状、瘤状、透镜状、条带状、

似层状的坚韧极致密的隐晶质石英。

用途：

纯净的一般石英大量用作玻璃、陶瓷、混凝土、冶炼硅钢的原料，也可用于

提取单晶硅。无裂隙、双晶和包裹体等缺陷的无色透明晶体作压电材料用于无线

电工业中振荡器元件及光学仪器材料（光谱棱镜、透镜等）、耐酸耐高温的潜材。

颜色美丽者可作工艺品及宝石原料。色泽差的玛瑙和玉髓可作研磨器具。

B、石英（高温石英）：SiO2,六方晶系，对称型622。

鉴定特征：呈特征的六方双锥晶形（六方柱发育差）。颗粒较小，晶体几乎总

呈浑圆状，表面粗糙。灰白色，乳白色，玻璃光泽，断口油脂光泽。

蛋白石（欧泊）：SiO2-nH2O,非晶质，但扫描电子显微镜研究发现其内部存在

SiCh小球体堆积。

鉴定特征：无定形，通常呈肉冻状致密块体或葡萄状、钟乳状、皮壳状、多

孔状、结核状。颜色不定，常为蛋白色、无色，含杂质可呈各种颜色；易脱水龟

裂而呈白色。

用途：色泽美丽的致密块状贵蛋白石或火蛋白石可作名贵的宝石及工艺品材

料。

硅藻土质轻多孔，是优良的隔音、隔热材料，建筑材料、研磨材料、陶瓷原料、

炸药原料；可用于制作过滤剂，及炼油、制糖的吸附剂和净化剂；作为催化剂的

载体应用于化学工业上。

二、硅砂和硅石（包括粉石英）

1、性质

是自然界最常见的、最通用的硅质矿物原料，主要矿物成分为石英，化学

成分为SiCh,密度为2.65g/cn?漠氏硬度为7,结晶属六方晶系，硅砂呈粒状，硅

质原料呈块状产出称硅石，外观呈无色、白色、青灰色、灰黄色或其他颜色。

2、分布

我国天然硅砂和硅石矿物资源十分丰富，质量好、规模大的硅砂矿床有：内

蒙古通辽、吉林双辽、福建东山、山东烟台、江西鄱阳湖等；而硅石的主要产地

有河北、辽宁、河南、山西。

3.硅砂和硅石的主要用途

工业领域类型用途

建筑玻璃各类平板玻璃、玻璃砖、

空心玻璃、泡沫玻璃等

玻璃及玻

日用玻璃各类包装瓶罐、玻璃器皿

璃制品工业

技术玻璃光学玻璃、玻璃仪器、玻璃纤维、导电玻

璃、玻璃布、光缆、防射线玻璃

机械工业铸造造型用砂

冶金工业辅料冶炼添加剂、各种铁铁合金

耐火材窑炉用炉衬材料硅砖、硅质耐火材料

料工业

水泥标准砂、水泥标准砂、水泥填料、混凝土制品

水泥工业

制品

化学工业硅酸钠、无水硅酸制水玻璃、硅胶、干燥剂

4、硅砂和硅石类型

硅砂：

1）根据产区不同，习惯上将天然砂分作内陆砂和海滨砂；一般来说，海滨

砂优于内陆砂质量。

2）按颜色不同，天然砂又有黄色砂和白色砂。

硅石：

1）按岩石类型或形成原因分：脉石英、石英岩、石英砂岩、燧石岩。

类型成因特征用途

由地下岩浆分泌出来外观呈乳白色、白色、致密坚

石英玻璃、优质日

脉石英的氧化硅热液充填在硬，结晶粗大，2mm以上，

用陶瓷原料

岩石裂缝中形成SiO2>99%

纯粹石英呈浅白色含含铁呈耐火材料硅

由石英砂岩或硅质岩红色，具花岗变晶结构，等粒砖、玻璃原

石英岩

经区域变质而形成状强度大SiO2含量85-98%料、冶金溶

或更高齐IJ、建筑用基石

是一种机械次积类岩石断面粗糙，肉眼能看到石

型。岩石由碎屑和胶英颗粒，致密度差，强度低,

