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耐火原料名称注释与规范刍议

2019年03月22日 11:37 耐火材料网 xxb/文

    矿物、岩石的中译名亦有不规范和不准确的,如铝土矿,Bauxite (美国地名 鲍克赛特)并非单矿物,而是含水氧化铝矿物如一水硬铝石,Diaspore ;一水软铝石,Boehmite或三水铝石Gibbsite,或单一矿物或复合矿物的泛称。所以,铝土矿不是矿物而是岩石。我国北方铝土矿以一水硬铝石为主,山东和广西以三水铝石和一水软铝石为主,但都在不同程度上混生有高岭石、叶腊石等铝硅酸盐。

    铝土矿一词在耐火行业被误称为高铝矾土,此误称缘自1952年耐火材料界人员在唐山地区发现以一水硬铝石为主的铝土矿,当年不识为何物。经化学分析发现其Al2O3含量比矾土高很多,遂顺口称之为"高铝矾土"。"矾土"一词本是日语,指煅烧高岭石。日伪时期日本在古冶设"矾土矿公司",开采和烧结当地高岭石运往日本,掠夺中国资源。

    1954年,郁国城最早发表了关于唐山地区铝土矿的研究论文,题目是"水铝石的烧结"。该论文研究的对象是水铝石-高岭石质复合矿石的烧结。认为含高岭石的原料难以烧结,意指莫来石化的膨胀效应影响致密化。遂之,引领了耐火材料界对铝土矿烧结行为的研究。1957年笔者研究粉体铝土矿烧结行为,指出,因莫来石化而导致体积膨胀现象不宜视为不易烧结,莫来石化本身亦属反应烧结。

    早年,国人写文章皆用高铝矾土一词表征铝土矿。直至1984年,高振昕与李广平在硅酸盐学报合写文章,仍用"中国高铝矾土分类研究"题目,实为憾事;不过,将该文译成英文发表用的却是Bauxite。其后醒悟即改称铝土矿,并呼吁同行采用铝土矿名称。2014年笔者和刘百宽合著《中国铝土矿显微结构研究》一书,澄清了以上问题,以正视听。中国铝土矿类型繁多,但主成分皆为Al2O3-SiO2系,其他杂质含量很少,适于直接生产,性价比极高。有些矿石结构复杂、多鲕体,宜于粉碎后均化烧结;但此工艺被人误炒,推行了广泛的"高铝矾土均化烧结料"。在山西等处建设了全机械化粉碎、成型和烧结设备,投入数亿资本。将原本结构均匀的矿石粉碎、成坯和烧结,造成资源、工本浪费和环境污染。更因并未清除原料杂质,均化烧结中形成液相,冷凝成为玻璃相胶结,变得异常坚硬、难以粉碎,不宜于生产而滞销,令业主们受损。

    石英岩, Quartzite主矿物为石英Quartz,希腊人称为"Krystallos",意思是"洁白的冰",他们确信石英是耐久而坚固的冰。石英的结晶状态和颜色多样,从数十厘米尺度的水晶到亚微尺度的微晶;从无色透明到紫色,因应用领域不同而有不同的名称,在岩石-矿物学和工程-珠宝领域都有尽详说明,已为公知。值得一提的是作为耐火原料的石英岩有所谓"隐晶质硅石"名称,专指最适于制造硅砖的山西地区的原料。多少年来,人们一直以为它是部分"非晶态胶结质"石英岩,因其宏观颜色呈红、白相间且分布不均,加之用显微镜检验其中红色部分确实呈现部分"全消光"现象,便想当然地理解为它是胶结质石英岩了。按岩石学定义,依晶体的结晶程度分为显晶质(Macro-crystalline)和隐晶质(Crypto-crystalline),显微镜分辨不清的结构被称为隐晶质,因此,山西石英岩也被误称为"隐晶质石英岩"。此说法由来已久,自1953年便有所闻。然而,愈是简单的、熟悉的亊物愈容易忽略、误解和盲从。过去多年之所以认为它是"胶结硅石",是因为检验仪器分辨力低,看不请楚。当然,这种定义是受时代局限的、狭义的,研究岩石的结构不能局限于光学显微镜,还可以用电镜。前者不能分辨的结构,后者却能分辨其为亚微米至纳米尺度,故应称之为微晶质(Micro-crystalline);至于岩石中白色部分,在显微镜下观察便可发现较大石英晶体可达100μm左右,显然是显晶了。就是说,红白相间的外观颜色,却是显晶与微晶混杂和含有杂质的反映,所以应启用"复合石英岩"称谓,仍属结晶石英岩。

