Nguyên liệu chịu lửa là những nguyên liệu thiết yếu cần thiết để sản xuất các sản phẩm vật liệu chịu lửa.Chúng tạo thành nền tảng cho việc sản xuất vật liệu chịu lửa.Phần lớn nguyên liệu thô chịu lửa là khoáng chất tự nhiên, chẳng hạn như đất sét chịu lửa, bauxite hàm lượng nhôm cao, silica, crômit, magnesit, cao lanh, magie olivin, zircon, andalusite, cacbua silic, corundum, v.v. Với sự cải tiến liên tục về hiệu suất toàn diện yêu cầu của vật liệu chịu lửa, nguyên liệu thô công nghiệp và vật liệu tổng hợp nhân tạo, như alumina công nghiệp, mullite tổng hợp, sợi chịu lửa nhân tạo và quả cầu rỗng chịu lửa nhân tạo, ngày càng được sử dụng nhiều trong sản xuất vật liệu chịu lửa.Chất lượng và hiệu quả chi phí của sản phẩm chịu lửa phần lớn phụ thuộc vào việc lựa chọn đúng và sử dụng hợp lý nguyên liệu thô.
Nguyên liệu thô chịu lửa có thể được phân loại dựa trên tính chất hóa học của chúng thành nguyên liệu thô chịu lửa có tính axit, nguyên liệu thô chịu lửa có tính kiềm và nguyên liệu thô chịu lửa trung tính.Chúng cũng có thể được phân loại theo nguồn gốc thành nguyên liệu khoáng sản tự nhiên và nguyên liệu thô tổng hợp nhân tạo.Nói chung, trong sản xuất vật liệu chịu lửa, nguyên liệu thô được phân loại thành vật liệu chính và vật liệu phụ.
Nguyên liệu thô được sử dụng để sản xuất các sản phẩm chịu lửa, dù là khoáng chất tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo, phải, từ góc độ khoáng vật học, có độ chịu lửa đủ cao để đáp ứng các thông số kỹ thuật yêu cầu của sản phẩm.Từ góc độ quy trình, chúng phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản của quy trình sản xuất.Xem xét hiệu suất của các sản phẩm có nguồn gốc từ chúng, chúng phải có khả năng đáp ứng các yêu cầu sử dụng của sản phẩm, đặc biệt là nhu cầu về hiệu suất ở nhiệt độ cao.
Nguyên liệu thô chịu lửa thường được phân loại thành nguyên liệu thô chịu lửa nhôm-silic (như silica, đất sét, nhôm cao, v.v.), nguyên liệu thô chịu lửa kiềm, nguyên liệu thô chịu lửa cách nhiệt và các nguyên liệu thô chịu lửa khác.
1. Nguyên liệu thô
Do hiệu ứng thể tích của các biến thể thạch anh, gạch silic cũng được sản xuất trực tiếp bằng đá silic.Đá silic bao gồm nhiều loại khác nhau như thạch anh tĩnh mạch, thạch anh, đá lửa và sa thạch.Thành phần chính trong đá silic là SiO2, các thành phần khác được coi là tạp chất.Nguyên liệu silic được sử dụng trong vật liệu chịu lửa được phân loại rộng rãi thành các hạt tinh thể và đá silic liên kết.
2. Nguyên liệu thô
Đất sét chịu lửa là nguyên liệu chính để sản xuất vật liệu chịu lửa alumino-silicat, yêu cầu về độ chịu lửa của nó vượt quá các loại đất sét cứng, mềm (bán mềm) khác nhau và đá phiến sét có khả năng chịu nhiệt độ trên 1580 ° C, gọi chung là đất sét chịu lửa .
Đất sét chịu lửa tự nhiên thường bao gồm chủ yếu là khoáng sét, với kaolinit (Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O) là thành phần chính, đại diện cho silicat ngậm nước.Nó đi kèm với thạch anh tự do, limonit, goethite và chất hữu cơ tạo thành hỗn hợp.Khoáng chất không đồng nhất này chủ yếu bao gồm các hạt phân tán có đường kính nhỏ hơn 1,2μm.