石英砂制造一般硅

结物组成，胶结物主SiCh含量一般在90%以上。

岩破、玻璃原料

要为硅质，玉髓、蛋纯石英砂岩为白色、灰白色,

白石等但杂质而呈其它颜色

又名玻璃石英，是硅

质岩的一种主要石颗粒细小、多呈棱角状、硬度

燧石岩一般制砖

英、玉髓、蛋白石组较大

成

由石英岩、石英砂、石英颗粒表面光滑，颗粒

玻璃原料、建筑材

石英砂脉石英及含硅高的岩大小均匀，粒度在0.5—

料、硅质捣打料

石风化后的碎屑经自0.15mm之间，质地纯呈白色,

然搬运，在滨海、河含铁呈黄色、浅灰色或褐色,

流沉积而成成分波动大

2）按工艺分类：a、结晶硅石（包括脉石英和石英岩）；b、胶结硅石（石

英砂岩、燧石岩）其中石英砂岩是石英颗粒被胶结物结合而成的沉积岩。

根据胶结粒度的不同，分为粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩。

按胶结相的不同，分为钙质砂岩、硅质砂岩和长石质砂岩。

3）按硅石的致密度分四类：

（1）极致密；（2）致密；（3）比较多孔；（4）多孔（如表9-4）。

4）按硅石真比重大小分（1450。（：煨烧1小时）

（1）快速转变真比重＜2.40；（2）中速转变真比重2.40—2.45；

（3）慢速转变真比重2.45—2.50；（4）特慢转变真比重＞2.50。

5、结晶硅石（结晶石英岩）与胶结硅石

结晶硅石：结晶硅石外观一般呈乳白色、灰白色、淡黄色至红褐色。有鲜明

的光泽，断面平滑连续，并带有锐利棱角、硬度和强度都大C

形成原因：是由硅质砂岩经变质作用再结晶成的变质岩。它是由结晶质石英

颗粒所组成。由于变质过程中的再结晶作用使石英颗粒紧密连接在一起，并且构

成各种变晶结构，如锯齿结构、花岗岩结构和镶嵌结构。

矿物组成：结晶硅石中石英外，有时还存在其他少量的杂质矿物如绢云母、

白云母、绿泥石、长石、金红石、赤铁矿、褐铁矿等。

分布：河南铁门、辽宁石门、山东王村、江苏江阴、湖南湘乡、四川重

庆、内蒙包头。

胶结硅石：胶结硅石（胶结石英岩）是石英颗粒被硅质胶结物结合而成的沉积

岩。胶结硅石以石英为主，含少量的长石、云母。胶结物为硅质如玉髓、蛋白石、

氧化铁、石灰石、绿泥石等，石英颗粒小（0.01mm）,加热转变容易，较少用作

制砖原料。

分布：山西五台山等。

化学组成：以SiO2为主，杂质成分为AI2O3、Na2O.K2O、CaO、FezCh。

1）AI2O3、NazO、K2O是强熔剂，形成低共熔物，会严重降低制品的耐火

度和高温强度，要求AI2O3VI.2—1.6%,R2O（Na2O+K2O）＜0.2—0.4%；

2）CaO、Fe2O3也是强熔剂，如果呈分散状态可视为矿化成分，为有益成分;

3）TiCh不影响石英转化，可改善热震稳定性。

其中AI2O3、Na2O＞K2O以水云母形式存在。

6、硅质原料要求

1）纯度；2）致密度；3）转变速度；4）显微结构（石英颗粒、结构）。

问答题

1、硅质矿物原料有哪些？

2、说明结晶硅石和胶结硅石差别？(岩石类型、矿物组成、石英晶粒大小、杂质

含量、转变速度等)

