体积密度表示，一般吸水率小于5%。
硬质粘土熟料是粘土质耐火材料的主要原料。它通常是用直接开采出的硬质粘土生料块在倒焰室，或者回转窑、或者竖窑中锻烧而得。我国盛产优质硬质粘土，尤其是山东淄博等地的硬质粘土(又称焦宝石)成分稳定、质地均匀、结构致密，锻烧后呈白色，Al2O344%～46%左右，Fe2O3小于2％。山西朔州一带出产极低铁含量的优质硬质粘土，其Fe2O3小于0.4%，TiO2小于0.6%，是合成低铝莫来石的优质原料。
除化学组成外，耐火材料生产中要求粘土熟料体积密度高、气孔率、吸水率低，并充分烧结。因此锻烧温度与保温时间对粘土熟料的质量影响尤为显著。1300～1400℃是硬质粘土锻烧的合适温度。硬质粘土熟料的主要矿物相为莫来石，占35%～55%，其次为玻璃相与方石英。硬质粘土熟料理化指标（YB/T5207-2005）见表4-12。
表4-12 硬质粘土熟料理化指标
牌号 Al2O3 % YNS—45 YNS—44 YNS—43 YNS—42 YNS—40 YNS—36 45~50 44~50 43~50 42~50 40~50 36~50 Fe2O3 % ≤1.0 ≤1.3 ≤1.5 ≤2.0 ≤2.5 ≤3.5 耐火度 CN 178 176 176 174 172 168 体积密度 g/㎝3 ≥2.55 ≥2.50 ≥2.45 ≥2.40 ≥2.35 ≥2.30 2.5 2.5 3.0 3.5 4.0 4.0 吸水率 % 杂质含量 % ≤2.0 ≤2.5 ≤3.0 ≤3.5 ≤3.5 ≤4.0
第四节 高铝质原料
高铝质耐火原料是指Al2O3含量大于48％的Al2O3－SiO2系耐火原料，主要包括铝矾土（又称矾土、高铝矾土）、蓝晶石族矿物（也又称为硅线柱或者红柱石族矿物，包括蓝晶石、红柱石、硅线石）以及合成的莫来石等。
一、高铝矾土
我国铝矾土资源探明的储量超过20亿吨，居世界首位。产地从黄河以北的山西、河北和山东穿过中部的河南、湖南和广西，直至西南的贵州和四川。
（一）铝矾土类型
根据铝矾土的矿物组成，中国铝矾土可以划分为两个基本类型：一水型铝矾土（Al2O3·H2O）和三水型铝矾土（Al2O3·3H2O）。一水铝石包括水铝石（一水硬铝石）和勃姆石（一水软铝石）两种。其中一水型铝矾土又可分为水铝石－高岭石型（D－K型）、水铝石－叶腊石型（D—P型）、勃姆石－高岭石型（B－K型）、水铝石－伊利石型（D－I型）、水铝石－高岭石－金红石型（D－K－R型），三水型铝矾土为三水铝石型（G型）。我国的铝矾土主要为一水硬铝石型，占全国总储量的98％；三水铝石型甚少，仅在海南、福建两省有发现；一水软铝石－高岭石型在湖南有开采。出产的铝矾土熟料主要在山西、河南和贵州，次为湖南、广西等。
矾土矿根据氧化铝含量分为不同等级，氧化铝含量分别大于75%、70~75%、60~70%、55~60%和45~55%的矾土，分别对应为特级、一级、二级、三级、四级和五级。
（二）铝矾土的加热变化
中国铝矾土主要是水铝石－高岭石型（D－K），某些二级铝矾土含有勃姆石，个别的还含有一些白云母；有些三级铝矾土含有一定数量的地开石。
铝矾土的加热变化可以分为三个阶段：分解阶段、二次莫来石化阶段和结晶烧结阶段。 1.分解阶段（400～1200℃）
400~1200℃温度范围为铝矾土的分解阶段。在该阶段，铝矾土中的水铝石和高岭石在400℃时开始脱水，至450～600℃反应激烈，700～800℃完成。水铝石脱水后形成刚玉假象，此种假象仍保持原来水铝石的外形，但是边缘模糊不清，折射率较水铝石低，在高温下逐步转变成刚玉。高岭石脱水后形成偏高岭石，950℃以上时偏高岭石转变为莫来石和非晶态SiO2,后者在高温下转变为方石英。其反应式为：
400～600?C?-Al2O3?H2O(水铝石) ??????-Al2O（刚玉假象）＋H2O? 3～600?CAl2O3?2SiO2?2H2O(高岭石) ?400????Al2O3?2SiO（偏高岭石）＋2H2O?2?C（3Al2O3?2SiO2）(偏高岭石) ?950???3Al2O3?2SiO（刚玉假象）＋4SiO（非晶态SiO2）22 2.二次莫来石化阶段（1200～1400℃或者1500℃）