Dựa trên các quá trình hình thành khác nhau của đất sét, nó có thể được phân loại thành đất sét nguyên sinh và đất sét thứ cấp.Đất sét sơ cấp là đất sét được hình thành do sự phong hóa của đá mẹ (chẳng hạn như fenspat) vẫn còn nguyên sau quá trình phong hóa.Đất sét thứ cấp hay còn gọi là đất sét trầm tích là loại đất sét được vận chuyển đến các vị trí khác và tái lắng đọng trong điều kiện động lực tự nhiên.Nó có kích thước hạt mịn, độ phân tán cao và độ dẻo cao.
Đất sét chịu lửa thường được sử dụng trong ngành vật liệu chịu lửa có thể được phân loại thành hai loại sau:
(1).Đất sét cứng:
Đất sét cứng có đặc điểm là cấu trúc đặc, độ cứng cao, hạt cực mịn, khả năng phân tán trong nước kém và độ dẻo rất thấp.Loại đất sét này thường có màu xám nhạt, xám trắng hoặc xám.Nó có bề mặt gãy giống như vỏ sò, một số có cảm giác mịn và trơn, dễ bị phong hóa và vỡ thành từng mảnh.
(2).Đất sét mềm (bán mềm):
Đất sét mềm (bán mềm) thường tồn tại ở dạng khối, có cấu trúc lỏng lẻo, mềm và độ dẻo tương đối tốt.Màu sắc của loại đất sét này thay đổi đáng kể do sự khác biệt về loại và nồng độ tạp chất.Nó có thể có màu từ xám, xám đậm đến đen và trong một số trường hợp, nó có thể có màu tím, đỏ nhạt hoặc trắng.
3. Vật liệu nhôm cao
(1) Bauxit:
Bauxite là nguyên liệu thô chính để sản xuất alumina nung chảy màu nâu.Clinker có hàm lượng nhôm cao với hàm lượng Al2O3 từ 88% đến 90% được dùng làm nguyên liệu chính cho corundum bán bở.Để sản xuất alumina nung chảy màu trắng, corundum đậm đặc, v.v., nhôm oxit được sử dụng làm nguyên liệu thô.Bauxite còn được gọi là đá phiến có hàm lượng nhôm cao hay đá phiến alumina, với thành phần khoáng vật chính là diaspore (Al2O3 • H2O) và boehmite (Al2O3·3H2O).
Trung Quốc có trữ lượng bauxite cực kỳ dồi dào, với các khu vực sản xuất trải dài từ Sơn Tây, Hà Bắc và Sơn Đông phía bắc sông Hoàng Hà, qua Hà Nam và Quảng Tây ở khu vực miền trung, đến Quý Châu và Vân Nam ở phía tây nam.Các khu vực sản xuất clanhke hàm lượng nhôm cao ở Trung Quốc hiện nay là Sơn Tây, Hà Nam và Quý Châu.Ngoài ra còn có một số mỏ nhỏ hơn đang được phát triển ở Hồ Nam.Các khoáng chất chính của bauxite hàm lượng nhôm cao ở Trung Quốc bao gồm diaspore, boehmite, kaolinite và pyrophyllite.Dựa vào thành phần khoáng chất, chúng được phân thành ba loại: loại diaspore-kaolinite (DK), loại boehmite-kaolinite (BK) và loại diaspore-pyrophyllite (DP).Trong số đó, bauxite hàm lượng nhôm cao loại DK được sử dụng rộng rãi nhất.Clinker hàm lượng nhôm cao loại DK được phân loại thêm dựa trên hàm lượng Al2O3 thành các loại S, I, IIA, IIB, III, v.v.
