紅柱石原料在耐火材料中的應用及加熱變化
紅柱石(Al2O3·SiO2)是一種天然礦物，具有熱導率低、體積穩定、機械強度高、抗蠕變性和抗CO侵蝕性能優良等特點，可不經煅燒直接用于制造耐火材料，廣泛地應用于冶金和建材等行業。與焦寶石、高鋁礬土、燒結莫來石和棕剛玉等高鋁耐火原料相比，紅柱石在高溫下轉化為一種特有的復合結構：具有毛細孔的網狀莫來石和填充于其中的富硅玻璃相。因而具有優異的抗渣性和抗熱震性能。研究表明：紅柱石的莫來石化反應受到化學成分、溫度和粒度等因素的影響，很大程度上決定了紅柱石制品的性能。本文就紅柱石的組成與結構、加熱過程中的變化和典型應用分別進行了闡述。
紅柱石的組成與結構
紅柱石通常呈柱狀晶體，其橫斷面接近四方形。紅柱石相的含量一般在90%~95%，雜質成分在晶體內定向排列，在橫斷面上呈十字形，稱空晶石，通常為碳質、鐵的氧化物、云母(絹云母和黑云母)、鈦鐵礦和石英，有些雜質也會出現在紅柱石的晶格中。在世界范圍內，紅柱石儲量豐富，主要產地為南非和法國，含量通常在8%~25%(w)。市售紅柱石的粒度從2μm到8mm不等，Al2O3含量在55%~61%(w)之間。
紅柱石的晶體結構屬于斜方晶系，a=0.778nm，b=0.792nm，c=0.557nm，z=4。Al-O八面體以共棱方式聯結，沿c軸方向連成鏈狀，鏈間以配位數為5的Al和Si-O四面體相聯結。陰離子有兩種配位情況：一是參加Si-O四面體，與1個Si和2個Al相聯結;二是不參加Si-O四面體，只與3個Al相聯結。紅柱石晶體成斜方柱狀，與Al-O八面體鏈延伸方向一致。Al-O八面體中的Al3+被Fe3+取代呈紅色，被Mn3+取代呈綠色。
2、紅柱石的加熱變化
紅柱石具有明顯的各向異性。M.Ghassemi等人沿紅柱石的不同結晶方向進行取樣(見圖1)，測定并比較了其在900℃以下的膨脹行為，此時樣品并未發生相變，仍為紅柱石相，結果如圖2所示：a軸方向的熱膨脹系數最大，c軸方向的熱膨脹最小。此外，紅柱石顆粒中的石英夾雜在450~600℃之間發生不可
溫度繼續升高時，紅柱石礦物不可逆地轉變為87%(w)的莫來石(3Al2O3·2SiO2)和13%(w)的玻璃相(SiO2)，這一反應也常被稱為莫來石化。其反應式如下：
(1)
紅柱石的莫來石化過程可以分為兩個步驟：低于1400℃，莫來石和二氧化硅可能出現在紅柱石晶格的活化缺陷處，如晶界、解理平面和其他多維空間缺陷(固相反應);高于1400℃，莫來石出現于液相中(液相反應)。典型的莫來石化過程如圖3所示。隨著煅燒溫度提高到1600℃，莫來石和玻璃相的含量逐漸增加。紅柱石在1300℃顯著分解，轉化率在1400℃增大。玻璃相的化學成分則與雜質礦物的種類與分布有關。
脫離具體情況來討論紅柱石的開始分解和完全轉化溫度是沒有意義的。在紅柱石制品的實際燒成中，除溫度外，還必須考慮粒度和雜質的影響。紅柱石的分解是從顆粒表面開始、逐漸向顆粒內部推進的，粒度越小，比表面積越大，表面能越高，燒結溫度越低。
CaO、MgO和TiO2這三種添加劑通過降低液相生成溫度、提高液相量、降低液相粘度這三個方面來促進紅柱石的莫來石化，其中MgO的效果最為顯著，而TiO2的效果最小。Fe2O3和R2O的影響與此類似，而ZrO2的作用則相反。夾雜物在礦物基質中越是分散，在莫來石化進程中產生越多的晶核，加速莫來石化反應的進行。紅柱石晶粒中的碳夾雜同樣應該被視為加速反應的因素。碳被燒掉后提高了晶粒的比表面積，加速了反應初始階段的擴散進程。在晶粒內部，碳與硅的氧化物共存，碳熱還原反應的發生使得莫來石化進程更容易進行。