在1200℃以上，从水铝石脱水形成的刚玉与高岭石分解出来的游离的SiO2继续发生反应形成莫来石，被称为二次莫来石：
1200?C3Al2O3＋2SiO2 ??????3Al2O3?2SiO（二次莫来石）2
在二次莫来石化时，发生了约10％的体积膨胀。同时在1300～1400℃以下时铝矾土中的Fe2O3、TiO2和其它杂质与Al2O3、SiO2反应即可形成液相，Fe2O3、TiO2也可进入莫来石的晶格形成固熔体。液相的形成，有助于二次莫来石化的进行，同时也为重烧阶段准备了条件。
3.重晶烧结阶段（1400～1500℃）
在二次莫来石化阶段，由于液相的形成，已经开始发生某种程度的烧结，但是进程很缓慢。只有随着二次莫来石化的完成，重晶烧结作用才开始迅速进行。在1400～1500℃以上，由于液相的作用，刚玉于莫来石晶体长大，1500℃时约10μｍ，到1700℃分别为60μｍ和90μｍ；同时，微观气孔在1200℃到1400～1500℃之间约为100～300μｍ，基本保持不变；在1400～1500℃以后迅速缩小与消失，气孔率降低，物料迅速趋向致密。
（三）铝矾土的烧结
影响铝矾土烧结的主要因素是二次莫来石化、液相及铝矾土的组织结构。
二次莫来石化是D—K型铝矾土在煅烧过程中必然发生的反应，该反应往往引起10％左右的体积膨胀，对烧结起妨碍作用。其原因一是生成二次莫来石时由于比重的变化引起物料本身的体积增大；二是由于颗粒间发生二次莫来石反应而相互推开，从而在颗粒间形成空隙。另外，反应时在颗粒周围首先形成莫来石薄膜也妨碍了铝、硅离子的进一步扩散，使反应难趋完全。
二次莫来石的形成量与铝矾土中水铝石、高岭石的相对含量有关。如果高岭石加热分解出的SiO2与水铝水分解出的Al2O3正好达到莫来石的组成，则二次莫来石的量将会达到最大。研究与生产实践都证明，Al2O3含量在65～70％的二级铝矾土，Al2O3/SiO2比值接近莫来石的Al2O3/SiO2比值，在煅烧后莫来石的含量最高，二次莫来石化程度最大，最难于烧结；而Al2O3含量较高或者较低的特级或三级铝矾土烧结较容易，温度也较低。
铝矾土的分散度对二次莫来石化的影响也是显著的。铝矾土原矿煅烧时，由于矿物分布
不均匀，颗粒反应后互相推开而引起的膨胀起重要的作用，这种作用使得反应无法趋于完全，而生成的空隙往往不易弥合，使铝矾土难于致密化。原块铝矾土除组织结构较均匀的特级和三级在1500℃以下达到烧结以外，其它铝矾土往往吸水率较高。若将铝矾土细磨制坯后煅烧，分散度提高，二次莫来石化进行的较早，并易于完全，在较低的温度下即产生膨胀，对烧结有利。
由于烧结基本上开始于二次莫来石化完成的温度，所以充分的二次莫来石化是铝矾土达到烧结的必要条件，特别对二级铝矾土尤为重要。
液相是影响铝矾土烧结的另一个重要因素。铝矾土煅烧时所形成的液相量（一、二级铝矾土约10％，三级约20～30％）不足以填满颗粒间的全部空隙。在这种情况下，液相的作用首先是把固体颗粒拉在一起，使它们互相接触。但二次莫来石化引起的膨胀却是把它们推开，两个相反的作用同时进行。在1400～1500℃以内时，液相的数量较少、流动性较低，二次莫来石化起主导作用。在1400～1500℃以上时，二次莫来石趋于完全，液相数量和流动性都增大，液相烧结作用明显显现，成为烧结的主导因素。液相使固体颗粒基本上都相互接触之后，就逐渐发生着固体颗粒的溶解与析晶过程，逐步导致晶粒堆积致密，直到最后形成连续的固相骨架，液相填充空隙，使铝矾土完成烧结。但液相也有其有害作用的一面，若液相量增多，或者它的熔点、粘度降低，则降低了铝矾土的高温性能。
铝矾土的组织结构即均匀致密程度及鲕状体的数量与分布，直接影响到铝矾土熟料的烧结程度与致密性。如鲕状体较多的二级铝矾土，组织结构复杂，不均匀，烧后一般呈黄、白两色，白色为水铝石富集部分，黄色为高岭石以及一些杂质集中部位，且常有膨胀现象，烧结困难。