(2) Corundum thiêu kết và Corundum hợp nhất
Sản xuất corundum nhân tạo sử dụng alumina công nghiệp hoặc bauxite có hàm lượng alumina cao làm nguyên liệu chính và được nấu chảy trong lò hồ quang điện.Ngoài ra, oxit nhôm giống tấm corundum có thể được sản xuất bằng phương pháp thiêu kết.Trong phương pháp này, bột alumina công nghiệp là nguyên liệu thô chính và quá trình này bao gồm nung, nghiền mịn, tạo hạt và thiêu kết.Phương pháp sản xuất này đặt ra những thách thức về mặt kỹ thuật, nhưng sản phẩm thu được có độ bền cao, khả năng chống xói mòn mạnh và độ ổn định sốc nhiệt tốt.
Thuật ngữ "corundum bán bở" về cơ bản dùng để chỉ corundum nung chảy dày đặc dựa trên bauxite hàm lượng nhôm cao, với hàm lượng Al2O3 vượt quá 98% và độ xốp rõ ràng dưới 4%.Nó được sản xuất bằng cách nấu chảy bauxite hàm lượng nhôm cao bằng điện trong điều kiện giảm khí quyển và được kiểm soát.Các tinh thể corundum có dạng hạt, thường có kích thước từ 1 đến 15 mm, với các tạp chất chính bao gồm hematit, nhôm titanate và dung dịch rắn của chúng.
(3) Mullit
Mullite là vật liệu chịu lửa có thành phần chủ yếu là pha tinh thể 3Al2O3·2SiO2.Mullite có thể được phân thành hai loại: mullite tự nhiên và mullite tổng hợp.Mullite tự nhiên rất hiếm và thường được sản xuất tổng hợp.Mullite thể hiện tính chất hóa học ổn định và không hòa tan trong axit hydrofluoric.Nó sở hữu các tính chất cơ và nhiệt ở nhiệt độ cao tuyệt vời.
Mullite tổng hợp và các sản phẩm của nó được đặc trưng bởi mật độ cao, độ tinh khiết cao, độ bền kết cấu ở nhiệt độ cao, tốc độ rão thấp ở nhiệt độ cao, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, khả năng chống xói mòn hóa học mạnh và khả năng chống sốc nhiệt.
(4) Khoáng sản nhóm Silimanite
Các khoáng chất thuộc nhóm silimanite bao gồm kyanite, andalusite và sillimanite, thường được gọi là "ba viên đá".Những khoáng chất này có cùng thành phần hóa học nhưng có cấu trúc tinh thể khác nhau, phân loại chúng thành dạng đa hình.Khi đun nóng đến nhiệt độ cao, chúng đều chuyển hóa thành mullite, tạo ra một lượng nhỏ SiO2 nóng chảy kèm theo sự giãn nở thể tích.
Do sự khác nhau về mức độ giãn nở nhiệt giữa các khoáng chất này nên việc sử dụng trực tiếp chúng cũng khác nhau.Bởi vì andalusite thể hiện sự thay đổi thể tích tối thiểu trong quá trình nung nóng nên nó được sử dụng trực tiếp ở trạng thái thô, để làm gạch hoặc làm chất phụ gia.Mặt khác, sillimanite và kyanite thường được thêm vào dưới dạng chất mở rộng vào hỗn hợp, đặc biệt trong sản xuất vật liệu chịu lửa không định hình.Khi sử dụng để làm gạch, chúng cần được nung thành clinker, đặc biệt trong trường hợp kyanite, chất này phải được nung kết thành dạng clinker.
