Диаграмма состояния системы Аl2О3- SiO2

Большинство технологий алюмосиликатных изделий базируется на использовании в производстве глинистых минералов – глин и каолинов, выполняющих две важные функции. Во-первых, они придают массам пластичность и связность, что необходимо для осуществления процессов формования, и, во-вторых, глины и каолины спекаются, обеспечивая упрочнение и уплотнение изделий. Физико-химические и термические процессы спекания глин и каолинов различного состава в технологии производства шамотных, каолиновых и полукислых изделий происходят согласно диаграмме состояния системы Аl 2 О 3 - SiO 2 (рис.1).

Рис. 1. Диаграмма состояния системы Аl 2 О 3 -SiO 2 [72] («тв. р.» означает твердый раствор муллита; 3:2 – означает, что на 3 массовые доли Аl 2 О 3 приходится 2 массовые доли SiO 2 ; 2:1 – означает, что на 2 массовые доли Аl 2 О 3 приходится 1 массовая доля SiO 2 и она соответствует эвтектике 2Al 2 O 3 ⋅ SiO 2 при 1850 °С )

Единственной твердой фазой, устойчивой при достаточно высоких температурах (>1585 °С), у шамотных и полукислых огнеупоров является муллит 3Al 2 O 3 ⋅ 2SiO 2 . Муллит содержит 72 % Al 2 O 3 и 28 % SiO 2 , кристаллизуется в виде ромбов и призм. Температура плавления муллита 1910 °С, в кислотах он не растворяется.

При содержании Al2O3 от 72 до 78 % (что соответствует 2Al2O3⋅SiO2) муллит образует твердые растворы с корундом. Корунд представляет собой α-Аl2О3 и является природным минералом. Корунд – конечный продукт термической обработки всех разновидностей глинозема и самая устойчивая в широком интервале температур разновидность глинозема.

Кроме муллита, в материале при температуре выше 1585°С в равновесном состоянии всегда присутствует то или иное количество жидкой фазы. Нижняя температура появления расплава в системе Аl 2 О 3 – SiO 2 системы Аl 2 О 3 - SiO 2 равна 1585 °С. Эвтектика содержит 5,5 % Аl 2 О 3 и 94,5 % SiO 2 . Присутствующие в глинах примеси снижают температуру появления расплава до 1345°С, химический состав природных примесей при общем их количестве в пределах 2–5 % не имеет существенного значения.

Соотношение твердой и жидкой фаз в системе Аl 2 О 3 - SiO 2 может быть определено по правилу рычага. Так, для полукислого материала с содержанием 20 % Аl 2 О 3 и 80 % SiO 2 при 1650 °С количество расплава достигает 80 %. Для каолинитового материала (46 % Аl 2 О 3 и 54 % SiO 2 ) количество расплава при этой температуре составляет только 40 %. В полукислых изделиях количество жидкой фазы с повышением температуры нарастает медленнее, чем в шамотных изделиях, так как линия ликвидус на участке полукислых изделий имеет крутой подъем, на участке же шамотных изделий – более пологий.

Из двойной диаграммы Аl 2 О 3 – SiO 2 следует, что для полукислых, шамотных и каолиновых огнеупоров с повышением содержания глинозема количество жидкой фазы при одной и той же температуре монотонно уменьшается; можно полагать, что качество алюмосиликатных, полукислых и шамотных изделий с увеличением содержания в них глинозема повышается. Однако практика этот вывод не подтверждает. То обстоятельство, что в настоящее время выпускают алюмосиликатные огнеупоры преимущественно с содержанием Аl 2 О 3 =30-38 % объясняется стабильностью огнеупорных глин с таким содержанием глинозема и крайней нестабильностью состава полукислых глин.

Кремнезем SiO 2 в полукислых огнеупорах при нагревании претерпевает полиморфные превращения, связанные с перестройкой кристаллической решетки. На эти превращения существенно влияют примеси в сырье и крупность частиц кремнезема. Глинозем (Аl 2 О 3 ) задерживает этот процесс перестройки и поэтому в шамотных изделиях содержится в относительно больших количествах исходный кремнезем. Технология шамотных, каолиновых и полукислых огнеупоров определяется, в основном, свойствами сырья и изменениями, происходящими при его сушке и обжиге, а также влиянием на качество изделий соотношения глины и шамота и их зерновых характеристик.

Общая усадка (при сушке и обжиге) у большинства пластичных огнеупорных глин составляет 15–20 %. При такой большой усадке получить изделия с заданными размерами из одних пластичных глин невозможно. При современных способах обжига сырца брак изделий, вызываемый усадкой, находится в допустимых пределах, если общая усадка не превышает 6–9 %, поэтому при изготовлении шамотных изделий шихту составляют из пластичной глины и шамота или другого безусадочного отощителя.

Количеством шамота и величиной его частиц регулируют не только усадку, но и такие важнейшие свойства изделий, как прочность, пористость, термическую стойкость и текстуру. При изготовлении изделий из полукислых глин, имеющих небольшую усадку, количество отощителя может быть уменьшено или его совсем исключают. Если полукислые глины отощать не шамотом, а кварцевым песком, кварцевыми отходами, получаемыми при отмучивании каолина, то усадку полукислых изделий при обжиге можно полностью устранить и даже получить рост.