耐火材料屬資源型產業，原料是產品的基礎，天然礦物原料是耐火原料的主體。天然耐火礦物原料品種繁多，如：菱鎂礦、高鋁礬土、白云石、鋯英石、鉻鐵礦、藍晶石族礦物、硅石、石墨、橄欖石、葉蠟石等。一般天然原料化學礦物成分不穩定，雜質多，性能波動大，不能直接作為耐火原料使用，要經過分級、選礦提純、煅燒或電熔等加工工藝過程后才能用來生產耐火材料。只有少數幾種天然耐火礦物原料在自然界中以較純凈的礦物存在，雜質礦物少，且不含或含少量(約5%)結晶水，如：硅石、葉蠟石、橄欖石、紅柱石等，可直接生產耐火制品。這些天然礦物原料在高溫下體積不收縮、不膨脹，或收縮、膨脹不大，性能穩定。天然礦物原料直接使用，簡化了生產工藝，節約能源，降低生產成本，保護環境，是耐火材料工藝技術發展方向之一。以下介紹可直接生產耐火材料的5類天然耐火礦物原料。

　　天然耐火石

　　前些年，江西、福建、廣東等地，將大塊的硅質砂巖、絹云母石英片巖和硅線石石英片巖，俗稱泡砂石、白泡石等，利用切割、鑿磨等工藝，加工成要求的形狀，然后直接砌筑在當地一些小高爐、小電爐、化鐵爐、石灰窯、水泥窯等熱工設備上使用，效果良好?，F在網上仍可以看到推銷“天然耐火石”的廣告，例如：重慶一家公司有成套石材加工設備，加工的耐火石，SiO2逸92%，雜質在2%以下，耐火度1650~1730℃，結晶細且致密，體積密度2.65~2.78g/cm3，顯氣孔率3.2%，高溫使用條件下不開裂，不剝落，強度高，壽命長。

　　國外把天然耐火石分為硅砂巖和石英片巖兩種，美國的硅砂巖是由0.1~0.15mm硅砂組成，由膠質的氧化硅結合。德國的石英片巖是由微細的絹云母薄層與細粒的石英層成互層，呈顯著的片狀構造。根據文獻資料記載，葉蠟石、橄欖石也有切割成要求的形狀，直接砌筑在爐窯上使用。

　　我國對天然耐火石的生產和使用問題不夠重視，筆者建議相關部門組織調研天然耐火石的開采、加工和使用，做到科學合理。同時建議制定耐火材料產品國家標準。特別是現在石材加工設備十分精細，天然耐火石應該有一定的市場前景。

　　天然礦物原料：硅石、葉蠟石、橄欖石、鉻鐵礦1硅石

　　1、硅石：是脈石英、石英巖、石英砂巖的總稱。硅石的主要化學成分是SiO2，是硅質耐火材料的主要原料。SiO2在不同溫度下，以不同晶型存在，一定條件下相互轉化，并伴隨有體積變化和應力。硅磚配料時，如果不加礦化劑，α-石英經過半穩定的方石英轉化為α-方石英，這種轉化叫干轉化，干轉化時，會造成磚制品較大的不均勻膨脹，使制品結構松散和開裂。因此，硅磚配料要加鐵磷、石灰乳等礦化劑，高溫時，產生液相緩沖應力，提高制品的合格率。β-方石英與α-方石英相互轉化，體積變化為+3.7%，γ-磷石英與β及α-磷石英之間相互轉化，體積變化為+0.2%。應該盡量提高硅磚的磷石英含量，減少方石英含量，石英含量越少越好。

　　磷石英具有矛頭雙晶相互交錯的網絡結構，提高硅磚的熱震穩定性，使硅磚有較高的荷重軟化溫度和高溫耐磨等機械性能。

　　2、葉臘石

　　葉蠟石：以葉蠟石(Al2O3·4SiO2·H2O)為主的天然塊狀巖石稱為蠟石，一般含Al2O3約30%，SiO270%~85%，灼減約5%，雜質很少。加熱過程葉蠟石脫水緩慢，脫水后結構未被破壞，體積穩定，不用煅燒，可用生料直接生產耐火材料，既可制磚，又可做不定形耐火材料的骨料和粉料，也可以將致密的塊狀蠟石鋸成要求的形狀，作為天然耐火石使用。

