高铝矾土中的这5种杂质，对其性能都有哪些影响？
发布日期： 2020-06-01 09:45:07 阅读量（589） 作者：高铝铝矾土的化学成分主要是Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等，经过高温烧结以后，绝大部分的Al2O3、Fe2O3(w(Al2O3)>95wt%、w(Fe2O3)>80wt%)进入结晶相;大部分的SiO2、TiO2进入结晶相，但随着Al2O3含量的变化，SiO2、TiO2进入结晶相的比例有较大的波动，w(SiO2)在44~92wt%之间波动，w(TiO2)在62~94wt%之间波动;大部分的CaO和MgO进入玻璃相，几乎全部的K2O、Na2O进入玻璃相，详见图1。杂质对铝矾土熟料的影响如下：
(1)TiO2
TiO2是高铝矾土中含量较高的杂质，通常含量为2~4wt%。在II级高铝矾土中，大部分的TiO2固溶入莫来石晶格中，小部分的TiO2进入玻璃，TiO2对II级高铝矾土的烧结不利，但对制品的高温力学性能有利;在特级、I级和III级铝矾土中，TiO2进入玻璃相较多，使得液相量增加、液相黏度降低，促进了烧结过程的进行，但对制品的高温性能不利。
TiO2在高矾土烧结过程中去向：—部分TiO2进入刚玉和莫来石晶格，形成固溶体;一部分TiO2与Al2O3反应生成Al2O3·TiO2;其余的TiO2进入玻璃相，降低粘度。后两个去向对制品的高温机械性能不利。固溶体的形成和液相粘度的降低等使得TiO2能显著降低高铝矾土熟料的烧成温度，大约每增加0.4wt%的TiO2，烧结温度能降低20℃;TiO2控制在2.3~2.5wt%范围内，能使瓷质中结晶相总量最高，并使Fe2O3在结晶相中的固溶度最大，使较多的SiO2进入玻璃相。
图1 氧化物进入结晶相的比例随Al2O3含量的关系
(2)Fe2O3
Fe2O3在高铝矾土中是一种有害杂质。刚玉相和莫来石相的含量受Fe2O3的含量影响不大，但Fe2O3含量的增加会使得玻璃相的含量相增加，并且影响相对较为明显的，Fe2O3含量每增加1wt%，会增加约0.7wt%的玻璃相。在高铝矾土烧结过程中，Fe2O3大部分进入主晶相(刚玉和莫来石)形成固溶体，少部分进入玻璃相，还有一部分与Al2O3和TiO2形成固溶体(Al2O3·TiO2，Fe2O3·TiO2)，Fe2O3的存在有利于促进烧结的进程。
Fe2O3与TiO2相比，在烧结过程中降低烧成温度的能力较低，这是因为液相量受Fe2O3含量的增加而增加很少，Fe2O3降低烧成温度的作用取决于烧成气氛，在氧化气氛中Fe2O3降低烧成温度的作用较小，并且明显使烧结范围变窄;在还原气氛中Fe2O3能显著地降低烧成温度，这是由于FeO的出现会产生较多的液相。
(3)K2O和Na2O
K2O是高铝矾土的有害杂质氧化物，主晶相和玻璃相的含量受K2O含量的增加而有较大的变化。每增加1wt%K2O，玻璃相增加约7wt%，莫来石相含量减少15~20wt%，刚玉相含量增加8~13wt%。图2为K2O对烧结高铝矾土物相组成的影响的示意图。
K2O含量的增加会破坏原有的网络结构，使得玻璃相中的有害杂质增多，对高铝矾土的高温力学性能不利。K2O在高铝矾土烧结过程中的作用首先是阻碍二次莫来石化进程，其次是分解己形成的莫来石(主要是一次莫来石)。
K2O含量对材料化学组成的影响主要有以下几方面：
(a)结晶相。随着高铝矾土中K2O含量增加，烧后高铝矾土晶相中SiO2降低很快，Al2O3含量增加，TiO2略有降低，即对SiO2影响最大。对于I等高铝矾土，K2O为1.75wt%时有一转折点：当K2O从0.01wt%增至1.75wt%时，SiO2进入结晶相的比例从87.5wt%降至16wt%，即SiO2进入结晶相的比例快速下降;K2O继续增加时，这一比例降低的速度变慢。而对于II等高铝矾土，当K2O从0.01wt%增至3.51wt%时，SiO2进入结晶相的比例从84wt%降低到11wt%，基本呈直线关系。也就是说，无论I等或II等高铝矾土，当K2O含量小于1.75wt%，其烧结后K2O全部进入玻璃相;而K2O含量超过1.75wt%后，则有部分K2O进入结晶相。如II等高铝矾土，当K2O含量为3.51wt%时，约有25wt%的K2O进入结晶相。
(b)玻璃相。随着高铝矾土中K2O含量增加，烧后高铝矾土玻璃相中SiO2和K2O增加，其余氧化物减少。
Na2O和K2O相近，也是极有害的杂质。
图2 K2O对烧结高铝矾土物相组成的影响(I-I等高铝矾土;II-II等高铝矾土)
(4) CaO
中国地区铝矾土中CaO含量一般0.2wt%，个别地区达到2wt%以上。随着CaO含量的增加，莫来石显示锐减，钙长石生成并增长。在该阶段，随着CaO量增多，生成莫来石量迅速减少，钙长石出现并逐渐增多。一般每增加1wt%，莫来石减少9wt%，钙长石增加4~5wt%，刚玉增加3~4wt%，玻璃相含量增加0.7~0.8wt%。直到CaO含量超过一个转折点(对于I等高铝矾土CaO含量约6wt%，II等高铝矾土CaO含量约10wt%)，莫来石全部消失，其网络结构遭到破坏，高熔点的结晶相直接结合率明显下降，造成材料的性能明显降低。
(5)MgO
MgO含量对烧结高铝矾土相组成的影响与高铝矾土中Al2O3含量有密切关系。对于I等烧结高铝矾土，每增加1wt%MgO，刚玉减少2.5wt%，莫来石增多3.3wt%，此阶段对材料性能影响较小。
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