3、选择硅质原料时，考虑哪些指标？

刚玉质矿物原料

一、刚玉质耐火材料

1、定义：

氧化铝含量大于90%、主晶相为刚玉的耐火制品。

2、种类：

烧结氧化铝制品、再结合烧结刚玉制品、再结合电熔刚玉制品，刚玉质高温

陶瓷，刚玉浇注料。

3、基本性能：

刚玉质耐火制品氧化铝含量高、杂质含量低、化学稳定性好，耐高温、硬度

大、强度高、抗氧化、耐腐蚀、电绝缘、气密性好等。

4、用途：

刚玉质耐火制品耐高温、耐腐蚀，广泛用于多种高温电炉、窑炉的内衬及制

作刚玉炉管、炉芯及高温电炉配件等。

在化工系统，作为反应炉和气化炉的专用炉衬，用作各种反应器皿和管道。

由于硬度大、耐磨性好，用作刀具、模具磨料；利用高温绝缘性，用作热电

偶保护管、原子反应堆中的绝缘瓷；利用结构稳定、可在高频、高压下使用的特

点，可用丁集成电路基板、雷达天线保护罩等。

刚玉保温材料既耐高温又保温，广泛用于炉墙和炉顶。

其他刚玉耐火材料广泛用于钢铁、石化、建材等。

二、刚玉

1、背景：1798年将刚玉名称列入矿物学，刚玉是矿物名称.，而在以前叫宝石

(preciousstone),其化学成分主要是AI2O3,为氧化铝晶体，纯净的刚玉晶体是

无色透明的。

2、化学组成：一般含微量C产、Fe2\Ti4\Mn2\V5\Ga3+^,常见赤铁矿、

钛铁矿、金红石、尖晶石、石榴子石等包裹体。

3.晶体结构：三方晶系。

刚玉型结构：。2一呈六方最紧密堆积构成氧离子层，AF+在两层CP-之间，充

填2/3的八面体空隙。

4.形貌特征：晶体常呈完好的腰鼓状、桶状或短柱状。晶面上常见相交的几组条

纹。通常呈蓝灰、黄灰色，含杂质可呈各种颜色。

红宝石：含Cr,红色；蓝宝石：含Ti和Fe?+,蓝色；

黑星石：含Fe2\Fe3+,黑色、透明；白宝石：纯净无色透明的晶体；含

Co、V、Ni呈绿色；含Ni呈黄色；含Fe3+、Mi?+呈玫瑰红色。

在某些红（蓝）宝石的｛0001｝面上可见因含有定向分布的针状金红石包裹体

而呈现的六射星光，称为星光红（蓝）宝石。

5、来源

自然界存在刚玉矿床，例如国外：哈萨克斯坦、南非、加拿大以及我国的河

北、西藏、江苏、江西和山东等。

工业上使用的刚玉原料都是来源于含AI2O3矿物矿石，如铝土矿、霞石

KNa3[AlSiO4]4（系K[AlSiCh]和Na[AlSiO4类质同象形成固溶）;明帆石

KA13[SO4]2（OH）6等，其中世界上95%以上的氧化铝是用铝土矿生产。

6、应用

1）磨料行业刚玉晶体的硬度高、耐磨性好，被大量用于磨料行业，占磨料

2/3,其他碳化硅磨料；

2）电子行业刚玉为离子晶体，结构稳定，在高频、高压和较高的温度下

使用，其绝缘性优良，损耗不大，介电常数小。集成电路、基板、瓷架、微波窗

口、防泄露陶瓷管（罐）；透明刚玉制品可制作灯管、微波整流罩、固体电解质

Na-p-Al2O3钠硫电池隔膜材料；

3）石油、化工行业刚玉硬度大、耐磨性好、强度高用作反应器皿和管道、

化工泵部件；

4）耐火材料耐高温、耐腐蚀、高强度等性能，冶炼稀贵金属、特种金属、

玻璃拉丝、激光玻璃的生烟及器皿；各种高温炉窑用炉衬；碳黑、硼化工、化肥、

合成氨反应炉和气化炉专用炉衬。

三、氧化铝生产方法

从铝土矿或其他含铝原料提取的方法很多，大致有四类：1）碱法；2）酸

法：硝酸、盐酸、硫酸等投资大，酸回收复杂；3）酸碱法；4）热法（电熔法）。

A、碱法

生产氧化铝碱法有拜尔法、烧结法及拜尔-烧结法等；

拜尔法：

1889-1892年奥地利化学家K.J拜尔（Bayer's）发明了生产氧化铝的方法，其

原理是：直接用含有大量游离NaOH的循环母液处理铝矿石，以溶出其中的氧

化铝，获得NaAKh溶液,并加晶种分解的方法，它使溶液中的氧化铝成为A1(OH)3