（四）矾土熟料
铝矾土熟料主要通过竖窑、倒焰窑、回转窑煅烧。燃煤竖窑料的烧结均匀性较差、杂质含量较高，倒焰窑和回转窑料烧结质量高。高铝矾土熟料理化指标行业标准（YB/T5179-2005）见表4-13。不同烧结方法的矾土熟料性能见表4-14。多数采用原块铝矾土直接煅烧熟料，矾土熟料的混级现象时有发生，通常采用人工挑选对熟料分级。而回转窑熟料的表观区分困难，无法人工分级，若混级现象严重，会影响熟料的使用。因此，铝矾土煅烧前分级很重要。通过铝矾土的均化、细磨、压坯、煅烧工艺，可从根本上解决熟料的混级问题，但该工艺增加熟料成本。
表4-13 高铝矾土熟料理化指标（YB/T5179-2005）
代号 GL－90 GL－88A GL－88B GL－85A GL－85B GL－80 GL－70 GL－60 GL－50 化学成分(质量分数)，% Al2O3 ≥89.5 ≥87.5 ≥87.5 ≥85 ≥85 >80 70～80 60～70 50～60 Fe2O3 ≤1.5 ≤1.6 ≤2.0 ≤1.8 ≤2.0 ≤2.0 ≤2.0 ≤2.0 ≤2.5 TiO2 ≤4.0 ≤4.0 ≤4.0 ≤4.0 ≤4.5 ≤4.0 － － ― CaO+Na2O ≤0.35 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.5 ≤0.6 ≤0.6 ≤0.6 K2O+Na2O ≤0.35 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.5 ≤0.6 ≤0.6 ≤0.6 体积密度 g2cm-3 ≥3.35 ≥3.20 ≥3.25 ≥3.10 ≥2.90 ≥2.90 ≥2.75 ≥2.65 ≥2.55 吸水率 % ≤2.5 ≤3.0 ≤3.0 ≤3.0 ≤5.0 ≤5.0 ≤5.0 ≤5.0 ≤5.0 表4-14 山西高铝矾土熟料理化指标
窑型 竖窑料 倒焰窑料 回转窑料 倒焰窑料 Al2O3 % >86 >86 >86 91.3 SiO2 % / / / 2.9 Fe2O3 % <2.0 <1.6 <1.50 1.13 TiO2 % <4.0 <4.0 <4.0 4.41 CaO+MgO % <0.4 <0.4 <0.4 0.39 K2O+Na2O % <0.25 <0.25 <0.25 0.14 体积密度 g2cm-3 >3.0 >3.3 >3.3 3.47 二、蓝晶石族矿物
蓝晶石族矿物是指化学式均为Al2O32SiO2的一组无水铝硅酸盐类矿物，包括蓝晶石、红柱石和硅线石，因而有时也把它们统统成为硅线石族矿物或者红柱石族矿物。三者为同质多变体，化学成分相同，含Al2O362.93％，SiO237.07％。但是由于其生成条件与晶体结构的差异，其表现出来的物理性质又各具特点（见表4-15）。
世界上目前已探明的蓝晶石族矿物储量约为3.8亿吨，其中蓝晶石1.08亿吨，红柱石1.75亿吨，硅线石1.14亿吨。我国蓝晶石矿物的储量约有0.11亿吨，红柱石为0.67亿吨，硅线石为0.12亿吨。目前发现的大型矿床有：蓝晶石矿：河南南阳市隐山，江苏沭阳县韩山，新疆契布拉盖等；红柱石矿：新疆拜城、库尔勒，辽宁岫岩－凤城，河南西峡等；硅线石矿：黑龙江鸡西－林口，河南西峡－内乡－镇平－叶县，福建莆田县，内蒙古土贵乌拉等。国内已先后建成了多个蓝晶石、红柱石和硅线石选矿厂，三种精矿年生产能力数万吨，广泛用于制作耐火材料制品和不定形耐火材料。三种矿物的开始莫来石化温度不同，莫来石化体积效应不同，因此其用途和制砖工艺也不同。行业标准规定蓝晶石族精矿性能见表4-16。
蓝晶石族矿物耐火度高达1830℃，抗化学腐蚀，热膨胀性低，其制成品有较好的耐磨性和较高的机械强度，荷重软化温度高，耐急冷急热性好，因此是耐火材料用优质原料。蓝晶石、硅线石和红柱石不需预先煅烧，可直接作耐火原料。利用蓝晶石高温一次永久性膨胀特性，直接加入到不定形耐火材料（浇注料、可塑性、火泥等）中作高温膨胀剂，可以提高其荷重软化温度，耐压强度以及消除它们在高温下产生的收缩。加入量以5～15%为宜，粒度一般小于0.2㎜(100～200目)。
