1 氧化铝（高铝）耐火材料相图分析及分类
氧化铝(Al2O3)是一种广泛应用的耐火材料，占据了耐火材料总量的主要部分。含有50wt%以上氧化铝的耐火材料，通常被称为氧化铝耐火材料。
低含铝（如50%）的耐火材料是一种优质的高岭土耐火材料，具有较高的体积稳定性和强度，能够抵抗环境和高温下的腐蚀侵蚀。与其他传统耐火材料相比，它们还具有更好的抗磨损、抗侵蚀、抗热冲击和抗蠕变能力。
2.氧化铝（高铝）耐火材料历史
随着含铝量的增加，氧化铝耐火材料的性能也有显著的提高。 在20世纪40年代前半期，氧化铝-二氧化硅（Al2O3-SiO2）砖以高岭土为主要原料，在许多工业应用中开始使用，是氧化铝耐火材料的主要发展之一。拜耳工艺在制造高纯氧化铝（和铝）方面的商业成功，为制造高纯氧化铝耐火材料开辟了新的前景。该工艺还提供了一类全新的氧化铝原料，如煅烧、熔融和塔布拉尔氧化铝，产生了新的高含铝耐火材料生产线。此外，加工技术的发展，如研磨、分离、混合、压制和烧制，随着时间的推移有了很大的改善，导致了耐火材料制造技术的进步。所有类型的耐火材料产品的技术改进都导致了更好的性能和更低的消耗。其结果是传统耐火材料的产量下降，特别是基于高岭土的Al2O3-SiO2耐火材料。
3.氧化铝（高铝）耐火材料主要第二相即相图简介
氧化铝耐火材料中第二大氧化物相是二氧化硅，它们覆盖了Al2O3-SiO2相平衡图的主要部分，如图6.1所示。相图中低含铝区和高含硅区代表了硅土和高岭土耐火材料。如果我们增加纯硅成分中的氧化铝含量（从零开始），首先出现的是硅质耐火材料（~97% SiO2 和~0.5% Al2O3）。稍微增加氧化铝含量，减少二氧化硅含量，就会产生通用型二氧化硅耐火材料（~94% SiO2 和~2% Al2O3）。增加氧化铝含量可产生半硅质高岭土耐火材料（65%-80% SiO2 和18%-25% Al2O3）。进一步增加氧化铝含量会产生含有以下成分的高岭土耐火材料：~25-45 wt% Al2O3，然后是氧化铝耐火材料。同样，氧化铝耐火材料也根据其含铝量来分类。一般来说，分类为50%、60%、70%、80%、90%和99%的含铝耐火材料。所有基于Al2O3-SiO2相图的主要耐火材料类别都在图1中标出，以便更好地理解。
图1 氧化铝和氧化硅耐火材料二元相图
氧化铝-二氧化硅耐火材料的技术特性，通常用氧化铝（Al2O3）-二氧化硅（SiO2）相平衡图（图1）来说明。相平衡图是一张温度和成分的"地图”，显示了在给定温度和平衡状态下，材料内部不同成分的"相"或离散区域/体积元素。其原理是，特定的成分将产生特定品质的耐火材料。图1显示了以摩尔百分比为单位的成分和以摄氏度为单位的温度。该系统有多种更新的表示方法，但基本事实保持不变。
4 氧化铝耐火材料相图分析
（1）一种称为莫来石（3Al2O3·2SiO2）的化合物，是氧化铝和二氧化硅混合物加热后形成的反应产物或结果。莫来石的理论成分为71.6%的Al2O3和28.4%的SiO2（或60摩尔%的Al2O3）。莫来石是一种非常难熔的化合物，其熔点为1850℃。当耐火材料中Al2O3的成分接近72%时，由于莫来石的存在，材料的耐火度通常会增加。在莫来石的理论成分附近，会形成莫来石固溶体（称为"莫来石ss"）。
（2）该图在1595℃处有一条"固相"线，这意味着成分范围从略低于100% SiO2（0% Al2O3）到莫来石成分（摩尔比60 % Al2O3或约重量比72 % Al2O3），在温度低于1595℃时（SiO2和莫来石之间的二元共晶温度），只会出现固相（例如，一种形式的水晶–SiO2–或玻璃和莫来石）。“玻璃"一词表示玻璃体和非晶相的存在。它可以与少量的"游离"或未结合的结晶二氧化硅共存。当温度超过1595℃时，在此成分范围内的耐火材料显然是无用的，因为它将部分液相或熔化（在图1中表示为"Liq.”）。
