铝-硅系耐火材料的特点和应用

铝-硅系耐火材料是以氧化铝及二氧化硅为主要成分组成的铝硅酸盐，除主要成分Al₂O₃及SiO₂外，还有少量其他成分，如Fe₂O₃、TiO₂、CaO、MgO、Na₂O和K₂O等，这些都称为杂质。铝-硅系耐火材料的耐火度高，热震稳定性和高温化学稳定性都比较好，线胀系数比硅及刚玉小，已广泛被用作熔模铸造制壳耐火材料。这类材料主要有高岭石类耐火黏土（生料及熟料）和高铝质耐火材料。

1.高岭石类耐火材料

（1）黏土质耐火材料 黏土质耐火材料通常是指Al₂O₃的质量分数为30%～46%，矿物组成以高岭石为主的耐火黏土，其分子式为Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O。纯高岭石为白色，密度为2.6g/cm³，熔融温度为1750～1787℃。在熔模铸造中，通常是将耐火黏土加入加固层涂料以提高水玻璃型壳的常温强度和高温强度，这类型壳不必装箱填砂，可单壳进行焙烧、浇注，故常称作高强度型壳。

常用黏土一般可分为软质黏土和硬质黏土两类。表2-50列出了熔模铸造使用的部分软质黏土的化学成分。

表2-50 熔模铸造使用的部分软质黏土的化学成分

①含有质量分数为20%～30%的熟料。

（2）耐火黏土熟料 耐火黏土熟料是将高岭石类生黏土（多为硬质黏土）经高温煅烧再破碎而成。其主要相组成为莫来石和玻璃相，有时还有少量的方石英。相组成与原材料中的Al₂O₃含量、煅烧温度和保温时间有一定关系，随着Al₂O₃含量增加、煅烧温度提高，以及煅烧时间延长，其莫来石的含量增多。

耐火黏土熟料一般Al₂O₃的质量分数约为40%，SiO₂的质量分数约为50%，并存在少量Fe₂O₃、MgO、Na₂O和K₂O等杂质，已在精密铸造中广泛的使用。几种常用高岭石类耐火黏土熟料见表2-51。

表2-51 几种常用高岭石类耐火黏土熟料

熔模铸造用上店土砂、粉的化学成分见表2-52，其他性能为：耐火度≥1750℃，密度≥2.4g/cm²，w（水）≤0.3%，砂中w（粉尘）≤0.3%，w（莫来石）≤45%，w（方英石）=15%～20%。

表2-52 熔模铸造用上店土砂、粉的化学成分

根据JB/T 11733—2013《熔模铸造用煅烧高岭土砂粉》的规定，熔模铸造用煅烧高岭土砂粉的技术要求如下：

1）熔模铸造用煅烧高岭土砂粉的化学成分及物理性能应符合表2-53的规定。

表2-53 熔模铸造用煅烧高岭土砂粉的化学成分及物理性能

2）熔模铸造用煅烧高岭土砂粉产品外观应符合表2-54规定。

表2-54 各级熔模铸造用煅烧高岭土砂粉产品外观质量要求

3）熔模铸造用煅烧高岭土砂粉中含水量≤0.30%（质量分数）。

4）熔模铸造用煅烧高岭土砂粉的粒度指标见表2-55、表2-56（可以按需方要求调整）。

5）需方要求对其他项目加以控制时，由供需双方商定。

2.铝矾土耐火熟料

（1）概述 铝矾土的主要矿物组成是含水氧化铝及高岭石。含水氧化铝主要有：水铝石α-Al₂O₃·H₂O，波美石γ-Al₂O₃·H₂O，三水铝石Al₂O₃·3H₂O等。我国铝矾土蕴藏量大巨分布很广，河北、河南、山西、山东、湖南、贵州、辽宁等地都有大量铝矾土矿。

