3. Система CaO-Al2o3-Fe2o3-SiO2

Система CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃-SiO₂ имеет большое значение для теории и практики получения обычных портландцементов, содержащих оксид железа, а также в технологии доломитовых огнеупоров, так как в природном доломите имеются примеси Fe₂O₃, Al₂O₃ и SiO₂. Система детально изучена преимущественно в области с высокой концентрацией оксида кальция.

В частных тройных системах CaO-Fe₂O₃-SiO₂ и Аl₂O₃-Fe₂O₃-SiO₂ тройные химические соединения не образуются. В тройной системе CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃ образуется одно тройное соединение 4CaO ^. Al₂O₃ ^. Fe₂O₃, носящие название браунмиллерит. Это соединение обладает вяжущими свойствами и является одним из минералов портландцементного клинкера.

Диаграмма состояния четырехкомпонентной системы CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃-SiO₂ разделяется на 24 элементарных фазовых тетраэдра, из которых имеют наибольший практический интерес и наиболее изучены следующие: СаО 3СаО ^. SiO₂ 3СаО ^. Al₂O₃ 4CaO ^. Al₂O₃ ^. Fe₂O₃; 3CaO ^. SiO₂ 2CaO ^. SiO₂ 3CaO ^. Al₂O₃ 4CaO ^. Al₂O₃ ^. Fe₂O₃; 2CaO ^. SiO₂ 3CaO ^. SiO₂ 5CaO ^. 3Al₂O₃ 4CaO ^. Al₂O₃ ^. Fe₂O₃; CaO 2CaO ^. SiO₂ 5CaO ^. 3Al₂O₃ 4CaO ^. Al₂O₃ ^. Fe₂O₃.

Рис. 1.90. Сечения элементарного фазового тетраэдра 2CaOSiO₂-5CaO3Al₂O₃-4CaOAl₂O₃Fe₂O₃-CaO с разным содержанием 4CaOAl₂O₃Fe₂O₃

На рис. 1.90 приведены сечения последнего тетраэдра плоскостями, соответствующими содержанию 15,2, 30,4 и 60,8 % соединения 4CaO ^. Al₂O₃ ^. Fe₂O₃ (или 5, 10 и 20 % Fe₂O₃). Сечения реально имеют форму неправильных треугольников, размер которых уменьшается с ростом содержания фазы 4CaO ^. Al₂O₃ ^. Fe₂O₃. Но для наглядности треугольники показаны в виде правильных и равных.

Если сравнить эти сечения с системой, лежащей в основании данного тетраэдра, т.е. системой CaO 2CaO ^. SiO₂ 5CaO ^. 3Al₂O₃, то очевидно, что последняя характеризуется более высокими температурами фазовых равновесий, что осложняет технологию производства белых портландцементов. Введение четвертого композита – оксида железа – приводит к снижению температур фазовых превращений. Происходит некоторое смещение в пространстве областей кристаллизации первичных фаз; при 10 % Fe₂O₃ появляется область первичной кристаллизации 4CaO ^. Al₂O₃ ^. Fe₂O₃, а при 20 % Fe₂O₃ – исчезает область первичной кристаллизации 3CaO ^. Al₂O₃.

Температура появления жидкой фазы в этом тетраэдре – 1341^оС, тогда как в треугольнике CaO 2CaO ^. SiO₂ 5CaO ^. 3Al₂O₃ – 1455 ^оС. Это дает возможность снижать температуру обжига клинкера в присутствии Fe₂O₃.

Важнейшие инвариантные точки системы CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃-SiO₂ приведены в таблице 1.22.

Таблица 1.22. Важнейшие инвариантные точки системы CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃-SiO₂

№	Сосуществующие фазы					Состав, мас.%								Температура, оС
						СаО Fe2O3 Al2О3 SiO2
1.			2CaO . SiO2 + 4CaO . Al2O3 . Fe2O3 + жидкость	49,6	26,8			17,1			6,5		1350
2.		2CaO . SiO2 + 3CаО . Al2O3 + 4CaO . Al2O3 . Fe2O3 + жидкость					12,4		25,5	16,3		5,8			1348
3.		2CaO . SiO2 + 2СаО . SiO2 +3CаО . Al2O3 + 4CaO . Al2O3 . Fe2O3 + жидкость					54,8		16,5	22,7		6,0			1338
4.			2CaO . SiO2 + 3СаО . Al2O3 +5CаО . 3Al2O3 + 4CaO . Al2O3 . Fe2O3 + жидкость	50,0	10,0			34,5			5,6		1280

При обжиге доломитовых огнеупоров благодаря наличию примесей образуются соединения 3CaO ^. SiO₂, 2СаО ^. SiO₂, 3СаО ^. Al₂O₃ и 4CaO ^. Al₂O₃ ^. Fe₂O₃; последние два и обеспечивают спекание.