（3）高于约72% Al2O3时，固相线位于1840℃，表明成分在略高于72% Al2O3到略低于100% Al2O3的范围内，在温度低于1840℃之前不会熔化。当成分接近100% Al2O3时，材料的耐火度通常会增加。
5 氧化铝耐火材料分类-根据相图
纯Al2O3的熔点约为2050℃。 Al2O3-SiO2相图可用来解释氧化铝-二氧化硅砖在一般"耐火度"变化。下面将详细讲解耐火度等级的变化，并附有对产品用途的评论。不难看出，随着图表向右移动（增加耐火材料中Al2O3的含量），耐火度会增加，这是因为莫来石含量增加和/或因为凝固温度跃升到摩尔比为60 %以上Al2O3。耐火度增加的原因是玻璃含量（玻璃相的数量）减少，从而使材料在长期高温下具有更高的抗收缩性。 （注，以下产品性能的描述均在无渣腐蚀或碱侵蚀条件下）
(1) Al2O3低于50%，根据相图可以得出有耐火粘土熟料莫来石和玻璃（可含有 "游离 SiO2 ")；此类耐火材料通常由100%的耐火粘土制成，最高质量等级的耐火粘土的温度可达1600℃（"超级耐火砖"），通常含有38%-42%的Al2O3，以耐火粘土矿物为基础。
(2) 50% Al2O3或60% Al2O3组成的高铝耐火材料，根据相图，硅线石、红柱石或蓝晶石，主要相-莫来石，次要相-玻璃（可含有游离 SiO2 )；不能用100%粘土制成，因为粘土中Al2O3含量较低。由60%的氧化铝矿物制成，含有一些耐火粘土。可以用铝土矿和粘土。使用温度超过1700℃。
(3) 70% Al2O3 莫来石，相图上的物相：主要相-莫来石。用铝土矿制造的产品，含有刚玉、莫来石和玻璃。可用铝土或煅烧铝土矿和粘土制成；使用温度可超过1750℃。
(4) 80% Al2O3 和85% Al2O3，铝土矿，相图上的物相：主要相为刚玉，少量莫来石和玻璃；由煅烧铝土矿制成，通常用于铝接触耐火材料。
(5) 90% Al2O3耐火材料，氧化铝，相图上的物相：主要相为刚玉，另有少量莫来石和玻璃。铁水接触砖通常含有熔融Al2O3 ，以增强耐磨性；由板状和/或熔融合成(拜耳法)氧化铝集料制成。使用温度超过1800℃。
图表上有自然的 “分界线”。耐火粘土的铝含量通常最高为38%至40% Al2O3，因此仅由粘土制成的耐火材料属于耐火粘土类，其使用极限接近1600°C（表1）。氧化铝含量次之的矿物包括硅线石、蓝晶石和红柱石，它们的铝含量都在60%左右 Al2O3。因此，50%和60% Al2O3级的砖必须大量含有这些矿物，使其具有更高的使用温度。耐火材料中使用的下一种氧化铝含量较高的矿物是煅烧（烧成）铝土矿，它是80%和85% Al2O3级产品的基础。如果氧化铝含量较高，则必须使用合成或拜耳法煅烧和烧结（片状）氧化铝。片状氧化铝集料和煅烧氧化铝可用于90%或99% Al2O3级耐火砖产品。
5 氧化铝耐火材料助熔剂
任何有关氧化铝-二氧化硅耐火材料的讨论都必须包括原料中 “助熔” 氧化物的影响，因为它们会影响耐火材料的性能。在天然粘土中，碱以各种形式存在–碱含量以氧化钠（Na2O）或氧化钾（K2O）表示。这两种助熔剂对粘土砖的烧成和使用性能都有影响。其他助熔剂如氧化钙（CaO）、氧化铁（FeO或Fe2O3）和二氧化钛（TiO2）也存在。更多的助熔剂通常意味着烧成的耐火材料中含有更多的玻璃。因此，如果粘土质耐火砖的助熔剂含量较低，则其使用性能会更好（例如，抗剥落性能更强）；也就是说，莫来石含量越高，抗剥落性能越强，而玻璃含量越高，抗剥落性能越差。
6 采用相图分析需要注意的问题
关于相平衡的最后一点，耐火材料通常不处于热平衡状态。这意味着可能存在非平衡相。例如，一块耐火粘土砖含有煅烧矾土骨料（作为污染物），其总体成分为50% Al2O3。尽管相图显示不应该存在刚玉，但这种烧结砖仍含有刚玉。在烧制过程中，如果时间过长，刚玉就会消失（形成莫来石）。相图总是指示耐火材料中潜在反应的方向，但不能保证反应一定会完成。
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