结晶析出。铝土矿f原矿料浆fNaOH溶出AI2O3溶液一稀释、泥渣分离fNaAKh

溶液f加晶种，A1(OH)3分离f洗涤得到纯净Al(OH)3f煨烧得到A12O3O

烧结法：

生产氧化铝的原理是在铝矿石中配入石灰石(或石灰)、苏打。使原料在高

温下烧结，从而获得含固态铝酸钠的熟料，用水或稀碱溶出，得到铝酸钠溶液，

对脱硅后的纯净铝酸钠溶液采用碳酸化法(往溶液中通入CO2使溶液中A12O3

成为A1(OH)3析出，后煨烧即为氧化铝)。铝土矿->加入(石灰石或苏打)->混

合体f高温煨烧f含铝酸钠的熟料f水溶出fNaAKh溶液f通入CO2

—>A1(OH)3—>AbO3o

一般来讲，拜尔法处理高品位的铝土矿，工艺简单，能耗低，产品质量好。

而碱石灰烧结法处理低品位的铝土矿(AbO3/SiO2V7—8),工艺复杂，能耗高，

产品质量不如拜尔法好。

联合法：拜尔法和烧结法并用。

B、热法

其原理是将铝矶土熟料与还原剂直接在电炉内熔融制备，棕刚玉和亚白刚玉

等。而用工业氧化铝为原料，采用电熔方法可以得到白刚玉、致密刚玉原料，加

入错英石、氧化错或氧化珞可以电熔铸刚玉和铭刚玉等。

四、氧化铝产品

按生产工艺分有三种：1)轻烧氧化铝(calcinedalumina)；2)烧结刚玉(sintered

corundum)包括烧结板状刚玉)；3)电熔刚玉(fusedconmdum)(电熔棕刚玉、电熔

亚白刚玉、电熔白刚玉、电熔致密刚玉)。

1轻烧氧化铝(CalcinedAlumina)

背景：工业氧化铝属于半成品，来源于煨烧A1(OH)3,煨烧温度1250℃,其

性能：1)除含有a-AhO3外，还有Y-AI2O3以及一水软铝石;2)含有0.3—0.4%Na2。

杂质，位于多孔集料中。因此进一步煨烧可以减少制品收缩(Y-AI2O3fa-AbCh

体积收缩达14.3%),去除杂质Na2Oo

制备过程：以工业氧化铝为原料•，加入部分外加剂，在较低的温度下，进行

燃烧处理，一般燃烧温度不超过1500。。使其中的y-AbO3完全转化为a・AhO3,

同时进一步去除Na2O,且保持较大的活性,所以又称活性氧化铝(activealumina)o

工艺参数：1)煨烧温度不超过1500℃,最合适温度1400—1450℃,有些

为了一定活性，控制1300。(2左右。2)引入矿化剂，促进转化，去除NazO。一

般的矿化剂为硼酸、氯化镁、金属铝和硼镁石Mg2B2O4(OH)2。

2烧结刚玉(SinteredAlumina)

将工业氧化铝或高铝研土通过煨烧的方法制取刚玉材料称为烧结刚玉。

根据煨烧温度及材料的显微结构、性能的差异，可分为轻烧刚玉

(<1650℃)、烧结刚玉(1650—1925℃)、烧结板状刚玉(>1925℃)0

用天然高铝矶土燃烧的刚玉材料称为烧结矶土刚玉。

烧结刚玉工艺：烧结刚玉工艺分一步法和二步法。原料一磨细一混料一成型一

干燥一烧成一加工一检验。回转窑烧成熟料结晶和气孔都大；隧道窑烧成依条

件不同可得不同质量熟料；竖窑烧成温度最高，可快速烧成，质量最好。添加

TiCh不仅能降低烧结温度，而且能增大刚玉结晶尺寸，但会降低制品强度。

烧结板状刚玉

美国铝业公司(Alcoa)公司于1935年研制成功板状氧化铝(Tabularalumina),

其原料系采用预燃烧的工业氧化铝经细磨成球后在略低于其熔点的温度1925℃

左右的超高温条件下烧结制备。其优良的体积稳定性和抗热震性归因于低的气孔

率和快速烧结条件下再结晶时形成的封闭晶内气孔。

美国先后在德国、荷兰、日本、中国青岛生产烧结刚玉。近年来，我国的江

苏、河南和山东等地一些厂家也开始生产烧结刚玉。关键是如何控制板状化。

烧结矶土刚玉

烧结矶土刚玉与矶土的化学矿物组成、烧结时间及原料粒度有很大关系。最

主要问题是杂质，有人研究加A尸3。

3电熔刚玉(FusedAlumina)