表2-55 砂粒度指标

表2-56 粉粒度指标

铝矾土耐火熟料砂的主要矿物成分为莫来石（3Al₂O₃·2SiO₂），它是铝矾土经过高温（1300～1500℃）煅烧而得的烧结块再经过破碎、筛选而成，其耐火度随Al₂O₃含量的增加和煅烧温度的增高而提高。高铝矾土煅烧的铝矾土砂，当Al₂O₃质量分数达71.8%时，其耐火度大于1800℃。上述熟料中，Fe₂O₃、CaO、MgO等杂质的存在均影响其耐火度。铝矾土熟料的相组成见表2-57。

表2-57 铝矾土熟料的相组成

铝矾土耐火熟料的优点是热膨胀量小，高温下体积稳定，耐火度高，抗渣性好，铁及其氧化物对它们的浸润性都比石英低。耐火熟料是一种典型的两性氧化物，根据成分不同，其在高温时有时呈现显著的碱性，有时也呈现中性。(www.xing528.com)

（2）铝矾土耐火熟料的技术指标 高铝矾土熟料及优质高铝矾土的技术条件见表2-58和表2-59。铝矾土熟料的典型理化性能见表2-60。

表2-58 高铝矾土熟料技术条件（YB/T 5179—2005）

表2-59 优质高铝矾土熟料技术条件（YB/T 5179—2005）

注：1.回转窑煅烧的产品通过5mm标准筛的筛下料不超过8%，其他窑煅烧的铝矾土通过10mm标准筛的筛下料不超过10%，200～300mm的块料不超过10%。

2.铝矾土熟料中杂质的质量分数不超过2%。

3.同一牌号产品中混入其他牌号的质量分数不超过10%。

4.铝矾土熟料中不得混入石灰石、黄土及其他高钙、高铁等外来夹杂物。

表2-60 铝矾土熟料的典型理化性能

①A/S是Al₂O₃与SiO₂比值的简写。

铝矾土熟料可以用作大型铸钢件的型（芯）面砂、涂料和涂膏。近年来，熔模铸造型壳已广泛应用铝矾土砂（粉）作耐火材料，主要用于配制型壳的加固层涂料及撒砂材料，它在一定范围内代替了石英和刚玉材料，在浇注不锈钢、耐热高合金钢时还可用于配制表面层涂料。熔模铸造用铝矾土砂（粉）的主晶相、化学成分及分级代号、粒度组成等技术参数分别见表2-61～表2-64。熔模铸造用铝矾土砂、粉牌号表示方法为：RLS××-××□[铝矾土熟料砂，RLS（H）表示合成料砂]，RLF××-××[铝矾土熟料粉，RLF（H）表示合成料粉]。

表2-61 熔模铸造用铝矾土砂（粉）主晶相

表2-62 熔模铸造用铝矾土砂（粉）化学成分及分级代号

表2-63 熔模铸造用铝矾土砂粒度组成

表2-64 熔模铸造用铝矾土粉粒度组成

3.莫来石

莫来石是Al₂O₃-SiO₂二元体系中长压下唯一稳定存在的二元化合物，化学式为3Al₂O₃·2SiO₂，理论组成（质量分数）为：Al₂O₃71.8%，SiO₂28.2%。天然莫来石矿物非常稀少，莫来石通常用烧结法或电熔法等人工合成。合成莫来石是一种优质的耐火原料，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变小、硬度大、耐化学腐蚀性好等特点。近年来，在铸造行业，特别是在熔模铸造生产中应用较为广泛。天然铝矾土精矿烧结莫来石的技术条件见表2-65。电熔莫来石的技术条件见表2-66。电熔莫来石的典型性能见表2-67。

表2-65 天然铝矾土精矿烧结莫来石的技术条件

表2-66 电熔莫来石的技术条件

注：产品粒度小于0.088mm时，M75中的Fe₂O₃质量分数为0.5%，M70中的Fe₂O₃质量分数为1.2%。

表2-67 电熔莫来石的典型性能

（续）