　　筆者分別采用全蠟石生料及煅燒后的蠟石熟料制磚，其制品的理化指標如表1。

　　表1蠟石生料與熟料制品性能

　　采用全生料，簡化了生產工藝，節約了能源，蠟石磚的能耗僅是黏土磚的1/3，而且礦山上的粉礦都能全部利用(如果煅燒熟料，只能用大于20mm的塊料)。

　　3、橄欖石

　　橄欖石：以橄欖石(Mg·Fe)2SiO4為主要礦物的無水硅酸鎂巖石稱橄欖巖。作為耐火原料不用煅燒，可用生料直接使用，既可制磚，也可做不定形耐火材料的骨料和粉料，大塊的橄欖巖還可以加工成天然耐火石，砌筑爐窯。要注意，作為耐火原料，一般FeO含量不能超過10%。橄欖巖風化后能形成蛇紋石(3MgO·2SiO2·2H2O)，因此，一些橄欖巖由于風化而含有一定量的蛇紋石，會有灼減，作為耐火原料，如果用生料，則灼減不能超過5%。可是有人利用宜昌的灼減達9%的橄欖巖作骨料，鎂砂作細粉，生產不燒磚和不定形耐火材料，取得成功。

　　橄欖巖一般含橄欖石40%~75%，當含橄欖石超過90%時稱純橄欖巖。煅燒橄欖巖生成鎂橄欖石(2MgO·SiO2)和頑火輝石(MgO·SiO2)。生產鎂橄欖石磚時，必須加入鎂砂細粉或輕燒鎂粉，使頑火輝石轉變為鎂橄欖石。鎂橄欖石熔點高(1890℃)，使鎂橄欖石耐火制品耐火度高，荷重軟化點高(1580~1650℃)，熱導率低，而且不水化，對鐵的氧化物抵抗力強。近年來代替鎂砂用于中間包干式料，效果很好。

　　4、鉻鐵礦

　　鉻鐵礦：加熱鉻鐵礦約在800℃以上熱膨脹顯著增大，高溫又發生收縮，約從1500℃呈現急劇收縮。由于鉻鐵礦可固溶吸收MgO，會引起晶格膨脹，也就是說在鉻鐵礦中加入MgO，加熱時可以消除它的收縮。1879年曾有人利用天然鉻鐵礦切塊砌筑平爐底和側壁，鋼的質量得到改善。耐火材料用鉻鐵礦要求：Cr2O331%~48%，SiO25%~9%?？墒怯捎诹鶅r鉻有毒，含鉻耐火材料受到限制，影響其發展。

　　耐火原料：藍晶石族礦物、鋯英石、石墨

　　選礦提純后直接使用的耐火原料：藍晶石族礦物、鋯英石、石墨，這些礦物原料，一般有用礦物含量較少，雜質含量較高，必須經過選礦提純，否則不能做耐火原料。

　　1、藍晶石族礦物

　　藍晶石族礦物：俗稱“三石”，即藍晶石、硅線石、紅柱石。他們是同質異晶體，化學式為Al2SiO5或Al2O3·SiO2，但晶體結構各異，藍晶石、紅柱石為島狀結構，硅線石為鏈狀結構。結構緊密程度不一，藍晶石最緊密，密度3.53~3.65g/cm3，加熱1100℃左右開始轉變為莫來石，體積膨脹+18%，其次是硅線石，密度為3.23~3.29g/cm3，加熱1500℃左右開始轉變為莫來石，體積膨脹+7.2%，紅柱石最松，密度為3.1~3.16g/cm3，加熱1400℃左右開始轉變為莫來石，體積膨脹為+5.4%。

　　在Al2O2~SiO2系耐火材料中添加三石，能改變傳統耐火材料的品質。由于三石在高溫下不可逆地轉變為莫來石和SiO2，伴隨體積膨脹，增加了莫來石含量，莫來石的針狀、長柱狀晶體構成交錯的網狀結構，提高了耐火材料性能。由于藍晶石、硅線石膨脹量較大，選出的礦石顆粒較小(一般約0.2mm)，其礦石生料基本與鋁礬土搭配使用，而最好用的是紅柱石，由于它的膨脹率較小，又能選出8mm，5mm的大顆粒，既可搭配使用，也可單獨全部使用生產耐火材料。