背景:50年代，开发了电熔棕刚玉(51年)和电熔白刚玉(55年)，当时主要应用

领域是磨料行业，国内生产厂家有郑州磨料厂、吉林梅河口砂轮厂、贵州七砂等。

80年代初，建起了专供耐火材料公司使用的刚玉原料如：三门峡电熔刚玉厂、

西北耐火材料厂；电熔刚玉由原来的两种发展到电熔亚白刚玉、电熔致密刚玉、

电熔板状刚玉等。

种类:电熔棕刚玉、电熔亚白刚玉、电熔白刚玉、电熔致密刚玉、电熔板状刚

玉。

A、电熔棕刚玉

原理：棕刚玉冶炼是利用铝对氧的亲和力比铁、硅、钛等大的基本原理，可

以通过控制还原剂的数量，用还原冶炼的方法，使铝矶土中的主要杂质还原，被

还原的杂质生成硅铁合金并与刚玉熔体分离，获得结晶质量符合要求

AbO3>94.5%的棕刚玉。

方法：用高铝矶土熟料、碳素材料、铁屑三种原料，经配料混合加入电弧炉

中，经过高温熔化和杂质还原后冷却而结晶成棕褐色熔块。

各种原料作用：

1)高铝矶土是提供主要成分A12O3的原料，其含量越高，对冶炼刚玉的各

项指标越有利,其他杂质有SiO2,Fe2O3,TiOa,CaO,MgO,K2O,NaO

2)碳素材料一还原剂：用来还原高铝矶土中的杂质，种类有石油焦、焦碳

和无烟煤等。

3)铁屑一稀释剂：因为我国矶土中氧化铁含量低，按高铝矶土中的SiCh多

少引入。

反应方程式：

l)SiO2+C-Si+CO；2)Fe2O3+CfFe+CO；3)TiO2+C^Ti+CO；4)TiCh+C

-TiC+CO；

5)SiO2+Fe+C^FeSi+CO；6)TiCh+Fe+CfFe3Ti+CO；7)Na2O+C^Na+COe

由于杂质没有被完全除去，杂质含量较高，呈现特有的棕色，故称棕刚玉。

B、电熔亚白刚玉

背景：棕刚玉杂质含量高，会严重影响耐火制品性能，同时工业氧化铝价格

昂贵，来源匮乏，耐火材料需要的氧化铝难以得到满足。

原理：冶炼亚白刚玉与冶炼棕刚玉不同，冶炼棕刚玉主要是将矶土中的SiO2

和Fe2O3还原成Si和Fe分离出去。而冶炼亚白刚玉不但要将矶土中的SiCh和

Fe2O3还原成Si和Fe分离出去，还要尽可能将AhOs以外的氧化物，尤其是矶

土中的TiCh还原成金属Ti分离出去。

前期为还原熔融期，主要还原出Fe、Si利Ti。氧化精炼期去掉多余的碳。

后期反应方程式主要为：1)Al4c3+Fe2O3fFe+A12Ch+CO；

2)Al4c3+FeO-Fe+AbCh+CO；3)A14C34-SiO2^Si+AhO3+CO；

4)A14c3+02fAI2O3+CO；AI4C3+H2O-A1(OH)3+CH4；

AI2OC+H2OfA1OH)3+CH4。

原料要求：高铝矶土：对高铝研土熟料要求高，不但要求A12O3高，而难以

还原的氧化物尽可能低，AhO3>85%,TiO2<4.5%,CaO+MgO<0.5%o碳素材

料：固定碳275%,灰分<12%,水分<3%。澄清剂：铁屑290%Fe。脱碳剂：铁

鳞FeO+Fe2O3>90%或石英砂SiCh。

C、电熔白刚玉

比电熔亚白刚玉工艺简单，主要是由于原料采用纯度高工业氧化铝。关键在

于去钠元素。

D、电熔致密刚玉

80年代初，为了适应冶金技术发展，对耐火材料质量品种的要求，三门峡

电熔刚玉厂、西北耐火材料厂利用工业氧化铝作原料，电熔生产电熔致密刚玉，

这种刚玉块的外观呈浅灰色、纯度高、气孔率低、密度大，用它替代进口产品制

取铁沟浇注料，在上海宝钢大型高炉上使用。

原料：工业氧化铝、碳素材料、石英、铁屑

反应方程式：Na2O+C^Na+CO；SiCh+CfSiO+CO；AbCh+CfAI4C3+CO；

AbO3+CfAbOC+CO；Al4c3+SiO2->Si+AbO3+CO。

由于纯氧化铝熔液2200C时比C1-AI2O3晶体的密度（真密度）3.99g/cn?小

一结晶过程中产生收缩一气孔——气孔少的刚玉为致密刚玉。

E、电熔板状刚玉

众所周知，美国铝业公司用烧结法开发生产了板状刚玉，其被认为是由板状

晶体构成的刚玉集合体。

天津大学研究了采用电熔工艺生产板状刚玉，获得成功。研究发现用这种板

状刚玉作为陶瓷棍棒作为原料，取代原来使用的电熔白刚玉，对提高棍棒的抗热

震性十分显著。

原理：板状刚玉的形成温度略低于其熔点，但是工业氧化铝中杂质氧化物的

存在，也必然使板状晶体刚玉发育和形成是在有液相的“半熔化”状态下形成。电

熔板状氧化铝在此状态下，刚玉晶粒迅速长大，晶粒晶界移动速度高于闭气孔向

晶界移动的速度，导致晶体内部存在较多的闭口气孔。另外，NazO在这种状态

下，存在于氧化铝物料内部挥发，也是电熔板状刚玉内部存在闭口气孔的原因之

由熔刚玉物理性能

电熔棕刚电熔白刚电熔致电熔亚电熔板

项目

玉玉密刚玉白刚玉状刚玉

工业氧化工业氧化矶土工业氧化

原料种类高铝矶土

铝铝(>85%)铝

AI2O3/%94.5—97>99>98.5>98>99

体积密度

〜3.503.45—3.50>3.803.85—3.92>3.89

（g/cm3）

显气孔率

<46—10<4<3-

/%

外观颜色棕褐色白色灰白色灰白色-

烧结刚玉和电熔刚玉的对比：化学成分；组织结构；烧结性能；机械强度；热震

性能。

其他刚玉：1）铭刚玉含铝2-10%Cr2O3：2）错刚玉：工业氧化铝+错英砂精

矿；工业氧化铝+ZrO2；高铝讯土+错英砂。

问答题

1、工业氧化铝主要生产工艺有哪些?

