耐火材料的生產(chǎn)過程概述

1、8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院1一、耐火原料的選擇 耐火原料的選擇從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：（1）化學(xué)觀點(diǎn)：選擇具有高熔點(diǎn)的單質(zhì)或化合物；（2）礦物觀點(diǎn)：選擇具有高耐火度的礦物。 a)元素角度選擇 門捷列夫元素周期表上，從H到V78個(gè)元素中（稀土元素除外）熔點(diǎn)高于2000的有10個(gè)，只有碳（熔點(diǎn)3500，有的書中為3700100）具有耐火材料生產(chǎn)的實(shí)際意義，其它元素的數(shù)量不大。第一節(jié) 耐火材料的選擇與加工8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院2 b)二元化合物 約有9200種二元化合物，約有1010種化合物是耐火的。 氧化物中： 酸性氧化物熔點(diǎn)最低：如SiO21713，TiO21825； 中性氧化物

2、次之： 如Al2O3 2050，Cr2O32275； 堿性氧化物熔點(diǎn)高：如MgO2800，CaO2570， BeO2550，SrO2430. c)三元化合物 約有148000種（除固熔體外），可用作耐火原料的約有2780種。如莫來石（ 3Al2O3 2SiO2）熔點(diǎn)為1870；鎂鋁尖晶石（Al2O3MgO）熔點(diǎn)為2105；鎂鉻尖晶石（Cr2O3MgO）熔點(diǎn)為2350。8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院3d)四元化合物 估計(jì)可用作耐火原料的有400600種，如：堇青石（2MgO2 Al2O35 SiO2）。 合計(jì)可用作耐火原料總數(shù)為4000余種，其中常用于工業(yè)生產(chǎn)的耐火原料只有100種。 why

3、? 除了考慮熔點(diǎn)外，還要看它在自然界中存在的數(shù)量及分布情況，即作為耐火原料還應(yīng)該具有來源廣，成本低廉。在地球巖石層中，硅酸鹽+鋁酸鹽數(shù)量最大占86.5%。金屬Pt的熔點(diǎn)為1772，可以用作耐火原料，但是太昂貴了。8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院4（一）采礦和選礦 1、采礦考慮：儲(chǔ)量豐富，可穩(wěn)定的供應(yīng)原礦， 質(zhì)量波動(dòng)不大，雜質(zhì)含量符合技 術(shù)要求。 綜合利用（具有開采價(jià) 值的要素：品位） 2、選礦：機(jī)械、物理、化學(xué)等方法將所選 目標(biāo)礦物富集，并按礦物中各種礦 物的物理性質(zhì)選用合適的選礦方法。二、耐火原料的加工8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院53、主要方法： 重液法：利用礦物的密度差，在重液中進(jìn)

4、行分離； 磁力法：利用不同礦物具有不同的磁導(dǎo)系數(shù)； 浮選法：利用礦物被液體所潤濕程度的差別來進(jìn)行 （工業(yè)脂肪酸的混合物） 化學(xué)法：利用一系列物理化學(xué)反應(yīng)使礦物分離； 電泳法(電滲選礦法)：利用懸浮液的質(zhì)點(diǎn)(如黏土、高嶺土)帶有電荷,電流通過懸浮液時(shí),帶電的微粒向帶有相反電荷的電極移動(dòng),并沉積在其表面上。8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院68/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院7三、其它成型方法 熱壓成型 （熱塑性、晶界蠕動(dòng)） 致密金剛石、炭化硅、賽?。?）、二氧化鋯、氧化鋁，控制晶粒生長 熱壓注成型埋粉排塑 電熔鑄 等靜壓成型 振動(dòng)成型 3000次/分鐘振動(dòng)，使顆粒重排 設(shè)備：振動(dòng)錘、振動(dòng)臺、振動(dòng)

5、器（耐火混凝土常用）8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院88/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院98/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院10 干燥的重要性 干燥階段 干燥速度與干燥條件的關(guān)系 干燥過程氣孔形成和應(yīng)力產(chǎn)生第四節(jié) 耐火材料的干燥8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院11為什么要進(jìn)行干燥? * 重要工序 使坯體獲得一定機(jī)械強(qiáng)度，有利于裝窯和保證燒成初期能夠順利進(jìn)行;經(jīng)過干燥的半成品得到初步定型,可能暴露成型過程中造成的缺陷,提高成品率. 舉例： 干壓成型水分多，炸窯塑性成型水分多，沒有強(qiáng)度8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院12一、干燥階段8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院138/8/2022材料科