    早年,用显晶质石英岩制造硅砖因其膨胀率较大而易生裂纹、报废,遂采取预煅烧的办法以减少烧成膨胀、裂纹。此举实为错误,因为预烧的原料结构强度低,结合性能不好,显著影响常温和高温力学性能,尤其影响耐侵蚀性能。

    石英的熔点为1713℃,石英岩可直接用作耐火原料。经电熔而得熔融石英,因其晶莹剔透可制成器皿,质量较差或有方石英化失透现象者可用作特殊耐火制品的原料。

    莫来石,Mullite 原是莫尔岛隅见的矿物,依该岛名命之。后来再没发现有此矿物,如今所谓的莫来石都是依化学组成人工合成的产物,亦称Mullite,中文译为莫来石。1963年,德国陶瓷学会报设一期专刊介绍合成莫来石的性状和应用。

    铝硅系矿物热分解可生成部分莫来石和高硅质液相(以化学式表征便写成SiO2,甚至称其为方石英,皆为理论概念,实际并不准确),当与添加的Al2O3反应又生成莫来石,称之为二次莫来石。曾有文章称有"三次莫来石化",实为画蛇添足。

    在我国耐火材料界曾有所谓"全天然莫来石"称谓,开发者要求冶金标准所建立技术标准,在北京召开了讨论会。笔者对此提出明确反对,并发文称:它实际上就是Al2O3含量与莫来石组成接近的、经均化烧结的铝土矿(业内俗称Ⅱ级高铝熟料),不宜单独建立部颁标准。为了彼此妥让,还是建立了YB/T 5267-1999部颁标准,名称改为"全天然料烧结莫来石"。该标准于2005年12月1日作废。

    但是,此亊影响深远,以讹传讹出现了"全天然莫来石"称谓。二十年后的今天,还有一些厂家在网络上发广告出售"全天然莫来石",商家用这些花哨的名称来招揽业外用户;而网站只顾收钱,不问科技尊严。

    烧结氧化铝是人工原料,依Bayer法将铝土矿经化学法提纯和高温烧结而得,首先在德国实施,后由美国生产。 Alcoa公司注册产品名称为"Tabular Alumina®",并说明"Tabular Alumina is a sintered alumina"。中文词典注解为板状氧化铝;烧结氧化铝两种译法,若不看Alcoa公司的产品说明书,自然会按原文直译。问题是自1990年"八五攻关"以来,有人称烧结氧化铝的刚玉晶体只有板面化了,才能符合于Tabular Alumina的显微结构特征,在多种期刊上误传这是刚玉晶体板面化"理论"。其实,所谓的"刚玉晶体板面化" 的显微结构特征乃是烧结氧化铝中刚玉晶体局部空间形成的台阶生长现象,是亚微米尺度的晶体生长现象被误解为宏观结构。由于该论出自某名校,影响深远。

    世人皆知Tabular Alumina 中的刚玉晶体是粒状的,然而,世俗难改,直到2010年,建立YB/T 4216-2010标准才采纳笔者意见,明确叫 烧结刚玉烧结氧化铝,外文名称用 Sintered alumina,中国标准翻译网亦同期发布;但直至今日,行业内甚至期刊上仍叫"板状氧化铝"。

    Alcoa公司驻华代办承认中文叫板状氧化铝不妥,但出于商业利益,他们随行就市,也称板状氧化铝。

    铝锆硅系材料系人工合成材料,分为制品和原料两类型,前者为定形制品,分为Al2O3-ZrO2Al2O3-ZrO2-SiO2两系列,简称锆刚玉和锆莫来石,皆分为熔融和烧结两类;后者为该两系列的散状材料,亦为熔融和烧结两类。