2、耐火材料用刚玉的种类有哪几种？性能上有何差别？

硅酸铝质矿物原料

一、硅酸铝质矿物原料概述

1、定义：硅酸铝质耐火材料是以AL03和SiCh为基本化学组成的耐火材料。

2、品种：半硅质制品、粘土质制品和高铝质制品。

硅酸铝质耐火材料的基本特性主要取决于它们的化学矿物组成，制品中的矿

物组成，因其AbCh/SiO?比值不同而异。

3、应用：

硅酸铝质耐火材料目前广泛应用于冶金、机械制造、石油化工、动力、以及

轻工等工业生产领域所用的热工没备的内衬结构材料。

AI2O3—SiCh系耐火材料的分类和主要矿物组成

制品名称卬2。3含量，%主要矿相化学性质

硅质293(SiO2)鳞石英、方石英、残余石英、玻璃相酸性

半硅质15-30石英变体、莫来石、玻璃体半酸性

粘土30-46莫来石（~50%）、石英变体、玻璃体弱酸性

莫来石（60〜70%）、石英变体、玻璃

HI等高铝砖46〜60弱酸性

体

n等高铝破60〜75莫来石、少量刚玉、玻璃体弱酸性

I等高铝砖>75莫来石、刚玉、少量玻璃体似中性

刚玉砖90-99刚玉、少量玻璃体中性

二、半硅质耐火材料

1、定义：是指含AbO3<30%、SiCh>65%的半酸性制品或半酸性耐火材料。

2、品种：蜡石砖、蜡石-碳化硅砖。

3、应用：铁水包、盛钢桶衬砖、焦炉凉焦台等。

4、主要特点：

1）具有不太大的膨胀性，这种微量膨胀有利于提高砌体的整体性，减弱熔

渣沿砖缝对砌体的侵蚀；

2）当高温熔渣与砖面接触后发生反应,在砖面形成一层粘度很大的釉状物质,

阻止了熔渣向穆内的渗透，提高了抗渣侵蚀能力且不挂渣。

5、原料：天然蜡石；含有天然石英杂质、AI2O3含量低的粘土或高岭土；耐火粘

土、高岭土等选矿时所得的尾矿；煤肝石。

6、分布：

我国的蜡石资源丰富，福建、浙江、内蒙、广东、四川河北等地均有产出,

但是比较集中分布在福建和浙江，其中福建蜡石储量占全国的一半以上。

蜡石

1、由来：

叶蜡石(Pyrophyllite)是一种含水的铝硅酸盐，是一种致密状或片状呈黄、

灰绿、褐红等色的低温热液蚀变矿物，属于粘土矿物的一种。又有清田石、寿山

石、冻石、蜡石之称。

2、矿物组成：

工业所用的蜡石并非纯叶蜡石，一般蜡石系指有滑感以叶蜡石为主的矿石，

实际生产工业所用的蜡石都是叶蜡石为主，与高岭石、水铝石、石英、玉髓和云

母等类矿物共生的致密块状矿石。

蜡石矿物组成中，除叶蜡石外，尚有铝质矿物如：水铝石、高岭石、蒙脱石、

迪开石、蓝晶石、红柱石、云母类矿物。硅质矿物如：石英、玉髓等。

3、种类：

根据矿物组成，将蜡石分为铝质蜡石(包括高岭石质蜡石和水铝石质蜡石)、

叶蜡石质蜡石和硅质蜡石。

有些分成五大类：叶蜡石、水铝石叶蜡石、高岭石叶蜡石、凝灰质叶蜡石、

含铁叶蜡石。

叶蜡石矿石自然类型

自然矿物组成化学成分/%

类型主要矿物次要矿物微量矿物灼减

AI2O3SiO2Fe20sTiO2

石英、玉髓和

叶蜡叶蜡石褐铁矿、黄铁

高岭石5—28.1264.840.420.425.74

石90—95%矿板钛矿

10%

叶蜡石

水铝褐铁矿，金红

60—90%石英和玉髓

石叶石蓝晶石，石35.5152.990.450.437.11

水铝石5%

蜡石英,氧化铁

5—40%

高岭石

高岭

70%水云母和石英氧化铁，褐

石叶33.8256.690.290.147.20

叶蜡石5—10%铁矿