　　法國英格瓷公司全面系統研究了紅柱石基本性能及其生產定形燒成、不燒制品和不定形耐火材料。

　　定形不燒及燒成制品，分別有全紅柱石，紅柱石與焦寶石、電熔莫來石、鋁礬土、剛玉搭配制取的。紅柱石與電熔莫來石、電熔剛玉相比，具有降低可逆熱膨脹性、改善熱震穩定性、增強基質結合性、提高耐壓強度、改善抗磨擦和抗磨損性能，以及降低了熱導率。在同焦寶石、鋁礬土搭配使用，改善了制品荷重軟化溫度、抗蠕變性、斷裂模量、抗熱震性及抗腐蝕性。在不定形耐火材料方面，以紅柱石基低水泥澆注料為例，全紅柱石配料的澆注料性能最好，其次是紅柱石-鋁礬土，紅柱石-焦寶石搭配的，比較差的是全鋁礬土配料的澆注料。同時他們還研究了鋼包、脫硫噴槍、水泥窯等熱工設備用的低水泥、超低水泥澆注料，公布了多種定形及不定形耐火材料的配方及生產工藝技術。目前，我國對紅柱石質耐火材料的研究方興未艾，將會有更多的成果。

　　2、鋯英石

　　鋯英石：是鋯的硅酸鹽，化學式為ZrSi4，含ZrO267.23%，SiO232.77%,純鋯英石的熔點2750℃。天然鋯英砂含ZrO257%~66%，其熔點也隨雜質不同在2190~2420℃，是優質耐火原料，具有較低的熱膨脹性，較高的導熱性，較強的化學穩定性。由于鋯英砂基本沒有灼減，因此選出的精礦可直接使用?？墒沁x出的鋯英砂顆粒較小(一般小于0.2mm)，用傳統耐火材料生產工藝要研制大顆粒而煅燒鋯英砂。不過現在已有全生料制磚，即把鋯英砂磨細，尺寸較小的制品采用泥漿澆注法，尺寸較大的制品采用等靜壓成型，1600℃燒成。

　　鋯英石未分解之前沒有相變，1700℃分解出SiO2液相，可以緩沖ZrO2相變晶體脹縮變化，線膨脹率1000℃為0.40%，1300℃為0.41%，與黏土磚相近，燒到850℃放水中急冷反復30次以上無破損，抗熱震性很好。鋯英石也是熔鑄鋯剛玉、鋯莫來石制品的主要原料。還可以配制噴補料、澆注料、搗打料、可朔料等不定形耐火材料。

　　3、石墨

　　石墨：石墨的化學式為C，具有極高的耐火性能，在真空中熔點達3850℃，有滑膩感，耐強酸、強堿及有機溶劑侵蝕，含碳耐火材料具有以下優點。

　　(1)耐高溫，溫度高時，強度增高，2500℃時抗拉強度是室溫的兩倍。

　　(2)抗侵蝕，不為熔融爐渣浸潤。

　　(3)抗熱震性好，在溫度急劇變化狀況下，石墨的體積變化不大，加上良好的導熱性，使制品具有良好的抗熱震性。

　　(4)導電，導熱性良好。

　　(5)潤滑性良好。

　　石墨磚、鎂碳磚、鋁碳磚、Al2O3-SiC-C澆注料、搗打料等含石墨的耐火材料，廣泛應用于煉鋼、煉鐵等重要的使用部位。

　　鋁礬土生料制磚

　　周宗利用B級鋁礬土生料，含Al2O355.57%~67.89%，SiO218.78%~31.90%，Al2O3/SiO2=2.32~3.04，屬于水鋁石-高嶺石型礦物，高溫下發生復雜的體積變化。水鋁石于450~550℃脫水，體積收縮27.7%，高嶺石于1150~1250℃脫水，體積收縮20%，而在1300~1350℃，游離的Al2O3和SiO2生成莫來石，體積膨脹16.5%，原料Al2O3/SiO2的比值不同，體積的脹縮不一，掌握原料的成分，選擇脹縮較小的B級鋁礬土，不經煅燒，直接生產二等高鋁磚、莫來石磚和莫來石-剛玉磚成功，并在大鋼包上使用，效果比用高鋁熟料磚要好。用生料制磚，打破傳統，節約能源(原料煅燒耗能占16%)，簡化了生產工藝，充分利用資源(一般原料煅燒用約2mm的塊料)，降低了成本。

　　用鋁礬土生料能否生產一等高鋁磚、黏土磚，雖然未見報道，但推測應該可行。山西一家耐火廠采用60%生料、40%熟料配比，生產質量完全達到國家標準的一等黏土磚，一些民營企業普遍用全生料生產黏土磚，從外形到內在質量較好。對于一等高鋁磚，如果采用特級礬土與藍晶石配料，特級礬土燒結溫度1450~1500℃，體積收縮20%~22%，藍晶石形成莫來石膨脹18%，精細配料，制定合理的燒成溫度曲線，應該能生產出合格的一等高鋁磚，將使占我國耐火材料總產量75%的Al2O3~SiO2系耐火材料生產企業受益。

