高鋁原料是指氧化鋁含量≥48%的鋁矽系耐火原料,主要包括高鋁礬土、莫來石、剛玉、藍晶石族礦物等,是耐火材料最主要的主體原材料之一。
1、高鋁礬土
高鋁礬土是指煅燒後,氧化鋁含量在48%以上,氧化鐵含量較低的天然鋁土礦,是生產高鋁質耐火材料的主要原料。高鋁礬土幾乎可以應用於所有鋁矽系耐火材料,高鋁磚、粘土磚、高鋁澆注料等等都是採用高鋁礬土作為基礎主體材料,是所有耐火原材料裡應用最廣泛、用量最大的。
我國擁有豐富的礬土礦資源,儲量位居世界前列,是世界上耐火材料用鋁土礦三大出口國(中國、蓋亞那和巴西)之一。中國鋁土礦分布高度集中,山西、貴州、河南和廣西四個省(區)的儲量合計佔全國總儲量的90.9%(山西41.6%、貴州17.1%、河南16.7%、廣西15.5%),其餘擁有鋁土礦的15個省、自治區、直轄市的儲量合計僅佔全國總儲量的9.1%。
(1)山西的鋁土礦床(點)主要分布在孝義、交口、汾陽、陽泉、盂縣、寧武、原平、興縣、保德、平陸等5大片42個縣境內,面積約6.7萬km2,探明鋁土礦儲量,居全國第一,該區的資源總量估計可達20億t。
(2)河南的鋁土礦集中分布在黃河以南、京廣線以西的鞏縣、登封、偃師、新安、三門峽、陝縣、寶豐、魯山、臨汝、禹縣等三大片10多個縣境內,面積3萬多km2,探明鋁土礦儲量居全國第2位,預測資源總量可達10億t。
(3)貴州的鋁土礦床主要分布在「黔中隆起」南北兩側的遵義、息峰、開陽、甕安、正安、道真、修文、清鎮、貴陽、平壩、織金、苟江、黃平等十幾個縣境內,面積2400km2,探明鋁土礦儲量居全國第3位。預測資源總量逾10億t。
(4)廣西的鋁土礦集中分布在平果、田東、田陽、德保、靖西、桂縣、那坡、果化、隆安、邕寧、崇左等縣境內,探明鋁土礦儲量居全國第4位,預測鋁土礦儲量在8億t以上。
(5)山東的鋁土礦主要分布在淄博、新泰、洪山等縣境內,其探明鋁土礦儲量佔全國總儲量的3%。
(6)此外,在海南、廣東、福建、雲南、江西、湖北、湖南、陝西、四川、新疆、寧夏、河北等省(區),也有鋁土礦礦床產出。
根據國家標準對高鋁礬土的分類,鋁土礦原礦(生料)和耐火原料高鋁礬土(熟料)詳細指標如下。
表1鋁土礦原礦(生料)性能指標
表2耐火原料高鋁礬土(熟料)性能指標
儘管我國鋁礬土儲量豐富,但是每年的開採量和消耗量都非常大,同時國家政策導向把高鋁礬土應用氧化鋁工業,導致耐火級高鋁礬土供應日益緊缺,制約了耐火行業的發展。如何利用品味較低的鋁礬土是未來研究的重點。回顧我國高鋁礬土生產技術發展和經驗,立足於我國高鋁礬土資源的開採、加工和應用,高鋁礬土均質化的必要毋庸置疑,是高鋁礬土資源未來的發展方向。
2、氧化鋁質原料
氧化鋁質原料係指由電熔或燒結而製成的、以Ⅱ氧化鋁為主晶相、氧化鋁含量較高的材料,屬三方晶系。常見的氧化鋁質原料有工業氧化鋁、燒結剛玉、電熔剛玉等。
2.1工業氧化鋁
工業氧化鋁是將礬土原料經過化學處理,除去矽、鐵、鈦等氧化物而制的,是高純度氧化鋁原料。主要應用於鋁含量較高、雜質含量較低、使用要求嚴苛的高檔耐火材料基質部分,如玻璃行業用電熔氧化鋁磚等。
表3工業氧化鋁的技術條件
α氧化鋁微粉是工業氧化鋁煅燒後的產物,經過粉磨工藝,其中值直徑可達19m,且活性好。由於其粒徑細、比表面積大,表面活化能較大、活性強,常用於不定形耐火材料中,主要作用是優化基質、促進燒結、增加流動性等施工性能,是超細粉技術的主要媒介之一。也有用於定型耐火製品中,主要作用是優化基質和促進燒結。
2.2燒結剛玉
燒結剛玉係指採用燒結法製得的剛玉,一般原材料採用工業氧化鋁,還包括一種板狀剛玉。一般認為氧化鋁含量在99.3~99.7%、真密度大於等於3.99/cm3、體積密度大於等於3.439/cm3、氣孔率小於等於2%的燒結氧化鋁,即為耐火材料所用燒結剛玉。燒結剛玉具有高純、緻密、高導熱、高強度、優良的抗熱震和抗侵蝕性能等優點,主要用於生產高純剛玉製品。
2.3電熔剛玉
表4電熔白剛玉理化性能指標
電熔剛玉種類較多,包括電熔白剛玉、電熔緻密剛玉、電熔亞白剛玉、電熔棕剛玉等等,其中最常用的是電熔白剛玉。電熔剛玉具有高純、緻密、高導熱、高強度、優良的抗侵蝕性能,耐酸鹼、高溫下體積穩定、氣孔率低等優點,主要用於生產高純剛玉製品。
3、莫來石
耐火材料工業用莫來石原料一般是人工合成,有價值的天然莫來石礦很少。合成莫來石主要由燒結法和電熔法製得。莫來石具有化學組成中鋁矽總量高,雜質含量少,加上莫來石特有的晶體形狀,以及較小的膨脹係數等優良性能,一般用於生產中高檔高鋁耐火材料,可用於高溫窯爐中工況條件較苛刻的部位。
表5燒結莫來石性能指標
表6電熔莫來石性能指標
燒結法合成莫來石,是以矽石、高嶺石、高鋁礬土和工業氧化鋁為原料,按照莫來石理論組成配方,經充分混合和磨細,成型坯體,在迴轉窯或梭式窯中1700-1750℃高溫煅燒而成。一般鋁含量在65~75%,礦物組成中莫來石相86-99%,剛玉相0.5~10%,玻璃相0.2~10%。
電熔莫來石是採用工業氧化鋁、優質燒結礬土、高純矽石等為原材料,按照一定配比混合倒入電弧爐中,經熔融合成製得。一般鋁含量不小於76%。
4、藍晶石族原料
藍晶石族原料包括藍晶石、紅柱石和矽線石,三者屬於同質異構體。藍晶石族礦物在高溫發生晶型轉化的過程中,伴隨體積膨脹,耐火材料引入藍晶石族礦物也正好是利用其體積變化,抵消耐火材料在高溫煅燒過程中的體積收縮,避免耐火製品開裂,實現體積穩定性,從而提高使用壽命。除此之外,藍晶石族礦物鋁矽總量高、雜質含量低也是其優勢所在,因此藍晶石族礦在耐火材料中的應用也非常普遍,主要應用於中高檔耐火材料。
表7藍晶石族原料分級
表8藍晶石族礦物高溫轉化性能比較