蜡石

20%

凝灰玉髓、石英、氧化铁，水

叶蜡石

质叶火山灰20—铝石,蓝晶石23.9570.280.840.314.80

70—80%

蜡石25%褐铁矿，碳酸

盐

含铁

叶蜡石黄铁矿褐铁矿

叶蜡25.792.885.09

80—90%5—10%

石

4、叶蜡石化学组成、结构与性质

1)化学组成与结构：

叶蜡石化学式为Ah[Si40io](OH)2sEAl2O3.4SiO2.H2O,其中AI2O3占28.3%,

SiCh占66.7%,FLO占5.0%,

叶蜡石为单斜晶系，是2:1型层状硅酸盐矿物，与滑石相似，但叶蜡石中

[Si2O5产组成的六方网层之间由“氢氧铝层”来连接，而后者为“氢氧镁层”，即前

者为二八面体型，后者为三八面体型。

2)物埋性质：

叶蜡石颜色为浅黄的白色、淡绿色、紫褐色等。比重小(2.65—2.9或2.84),

解理平行｛001｝完全，具滑感，硬度小为1—2。

叶蜡石受热膨胀，在加热至700。(2以上时体积稍有膨胀，膨胀率低，在1.2

—2.1%之间。

叶蜡石含结构水少(5%),故在加热过程中因脱水产生的体积收缩小，灼减

小，其脱水过程比较缓慢，过程也较长。从550。(3延续到1100%：左右。比高岭

石(620—690℃)＞水铝石(450—700℃)等缓慢得多。

从热膨胀变化曲线看，体积稳定。基于以上的性质，可以用其生料制成不烧

砖直接使用。

3)蜡石加热变化：

(1)、以叶蜡石为主要矿物组成的蜡石，其在加热过程相变化为；

1)600。(：仍为叶蜡石，但颜色变浅，即有脱色现象。

2)1000。(2处理后，叶蜡石结构大部分被破坏，叶蜡石分解。

3)1100%：处理后，开始日现微弱的莫来石、a-方石英。

4)1200。(2莫来石及a.方石英含量增加。

5)135(rCX射线谱线与120(TC时相比,没有明显的区别。显微镜下，观察

叶蜡石仍保持原来的假象，只有个别的颗粒边界不清，轮廓模糊。

叶蜡石的加热变化表明，以叶蜡石为主要矿物组成的制品，在12()0%：以下使

用时稳定。在120CTC使用时，由于存在石英向方石英的相变，呈现膨胀性。

(2)蜡石在加热过程中的气孔率变化

从试验中发现，各种蜡石的气孔率在900OC以后，均有明显下降，其中以

高岭石质蜡石更为突出，这是因为此蜡石还含有较多的云母类矿物，在900℃

以后有较多的低共熔物出现的缘故。

（3）蜡石的差热分析曲线

铝质蜡石（包括高铝质和水铝石质）的差热曲线上有狭窄尖锐的吸热峰和

放热峰。而叶蜡石质和硅质蜡石吸热谷平缓，这是由于高岭石和水铝石急剧脱水

造成的。

5、蜡石矿物的主要用途

1）耐火材料：早期大块叶喑石直接切割制成砖块，后作为耐火涂料、泥浆、

混凝土原料。

2）陶瓷、玻璃和白水泥原料。

3）作为橡胶、塑料、防火布和造纸等工业的填料和增白剂。

4）工艺品用香炉、烟具、佛珠、印章、石俑、花瓶、装饰石材。

5）糖果、医药用填料及润滑剂，化妆品配料。

三、粘土质耐火材料

1、定义：氧化铝含量在30%〜48%的硅酸铝质耐火材料。

2、性能：

耐热震性较好。荷重软化开始温度1250〜1450℃。高温性能较好，由制品

中氧化铝含量和杂质（三氧化二铁、氧化钾、氧化钠）含量决定。粘土制品按氧

化铝含量分为一等（不小于40%）、二等（不小于35%）和三等（不小于30%）,

其相应耐火度分别为1730℃、1670℃和1610℃o