    熔融材料的相组成为共晶结构;烧结材料为两相和三相共生,具有本质区别。

    熔铸锆刚玉砖是四十年代开始用于玻璃熔窑池壁的耐火砖,是用锆英石和氧化铝配料经电熔和铸型的Al2O3ZrO2SiO2三元系制品。为防止生成不耐碱侵蚀的莫来石和提高致密度而添加11.5%Na2O促进生成液相。所以,熔铸AZS制品在化学组成上是Al2O3ZrO2SiO2Na2O四成分;而相组成却是初晶锆、刚玉-ZrO2共晶和玻璃相。熔铸锆刚玉砖的尺寸巨大,在保温条件下冷凝,因冷凝速率不一而形成带状结构,分为均匀带、富锆带和富含玻璃相带。也因熔体冷凝收缩而在中上部区域形成缩孔。

    学界曾有人发表文章,利用Al2O3-ZrO2-SiO2系相图计算熔铸AZS制品的刚玉、莫来石和斜锆石的相组成,忽略了因加入11.5%Na2O而实际上是构成了四元系,实为莫大错误。

    熔铸AZS制品在冷凝过程会因开裂或缩孔容积过大而报废。早年,将其破碎配入原料再行熔融,便属浪费电力资源且影响熔液性状。后来遂将其粉碎作为原料使用,添加适量结合剂经烧结而成为再结合型制品,或直接作散状料使用。

    值得指出的是,制备烧结型Al2O3-ZrO2-SiO2系原料和制品是不可添加Na2O的!

    硅微粉是人工原料。氧化硅微粉(以下简称硅微粉)英文写法为Silica fume,意为"氧化硅烟尘",亦有写成Microsilica的,国人俗称 "硅灰",特指冶炼硅铁合金和单质硅的副产品,系生成气态SiO再氧化成非晶态SiO2的球状微粉,大部分<1μm(含部分纳米粒级。此类副产品的SiO2含量在85%~95%范围,因该材料于上世纪40年代首先由挪威Elkem公司应用于混凝土配料,于是也将其写成Microsilica或注册商标Microsilica®形式。其减水、增强和抗氯侵蚀效果突出。我国铁合金业也在大力开发SiO2微粉的生产。有资料介绍硅微粉的某些指标数据,如粒度分布,其典型数据为:d50 0.359~0.5644μm,d90 1.017~1.692μm,折射率n=1.45~1.54,比表面积18.747~24.444 m2/g,密度d=2.497~2.583g/cm3。DTA分析表明,在500℃左右有个放热峰,表征所含炭素的氧化反应,失重 2.6%;而在1080℃的放热效应则意味着方石英化。

    评价硅微粉更重要的质量指标是球形度,Ψw=(dv/ds)2和尺寸分布,(dv是与颗粒体积相等的球的表面积,ds是颗粒的表面积,Ψw=1为圆球)。用激光粒度仪测粒度分布,用超声波短时间(4min)处理分散不开团聚体,故可见达3μm的粗粒;也曾采用高分辨力扫描电镜和透射电镜分析过三种样品的形貌,确认它们是真实的圆球。

    在化学领域,有 "合成均质氧化硅"一词,Synthetic amorphous silicon dioxide, 亦被称为"气成氧化硅",Pyrogenic silica和"烟尘氧化硅"Fumed silica,是指SiCl4经氢-空气燃烧,在反应器中以热解法合成的纳米级(5~50nm)非晶态氧化硅。

    值得指出的是,容易将Silica fume和Fumed silica混同,其实,不只是写法的不同;而是制备方法和性质上的原则区别,故两者不宜混淆;然而,有时在外文刊物上又经常被混用

    以化学法制备的非晶态SiO2还有溶胶法的Colloidal Silica和Aerosil,其纯度都在99.8%以上。当今,有关硅微粉的文献众多,观点纷纭。

    以上所述只是耐火材料行业对部分原材料的称谓,在其他行业并不一定如此,譬如,在地质学界和炼铝行业就不用高铝矾土一词;而称铝土矿。可见,上述问题属于耐火材料业内俗称,应该更正。

    特别是在科技论著中要严肃对待名词、术语的准确名称,首先应从学校和科研单位入手,加强教学修养;更要求期刊和图书出版部门把关,禁用不规范名词、术语。中国耐火材料网

 

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