　　耐火黏土、球黏土、膨潤土

　　1耐火黏土

　　耐火黏土：黏土由一些極細的顆粒(約0.001mm)黏土礦物組成，種類較多，結構復雜。黏土礦物大致分為高嶺石類(Al2O·32SiO·22H2O)、多水高嶺石類(Al2O·32SiO2·nH2O)、微晶高嶺石類(Al2O3·4SiO2·nH2O)、水云母類，以及含有石英、氫氧化鐵、碳酸鹽、硫化鐵、有機物等雜質，這些礦物含量不同，形成各種性質的黏土，把耐火度達到1580℃以上的黏土稱為耐火黏土，把其中具有結合性和可塑性的軟質及半軟質黏土作為結合劑或燒結劑。

　　2球黏土

　　球黏土：主要由結晶度低的高嶺石、一般粒徑在0.5滋m以下少量蒙脫石、伊利石、石英等組成，屬于高膨脹。因此，耐火原料加熱過程的體積變化，應該從理論到實踐做進一步研究，為擺脫原料煅燒工序打下基礎。

　　可塑性黏土。近年來在吉林、廣西等地發現有球黏土，并在耐火材料生產中得到應用。

　　3膨潤土

　　膨潤土：以微晶高嶺石為主的黏土，一般具有強烈的吸水性，能吸收相當本身8倍的水，吸收后體積膨脹10~30倍，其中含鈉的稱鈉基膨潤土，具有良好的黏結性和耐高溫性，在耐火材料生產中使用性能良好。

　　討論

　　綜上所述，天然耐火礦物原料除了菱鎂礦、白云石、石灰石以外，大部分都可以用生料直接生產耐火材料，其關鍵問題是原料加熱過程的體積變化，即加熱過程的體積變化不能過大，像菱鎂礦含MgO47.81%，CO252.19%，從350℃起排放CO2，1000℃左右完全分解，質地疏松，進一步加熱到高溫燒結時，體積收縮達60%以上。白云石、石灰石與菱鎂礦類似。目前來看還難以用生料直接生產耐火材料。

　　用生料生產時，原料加熱過程體積變化不能過快，因此在制定制品燒成溫度曲線時，要注意在原料脫水、放氣以及礦物轉變時，升溫要緩慢。另外，注意原料的配料，如果兩種或兩種以上原料，必須注意一種膨脹，另一種就要考慮收縮的原料，膨脹與收縮相互消長，達到體積穩定。對于膨脹或收縮的大小還與原料的顆粒大小有關，原料的顆粒越大，則膨脹率越大。若想使耐火制品加熱過程體積均勻變化，配料時必須注意原料體積變化的溫度，例如，藍晶石變化溫度在1100℃左右，紅柱石在1400℃左右，而硅線石在1500℃左右開始體積有較大的膨脹，將他們按一定比例配料，不同溫度錯開膨脹，制品就不會產生開裂。用天然耐火礦物原料直接生產耐火材料，是值得研究的課題，陳偉鵬等[11]研究用電熔鎂砂粉與氧化鋁微粉配料，煅燒成鎂鋁尖晶石，測得的永久體積膨脹率最大達46%。這樣有利于直接利用菱鎂礦生料。日本研究在鎂砂中加入氧化鋁、氧化鈦及B2O3會產生體積結語

　　(1)直接利用天然耐火礦物原料生產耐火材料，不用煅燒(或電熔)，充分利用資源，簡化生產工藝，節能減排，降低生產成本，意義重大。

　　(2)從上述5大類可直接利用生料原料來看，除了菱鎂礦、白云石等少數天然原料，由于灼燒減量過大，需要煅燒或電熔外，大部分天然耐火礦物原料都可以直接使用。但用量最大的高鋁礬土，只是個別單位試生產成功，要做全國推廣，所有Al2O2-SiO2系耐火材料全部使用鋁礬土生料，還任重而道遠。

　　(3)建議有關單位，將天然耐火礦物原料直接生產耐火材料列為課題，從理論到實踐進行深入細致地研究。特別是利用天然原料生料，像紅柱石那樣生產不燒磚，不定形耐火材料，原料不燒，制品不燒，既節能減排，又降低了耐火材料的生產成本。