3、应用：用作高炉、热风炉、加热炉、锅炉、石灰窑、玻璃窑、陶瓷烧成窑中

的耐火材料。

4、粘土原料

定义：粘土是可塑性的包括高岭土、多水高岭土、颗粒非常小的（＜28microm）

硅酸铝盐。它一般由硅酸盐矿物在地球表面风化后形成。

种类：（1）硬质粘_L：沉积矿床（时间长）、致密一水中不分散，可塑性差一

熟料。山东淄博地区的硬质粘土含有较低的杂质成分——焦宝石。

2）软质粘土（半软质粘土、可塑粘土）：沉积矿床（时间短）、松散一水中分

散，可塑性好一结合剂。比如苏州土，广西维罗白泥。

分布：河南、山西、山东、辽宁、内蒙等地的粘土资源贮量很大，并且品种

齐全；在江西、湖南、广西、江苏、浙江等地也有优质的高岭土矿物。

粘土可能有的矿物组成

主要成分

少量成分（主要为杂质矿物成分）

（高岭石族）

岩石类型

常见的少见的常见的一般含量很少的（碎屑，同生及后生的）

多水高岭石石英、褐铁矿、针铁矿、赤铁矿、磁铁矿、电气石、

迪开石长石、楣石、金红石、钛铁矿、锐钛矿、黄铁矿、

变水高岭石黑（白）柘榴石、蓝晶石、闪石、辉石、绿廉石、磷

高岭土高岭石

珍珠陶土云母、灰石、明矶土、叶腊石、水铝石、勃姆石、

富硅高岭石水云母三水铝石、绿泥石、堇青石、黝帘石、菱铁

矿、方解石及其它粘土矿物与有机物等。

石英针铁矿、褐铁矿、赤铁犷、金红石、错英石、

高岭石粘多水高岭石

水云母电气石、长石、云母、菱铁矿、黄铁矿（白

土（软质高岭石变水高岭石

三水铝铁矿）、锐钛矿、板钛犷、钛铁矿、楣石、

粘土）迪开石

石磁铁矿、辉石、角闪石、绿廉石、黝廉石、

高岭石石英符山石、蓝晶石、磷灰石、柘榴石、锡石、

粘土岩水云母方解石、白云石、蛋白石、石髓、叶腊石、

变水高岭

（半软质高岭石水铝石海绿石、石膏、绿泥石、三水铝石、勃姆石、

石

及硬质粘勃姆石水铝石、明矶石及其它粘土矿物与有机物

±）等。

高岭石（kaolinite）：A14[Si40io]（OH）8；三斜晶系，对称型1（

鉴定特征：晶体呈菱形片状或假六方片状，但极细小，仅电子显微镜下才能

见到。多为隐晶质致密块状或土状集合体。白色，因杂质而带黄、浅褐、浅红、

浅绿、浅蓝等色调。致密块体土状光泽，H2〜3；土状块体H=l,疏松，易为手

捏碎成粉末，具粗糙感，干燥时吸水性强，粘舌，加水具强可塑性但不膨胀。

高岭石是分布最广的粘土矿物，具有强可塑性和烧结性、较高的耐火度（一

般可>1750℃）、良好的电绝缘性，以及较强的化学稳定性。

高岭石的加热变化：

AbO3-2SiO2-2H20fAi2SiO2+2H2O（450~550℃）

AbChZSiO2fAi2。3（无定形）+2SiO2（无定形）

AhO3（无定形）fY-AIO（结晶型）（930-960℃）

3y-AhOs+6SiO2（无定形）fA3s2+4SiCh（无定形）

Si02（无定形）-*SiO2（方石英）（1250~1300℃）

'（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。

用途：

作为耐火材料的最主要矿物原料，广泛应用于陶瓷、电瓷、冶金、玻璃、水

泥、化工等工业。

作为配料（填充剂、吸附剂、涂料）、漂白剂用于造纸、橡胶、油漆、颜料、

纺织、化工、建筑等工业。

作为合成4A型沸石的主要矿物原料。

可作为提取A1的来源。

四、高铝质耐火材料

1、定义：是指氧化铝含量