表4－15 蓝晶石族矿物性质
矿物性质 晶系 蓝晶石 三斜 a＝0.710nm，α＝90°05′ 晶格常数 b＝0.774nm，β＝101°02′ c＝0.557nm，γ＝105°44′ 结构 晶形 颜色 密度/g2cm-3 相对硬度 莫来石 效应 开始温度 体积变化 岛状 柱状、板状或长条状集合体 青色、蓝色 3.53～3.65 异向性∥c轴5.5 ⊥c轴6.5～7 1100℃左右 +18％ 1400℃左右 +5.4％ 1500℃左右 +7.2％ 红柱石 斜方 a＝0.778nm， b＝0.792nm， c＝0.557nm， 岛状 柱状或放射状集合体 红、淡红 3.13～3.16 7.5 硅线石 斜方 a＝0.744nm， b＝0.759nm， c＝0.575nm， 链状 长柱状、针状或纤维状集合体 灰、白褐 3.23～3.27 6～7.5
表4-－16 蓝晶石族原料精矿的技术条件
精矿名称 牌号 化学成分/% Al2O3≥ Fe2O3≤ TiO2≤ K2O+Na2O≤ LOI≤ 耐火度/CN ≥ 水分/% ≤ 1500℃线膨胀率/% 蓝晶石 LJ-58 58 0.8 1.5 0.3 1.5 179 1 必须进行此项检验，将实测数据在质量证明书中注明 179 179 175 179 179 175 LJ-55 55 1.5 2.0 0.5 硅线石 GJ-58 58 1.0 1.0 0.5 GJ-54 54 1.5 1.0 1.0 HJ-58 58 1.0 1.0 0.5 红柱石 HJ-55 55 1.5 1.0 0.8 HJ-52 52 2.0 1.0 1.2 三、莫来石
莫来石是以3Al2O322SiO2结晶相为主要成分的耐火原料。其化学成分为Al2O371.8％，SiO228.2％。矿物结构为斜方晶系；晶形呈柱状、针状；体积密度3.03g2cm-3，莫氏硬度6~7，熔点为1870℃，导热系数（1000℃）为3.95W/（m2K）,线膨胀系数(20~1000℃)为
－
5.3310-6℃-1。
合成莫来石的种类很多。按照合成的方法有烧结莫来石和电熔莫来石；按原料化学成份有低铝莫来石、中铝莫来石、高铝莫来石及锆莫来石等；若按照使用原料种类则有全天然料合成莫来石（矾土基）、高纯莫来石等。
（一）烧结莫来石
烧结法合成莫来石所采用的原料组合有：1）工业氧化铝和高岭土；2）工业氧化铝和硅石；3）工业氧化铝和铝矾土（Al2O3含量较低）；4）氢氧化铝和高岭土；5）天然精选铝矾土。烧结莫来石行业标准规定理化性能见表4-17，莫来石的牌号根据Al2O3含量大小分为45%、60%、70%和75%四个，根据杂质含量分别分为两个牌号。
合成莫来石原料的制备有干法和湿法之分。煅烧窑炉主要是回转窑与隧道窑。干法工艺是将配合料放入球磨机或混合机中共同混合，经压球或者压坯后用回转窑或隧道窑烧成；湿法工艺是将配合料与水加入到球磨机中湿法混磨，泥浆压滤成泥饼，经真空挤出成型机挤制成泥段或泥坯分别用于回转窑和隧道窑煅烧。
与干法工艺比较，湿法工艺制得的莫来石坯料质量更优，结构均匀性好，体积密度高；隧道窑煅烧利于控制莫来石熟料的微观结构与晶体发育状况。
表4-17 烧结莫来石理化性能（YB/T5267-2005）
牌 号 M75 M70－1 M70－2 M60－1 M60－2 化学成分，% Al2O3 73～78 68～73 68～73 57～62 57～62 TiO2 ≤0.5 ≤0.5 ≤3.5 ≤0.5 ≤2.5 Fe2O3 ≤0.5 ≤0.5 ≤1.5 ≤0.5 ≤1.5 Na2O+K2O ≤0.5 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.3 ≤0.3 体积密度 g2cm-3 ≥2.90 ≥2.85 ≥2.75 ≥2.65 ≥2.65 显气孔率 % ≤3 ≤3 ≤5 ≤5 ≤5 耐火度 CN 180 180 180 180 180