高鋁鋁礬土的化學(xué)成分主要是Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)以后，絕大部分的Al2O3、Fe2O3(w(Al2O3)>95wt%、w(Fe2O3)>80wt%)進(jìn)入結(jié)晶相;大部分的SiO2、TiO2進(jìn)入結(jié)晶相，但隨著Al2O3含量的變化，SiO2、TiO2進(jìn)入結(jié)晶相的比例有較大的波動(dòng)，w(SiO2)在44~92wt%之間波動(dòng)，w(TiO2)在62~94wt%之間波動(dòng);大部分的CaO和MgO進(jìn)入玻璃相，幾乎全部的K2O、Na2O進(jìn)入玻璃相，詳見圖1。雜質(zhì)對(duì)鋁礬土熟料的影響如下：
(1)TiO2
TiO2是高鋁礬土中含量較高的雜質(zhì)，通常含量為2~4wt%。在II級(jí)高鋁礬土中，大部分的TiO2固溶入莫來石晶格中，小部分的TiO2進(jìn)入玻璃，TiO2對(duì)II級(jí)高鋁礬土的燒結(jié)不利，但對(duì)制品的高溫力學(xué)性能有利;在特級(jí)、I級(jí)和III級(jí)鋁礬土中，TiO2進(jìn)入玻璃相較多，使得液相量增加、液相黏度降低，促進(jìn)了燒結(jié)過程的進(jìn)行，但對(duì)制品的高溫性能不利。
TiO2在高礬土燒結(jié)過程中去向：—部分TiO2進(jìn)入剛玉和莫來石晶格，形成固溶體;一部分TiO2與Al2O3反應(yīng)生成Al2O3·TiO2;其余的TiO2進(jìn)入玻璃相，降低粘度。后兩個(gè)去向?qū)χ破返母邷貦C(jī)械性能不利。固溶體的形成和液相粘度的降低等使得TiO2能顯著降低高鋁礬土熟料的燒成溫度，大約每增加0.4wt%的TiO2，燒結(jié)溫度能降低20℃;TiO2控制在2.3~2.5wt%范圍內(nèi)，能使瓷質(zhì)中結(jié)晶相總量最高，并使Fe2O3在結(jié)晶相中的固溶度最大，使較多的SiO2進(jìn)入玻璃相。
圖1 氧化物進(jìn)入結(jié)晶相的比例隨Al2O3含量的關(guān)系
(2)Fe2O3
Fe2O3在高鋁礬土中是一種有害雜質(zhì)。剛玉相和莫來石相的含量受Fe2O3的含量影響不大，但Fe2O3含量的增加會(huì)使得玻璃相的含量相增加，并且影響相對(duì)較為明顯的，Fe2O3含量每增加1wt%，會(huì)增加約0.7wt%的玻璃相。在高鋁礬土燒結(jié)過程中，Fe2O3大部分進(jìn)入主晶相(剛玉和莫來石)形成固溶體，少部分進(jìn)入玻璃相，還有一部分與Al2O3和TiO2形成固溶體(Al2O3·TiO2，Fe2O3·TiO2)，Fe2O3的存在有利于促進(jìn)燒結(jié)的進(jìn)程。
Fe2O3與TiO2相比，在燒結(jié)過程中降低燒成溫度的能力較低，這是因?yàn)橐合嗔渴?/span>Fe2O3含量的增加而增加很少，Fe2O3降低燒成溫度的作用取決于燒成氣氛，在氧化氣氛中Fe2O3降低燒成溫度的作用較小，并且明顯使燒結(jié)范圍變窄;在還原氣氛中Fe2O3能顯著地降低燒成溫度，這是由于FeO的出現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生較多的液相。
(3)K2O和Na2O
K2O是高鋁礬土的有害雜質(zhì)氧化物，主晶相和玻璃相的含量受K2O含量的增加而有較大的變化。每增加1wt%K2O，玻璃相增加約7wt%，莫來石相含量減少15~20wt%，剛玉相含量增加8~13wt%。圖2為K2O對(duì)燒結(jié)高鋁礬土物相組成的影響的示意圖。
K2O含量的增加會(huì)破壞原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得玻璃相中的有害雜質(zhì)增多，對(duì)高鋁礬土的高溫力學(xué)性能不利。K2O在高鋁礬土燒結(jié)過程中的作用首先是阻礙二次莫來石化進(jìn)程，其次是分解己形成的莫來石(主要是一次莫來石)。
K2O含量對(duì)材料化學(xué)組成的影響主要有以下幾方面：
(a)結(jié)晶相。隨著高鋁礬土中K2O含量增加，燒后高鋁礬土晶相中SiO2降低很快，Al2O3含量增加，TiO2略有降低，即對(duì)SiO2影響最大。對(duì)于I等高鋁礬土，K2O為1.75wt%時(shí)有一轉(zhuǎn)折點(diǎn)：當(dāng)K2O從0.01wt%增至1.75wt%時(shí)，SiO2進(jìn)入結(jié)晶相的比例從87.5wt%降至16wt%，即SiO2進(jìn)入結(jié)晶相的比例快速下降;K2O繼續(xù)增加時(shí)，這一比例降低的速度變慢。而對(duì)于II等高鋁礬土，當(dāng)K2O從0.01wt%增至3.51wt%時(shí)，SiO2進(jìn)入結(jié)晶相的比例從84wt%降低到11wt%，基本呈直線關(guān)系。也就是說，無論I等或II等高鋁礬土，當(dāng)K2O含量小于1.75wt%，其燒結(jié)后K2O全部進(jìn)入玻璃相;而K2O含量超過1.75wt%后，則有部分K2O進(jìn)入結(jié)晶相。如II等高鋁礬土，當(dāng)K2O含量為3.51wt%時(shí)，約有25wt%的K2O進(jìn)入結(jié)晶相。
(b)玻璃相。隨著高鋁礬土中K2O含量增加，燒后高鋁礬土玻璃相中SiO2和K2O增加，其余氧化物減少。
Na2O和K2O相近，也是極有害的雜質(zhì)。
圖2 K2O對(duì)燒結(jié)高鋁礬土物相組成的影響(I-I等高鋁礬土;II-II等高鋁礬土)
(4) CaO
中國地區(qū)鋁礬土中CaO含量一般0.2wt%，個(gè)別地區(qū)達(dá)到2wt%以上。隨著CaO含量的增加，莫來石顯示銳減，鈣長石生成并增長。在該階段，隨著CaO量增多，生成莫來石量迅速減少，鈣長石出現(xiàn)并逐漸增多。一般每增加1wt%，莫來石減少9wt%，鈣長石增加4~5wt%，剛玉增加3~4wt%，玻璃相含量增加0.7~0.8wt%。直到CaO含量超過一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)(對(duì)于I等高鋁礬土CaO含量約6wt%，II等高鋁礬土CaO含量約10wt%)，莫來石全部消失，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭到破壞，高熔點(diǎn)的結(jié)晶相直接結(jié)合率明顯下降，造成材料的性能明顯降低。
(5)MgO
MgO含量對(duì)燒結(jié)高鋁礬土相組成的影響與高鋁礬土中Al2O3含量有密切關(guān)系。對(duì)于I等燒結(jié)高鋁礬土，每增加1wt%MgO，剛玉減少2.5wt%，莫來石增多3.3wt%，此階段對(duì)材料性能影響較小。