4. Vật liệu chịu lửa kiềm
4.1 Vật liệu magie
(1) Quặng magnesit
Ở Trung Quốc, quặng magnesit chủ yếu được phân thành hai loại: quặng magnesit kết tinh và quặng magnesit vô định hình.Các khu vực phân phối chính của quặng magnesit là ở các tỉnh Liêu Ninh và Sơn Đông.Tạp chất chính trong quặng magnesit là talc, và một số quặng magnesit cũng chứa hàm lượng CaO cao hơn, với dolomite là khoáng chất thứ cấp.Ở Trung Quốc, quặng magnesit được phân thành 5 cấp (S, I, II, III, IV) dựa trên thành phần hóa học của nó.Chỉ có loại S và I được sử dụng để nung cát magie để sản xuất gạch magie.
Sử dụng phương pháp tuyển nổi hai bước và phương pháp nung hai bước để điều chế cát magie có độ tinh khiết cao, cát magie có độ tinh khiết cao thu được qua quá trình này có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô để phát triển các sản phẩm chịu lửa hiệu suất cao khác nhau.
(2) Các khoáng chất chứa magie khác
Trong vật liệu chịu lửa magie, các sản phẩm chế tạo từ forsterite, thành phần khoáng vật chủ yếu là forsterite (2MgO·SiO2) và pericla (MgO).Những sản phẩm này được đặc trưng bởi khả năng chống oxy hóa sắt nóng chảy mạnh mẽ và độ ổn định sốc nhiệt của chúng vượt trội so với gạch magiê thông thường.Nguyên liệu chính để sản xuất các sản phẩm này là dunite và secpentinite.
4.2 Vật liệu Dolomit
Dolomite là vật liệu chịu lửa chủ yếu bao gồm muối phức hợp của magie cacbonat (MgCO3) và canxi cacbonat (CaCO3).Công thức hóa học của nó là CaMg(CO3)2 hoặc MgCO3 • CaCO3, với thành phần lý thuyết là CaO 30,41%, MgO 21,87%, CO2 47,72%.Tỷ lệ CaO/MgO là 1,39 và độ cứng của nó là 3,5 đến 4.
Trung Quốc có nguồn tài nguyên dolomite dồi dào và phân bố rộng rãi, được biết đến với độ tinh khiết tương đối.Khu vực xung quanh Dashiqiao ở tỉnh Liêu Ninh có trữ lượng đặc biệt phong phú.Các tỉnh như Sơn Đông, Hồ Bắc, Thiểm Tây, Quảng Tây, Cam Túc, Giang Tây, An Huy, Tứ Xuyên, Vân Nam và Hồ Nam đều có trữ lượng dồi dào.Các mỏ dolomite thường gắn liền với đá vôi và magnesit.
5, Nguyên liệu thô sản phẩm dựa trên zirconi
(1) Đá zircon
Zircon (ZrO2·SiO2 hoặc ZrSiO4) là nguyên liệu thô chính để sản xuất các sản phẩm dựa trên zirconi và các sản phẩm zirconia.Địa điểm sản xuất zircon chính ở Trung Quốc là tỉnh Hải Nam.Nó cũng được tìm thấy ở tỉnh Quảng Đông, Khu tự trị dân tộc Choang Quảng Tây, tỉnh Sơn Đông, tỉnh Phúc Kiến và tỉnh Đài Loan.
Thành phần lý thuyết của zircon là ZrO2 67,01%, SiO2 32,99%.Nó thường chứa các nguyên tố vi lượng như Ti, Fe và các oxit đất hiếm khác, mang lại mức độ phóng xạ khác nhau.Vì vậy, cần có biện pháp bảo vệ cần thiết khi sử dụng nguyên liệu thô này để sản xuất sản phẩm.
Zircon có độ dẫn nhiệt tương đối thấp, đo 3,72 W/(m·K) trong khoảng từ 20 đến 1000oC.Hệ số giãn nở của nó cũng tương đối thấp, đạt 4,6 × 10-6/oC ở 1000oC.Các hệ số giãn nở theo hai hướng, vuông góc và song song với trục chính (trục C), thể hiện sự khác biệt đáng kể trong các tinh thể đơn lẻ.Zircon thể hiện tính trơ hóa học cao, chống lại phản ứng với axit.Nó phản ứng ở mức độ thấp hơn với thủy tinh nóng chảy và thường được sử dụng trong vật liệu chịu lửa cho ngành công nghiệp luyện kim và thủy tinh.