6、學(xué)與工程學(xué)院14 預(yù)備階段（加熱階段） 第一階段（等速階段）: 排出大量的水分，等速干燥、水分蒸發(fā)發(fā)生在坯體表面。（僅與干燥介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)）屬于表面蒸發(fā)率速過程 第二階段(降速階段): 干燥速度降低，干燥介質(zhì)影響較小，（與坯體含水量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)）擴(kuò)散率速過程 第三階段（零速階段）: 平衡水分保留在坯體內(nèi)，大小取決于物料性質(zhì)、顆粒大小、干燥介質(zhì)的溫度與相對濕度 8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院15其中， 可塑成型三階段明顯，不能快速干燥; 半干法成型的三階段不明顯，可以提高干燥速度 .概念： 平衡水分： 干球溫度以上水分:小于100時(shí)保留在坯體中的水分.當(dāng)坯體的含水量與外界條件(周圍空氣)達(dá)

7、到平衡時(shí)所含的水分;8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院16二、干燥速度與干燥條件的關(guān)系 溫度 濕度 流動(dòng)速度（干燥介質(zhì)）（等速干燥影響較為明顯（表面過程）8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院178/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院18三、干燥過程氣孔形成和應(yīng)力產(chǎn)生對坯體水分認(rèn)識： 可塑水：產(chǎn)生最大塑性所需水分，形成潤 滑水膜 收縮水：濕坯干燥達(dá)最大收縮所排出水分 氣孔水：收縮水排出后連續(xù)蒸發(fā)時(shí)排出水 分（剛性體不發(fā)生收縮）8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院191、氣孔形成（粘土磚為例）曲線為粘土的收縮曲線；曲線為水分的排出曲線；點(diǎn)：收縮與排出水分體積相等；點(diǎn)以后：排出水分大于收縮體積，所以產(chǎn)生氣孔

8、。8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院20 干燥時(shí)，內(nèi)部水分不等，存在水分梯度，導(dǎo)致坯體干燥不均勻，使得坯體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力； 等速干燥階段：干燥曲線平行（5%以上）某一點(diǎn)時(shí)，曲線急劇彎曲使表面含水量和中心處不等，表面含水了量等于零，產(chǎn)生不均勻收縮，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力 2、內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院21 應(yīng)力產(chǎn)生表現(xiàn)： 干燥變形 干燥裂紋 應(yīng)力克服措施： 減速干燥階段，采取溫度梯度干燥； 控制干燥速度8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院22四、干燥制度 磚坯進(jìn)行干燥時(shí)，控制條件的總和，包括：干燥時(shí)間，進(jìn)入和排出干燥劑的溫度，相對濕度，坯體干燥前后的水分； 干燥時(shí)間關(guān)系到正確選擇干燥

9、設(shè)備，保證正常生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)性，是重要參數(shù)。8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院23 1、影響干燥時(shí)間因素（干燥速度）物料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)（結(jié)合粘土量、熟料顆粒組成：粗細(xì)）坯體的形狀和大小磚坯最初含水量與干燥后的殘余水分干燥介質(zhì)的溫度、濕度和流速干燥介質(zhì)在干燥器中的溫度降干燥器的密封情況。8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院24 2、干燥后殘余水分的確定 足夠的機(jī)械強(qiáng)度（裝窯，太低水分磚坯脆） 燒成期間能快速升溫（降低不必要的熱工消耗） 磚坯厚度大小決定殘余水分量 不同窯型/不同磚種也決定殘余水分含量（舉例）8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院25 回轉(zhuǎn)窯：含水量低（推車制度決定）； 其他窯： 水分可以提高。

10、 粘土磚：23% 硅磚：12% 鎂磚：0.61.0%（防止水化）8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院264、干燥設(shè)備 隧道干燥器、室式干燥器、其它（利用隧道窯的熱煙氣） 3、具體干燥制度8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院27定義：對坯體進(jìn)行加熱處理，使其達(dá)到燒 結(jié)的過程。 目的：耐火制品（陶瓷）制品的一種熱處理 過程，伴隨著一系列物理化學(xué)變化，使 坯體氣孔率降低（多孔制品例外），體 積密度增大，變?yōu)橐环N具有一定尺寸、 形狀和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度制品，它是耐火材料制 品生產(chǎn)中最后一道工序。第五節(jié) 耐火材料的燒成8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院28（一）燒成過程中的物理、化學(xué)變化 1、坯體排出水分過程（室溫2