(2) Zirconia đơn tà
Zirconia đơn tà tự nhiên (ZrO2) thường xuất hiện dưới dạng khối không đều ở dạng màu đen, nâu, vàng hoặc không màu.Các mỏ zirconia đơn nghiêng tự nhiên rất hiếm ở Trung Quốc.ZrO2 cấp công nghiệp, một nguyên liệu hóa học thô, thu được thông qua các phương pháp hóa học từ zircon (ZrO2·SiO2) và xuất hiện dưới dạng bột màu trắng hoặc hơi vàng.
ZrO2 tinh khiết có ba pha tinh thể ở áp suất khí quyển: đơn tà, tứ giác và lập phương, theo thứ tự nhiệt độ tăng dần.
ZrO2 ổn định có thể được phân loại tiếp thành ZrO2 ổn định một phần và ZrO2 ổn định hoàn toàn, trong đó ZrO2 ổn định hoàn toàn có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn và độ ổn định sốc nhiệt thấp hơn ZrO2 ổn định trước.Do đó, ZrO2 ổn định một phần thường được sử dụng làm chất làm cứng trong gốm sứ và vật liệu chịu lửa.
(3) Zirconia đã sấy khô
Trong quá trình sản xuất vật liệu chịu lửa zirconia corundum (AZS) đúc hợp nhất ở nước ngoài, ngoài việc sử dụng tinh chất zirconium silicat, một lượng nguyên liệu thô "ziconia đã khử ẩm" nhất định được thêm vào.Mục đích gồm hai phần: điều chỉnh và ổn định công thức cũng như cải thiện và tối ưu hóa hiệu suất sản phẩm.
(4) Zirconia Corundum Mullite
Nguyên liệu ban đầu của sản phẩm này là alumina công nghiệp, cao lanh và zircon.Chúng được nghiền mịn, trộn đều, ép bán khô thành từng viên và thiêu kết ở nhiệt độ 300 đến 1700°C.Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tăng hàm lượng zircon dẫn đến nhiệt độ thiêu kết cao hơn, giảm tổng độ co ngót và tăng lỗ chân lông kín.Những phản ứng này góp phần làm cho mullite zirconia corundum thiêu kết có mật độ và độ bền cao hơn, cũng như khả năng chống ổn định sốc nhiệt tốt hơn.
6. Nguyên liệu sản phẩm dựa trên crom
Một trong những nguyên liệu chính để sản xuất vật liệu chịu lửa gốc crom như gạch crom, gạch crom-magiê và gạch magie-crom là quặng crom hoặc crom.Cromite là hỗn hợp của nhiều khoáng chất khác nhau và thành phần của nó dao động đáng kể, dẫn đến sự thay đổi cả về tính chất hóa học và vật lý.Nó thường bao gồm các khoáng chất hạt crom, với các khoáng chất này thường là magie silicat, chẳng hạn như secpentine, forsterit và olivin.Ngoài Cr2O3, quặng sắt crom còn chứa Al2O3, Fe2O3, MgO, v.v. Cách biểu diễn chung cho crômit do có chứa magie và sắt nên thường được biểu thị là (Mg, Fe) Cr2O3.
Các vật liệu được đề cập là nguyên liệu thô chịu lửa thường được sử dụng.Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ vật liệu chịu lửa, sự đa dạng của nguyên liệu thô đã trở nên phong phú hơn.Trong những năm gần đây, người ta đã tập trung phát triển các vật liệu tổng hợp nhân tạo có hiệu suất tốt hơn và các nguyên liệu thô tái chế tài nguyên thân thiện với môi trường hơn (như sắt silicon nitride và seelon), do lo ngại về môi trường và sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên.