11、00 ） 為殘余水分排出，該過程完成較快 8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院29 排出結(jié)晶水，分解，有機(jī)物氧化； 同時(shí)有少量晶型轉(zhuǎn)變和低熔液相產(chǎn)生（粘土制品中的玻璃相）；（氣體體積增大，一般為氧化氣氛）。特征：該階段坯體減輕，氣孔率增大，強(qiáng)度有所下 降（原因：氫鍵消失；由于晶型轉(zhuǎn)變，密堆 結(jié)構(gòu)被改變。2、分解氧化階段（ 2001000）8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院30 3、液相與耐火相合成（1000以上） 特征：致密化、強(qiáng)度增大、體積縮小、氣孔率降低。 將發(fā)生質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散、粘滯流動(dòng)、溶解沉淀傳質(zhì)，液體的表面張力使顆粒之間緊密接觸 8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院31 4、燒結(jié) 液相、固相

12、、反應(yīng)燒結(jié)，氣孔進(jìn)一步消失或變小，是致密化的最重要的物理化學(xué)過程。 5、冷卻 耐火相析晶、晶型轉(zhuǎn)變、玻璃相固化 使坯體強(qiáng)度、密度、體積依品種不同都有相應(yīng)變化 舉例： 質(zhì)耐火材料將發(fā)生：（粉化） 陶瓷將發(fā)生立方向四方和單斜晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院32二、燒結(jié)1、定義：物料經(jīng)高溫作用，變成具有一定強(qiáng)度和氣孔率很低（或無氣孔）的致密石狀物的工藝過程。 燒結(jié)模型 燒結(jié)傳質(zhì)的動(dòng)力 遷移機(jī)制8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院33燒結(jié)系數(shù)：式中，為燒結(jié)前后的氣孔率；燒結(jié)前后的強(qiáng)度；系數(shù)（多孔材料例外）2、衡量燒結(jié)強(qiáng)度的方法 灼減、相對密度、體積密度、吸水率、晶體粒徑、水化強(qiáng)度（堿土

13、金屬氧化物制備耐火材料易水化，致密時(shí)，水化程度減小。8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院34熱態(tài)接觸：質(zhì)點(diǎn)間接觸增加，邊界保留；開始階段：質(zhì)點(diǎn)間邊界消失，新氣孔尚未形成；形成封閉氣孔階段； 燒結(jié)過程中物理性能變化（制品尺寸、體積密度、氣孔率） 3、耐火材料的燒結(jié)過程8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院354、影響燒結(jié)的因素 1、物料的結(jié)晶化學(xué)特性晶格能，晶格能大，鍵力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)牢固，高溫下質(zhì)點(diǎn)的可動(dòng)性小，燒結(jié)困難；陽離子極性：陽離子極性小的離子難以燒結(jié)（難以燒結(jié)）晶粒生長：長大50倍，相對密度95%長大1500倍，相對密度6080%第二相析出，晶粒長大50微米，相對密度不足90%8/8/2022材料

14、科學(xué)與工程學(xué)院36 2、物料分散度（粉碎）粉體的表面積越大，質(zhì)點(diǎn)的可動(dòng)性越強(qiáng)，燒結(jié)活性越高舉例：就可達(dá)到 ，鋁礬土亦同樣 8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院37 3、溫度和保溫時(shí)間型關(guān)系，過于提高燒結(jié)溫度，延長燒結(jié)時(shí)間無益。 4、坯體的致密情況（加強(qiáng)質(zhì)點(diǎn)間的接觸） 高溫下促進(jìn)塑性流動(dòng)； 加快質(zhì)點(diǎn)間擴(kuò)散（增多缺陷數(shù)量）。8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院38 5、外加劑 作用： 固溶體：增加晶格缺陷，活化晶格，提高燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力 液相：表面張力毛細(xì)管力，促使顆粒緊密接觸和致密 重排； 化合物：不利于燒結(jié)致密高耐火層，阻礙燒結(jié)的進(jìn)行；晶型轉(zhuǎn)變的體積效應(yīng)，增加質(zhì)點(diǎn)間遷移距離，阻礙燒結(jié)；外加劑析出晶界，阻礙晶界移動(dòng)。8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院396、液相性質(zhì) 表面張力：直接結(jié)合 粘度：傳質(zhì) 潤濕：產(chǎn)生毛細(xì)管力的前提 組成結(jié)構(gòu)：與晶相類似的核前群越少，越有利于析晶8/8/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院40 7、氣相 增加氣孔率（燒結(jié)時(shí)形成孤立氣孔） 吸附氣相薄膜（阻礙直接接觸，影響傳質(zhì)） 8、氣氛 氣體在固相中溶解度大時(shí)，能促進(jìn)燒結(jié)，否則對燒結(jié)無益。8/