第三章 耐火材料生产过程.ppt

1、第三章 耐火材料生产基本工艺过程,绪 言,定型耐火材料的一般生产工艺过程如下：, 煅烧、分级和破粉碎是不可缺少的原料预处理加工工序。, 原料的煅烧和分级实际上已经在矿业公司进行了，但是在耐火材料生产企业，这两项加工工序通常仍然是设置有的。,3-1 耐火原料的加工处理,一、原料的煅烧,1. 原料预烧的必要性目前已无全生料配料的耐火材料生产模式,（1）熟料配料能保证制品烧成后的尺寸准确性，以及制品的体积稳 定性。,（2）熟料配料有利于改善制品的矿物组成及显微组织结构，从而保 证制品具有良好的使用性能。,（3）熟料配料有利于缩短制品的烧成周期，提高生产效率和烧成合 格率。,2. 原料煅烧工艺分类,或

2、者,第三章 耐火材料生产基本工艺过程,（1）活化煅烧：使原料全部或部分组份得到活化，变为活性状态的煅烧过程。如加入适当的添加剂，促使物料体系发生一些相变或分解反应而使组份活化。,（2）死烧：使原料全部达到完全烧结。,二、原料的拣选分级,1. 原料分级的必要性,（1）保证优质品的质量（化学矿物组成）避免劣质原料被用来生 产优质品。,（2）保证优质原料被有价值地利用避免优质原料被用来生产低等级的制品。,2. 拣选对象：耐火粘土、高铝矾土、菱镁矿等,方法：根据熟料的外观颜色、有无显而易见的杂质、比重、致密度等 情况进行人工拣选。,三、原料的破粉碎,1. 破粉碎的重要意义,（1）各种原料只有破粉碎到一

3、定细度，才可能充分混合均匀，从而保证制品组织结构的均匀性。,（2）通过破粉碎将各种原料加工成适当粒度，以保证制品的成型密度。,2. 破粉碎的一般工艺要求,（3）只有将原料粉碎到一定细度，才能提高原料的反应活性，促进高温下的固相反应，形成预期的矿物组成和显微组织结构，以及降低烧成 温度。,（1）粗碎：从300 mm左右破碎到5075 mm。鄂式破碎机。,（2）中碎：从5075 mm 破碎到35 mm。圆锥破碎机或对磙破碎机。,（3）细碎：从310 mm 粉碎到 0.11.0 mm。圆锥破碎机,（4）粉碎：从13 mm 粉碎到0.088 mm。连续式筒磨机或球磨机。,3-2 坯料的制备,一、配 料

4、,所谓坯料，是指化学组成和颗粒组成均符合配方要求的一种多组分均匀混合物。坯料制备包括配料、混练、困料等工序。,1. 配料的含义,（1）按配方准确称取各种原料的质量，使坯料的化学组成满足既定要求 调配化学组成。,（2）按配方准确称取各种粒度的原料质量，使坯料的颗粒组成满足要求 调配颗粒组成。,2. 颗粒组成（颗粒级配）设计,（1）颗粒级配的含义,（2）调配颗粒组成的必要性,颗粒组成和制品性质的关系：,（a）气孔率；（b）常温耐压强度；（c）烧成收缩 （d）透气率；（e）耐热冲击性,3-2 坯料的制备,2. 颗粒组成（颗粒级配）设计, 单一颗粒不可能达到最紧密堆积，只有多种粒径的颗粒合理 配合，才

5、可能获得最紧密堆积。, 可见，增加组份数目可以提高堆积密度，但当组份数目大于 3时，实际意义便不大了。,3-2 坯料的制备,2. 颗粒组成（颗粒级配）设计,以取得最紧密堆积为目的，选择耐火材料的颗粒组成，推荐以下公式：,yi 粒径为di 的颗粒应配入的数量（%）； a 系数，取决于物料性质及细粉含量等因素，一般情况下，a=00.4。 n 指数，与颗粒分布特性及细粉的比例有关，一般地 n=0.50.9。 D 最大（临界）颗粒尺寸 (mm)。,例如，当a=0.31， n=0.5，D=3 mm时，粒径d0.06 mm的细粉配比应为：,yi = 0.31+(10.31)( 0.06/3)0.5 100

6、42%,3-2 坯料的制备,一、配 料, 综上所述，理想的堆积应该是：粗颗粒构成骨架，中颗粒填充于大颗粒构成的空隙中，细粉则填充于中间颗粒构成的空隙中。然而，这种理想堆积在实际生产中是不可能实现的。因为较小的颗粒往往密集于大颗粒之间，而且很少产生自由移动，即使在引入更小的颗粒，情况依然如此。, 通过计算和实验，下列几点原则对指导实际生产颇有价值：,（1）采取多级别颗粒配料可以达到紧密堆积，而且颗粒尺寸相差越大越好，一般相差45倍以上效果较好。,（2）虽然增加颗粒粒度的组份数量有利于提高堆积密度，但当组份数目超过时，效果不再明显。故在实际生产中，通常采取三组份颗粒配料，有时也采取四组份颗粒配料。

7、,2. 颗粒组成（颗粒级配）设计,一、配 料,（3）临界颗粒尺寸大些对提高抗热震性和颗粒紧密堆积有利，但易出现颗粒偏析，从而导致砖坯表面结构粗糙、边棱松散。实际生产中，颗粒上限多取35 mm，但由于品种不同，差别很大，有的大砖和不定型制品可放大到810 mm，甚至 1520 mm。,（4）实际生产中，既要考虑紧密堆积，又要考虑成型的难易性和制品的烧结性。例如，三组分颗粒配料时，理论上大、中、小颗粒的配比应为7：1：2，但由于细粉不多，成型时颗粒间移动困难，成型质量不好，最终导致制品的烧成质量差。因此，实际生产中有时可取6：1：3。, 粗、中、细颗粒的粒径范围尚无统一规定，通常参考以下标准选择：

8、,2. 颗粒组成（颗粒级配）设计,一、配 料,3. 配料方法,重量配料法,容积配料法,准确性较好，误差一般小于2%。,准确性较差，不常用。,二、混练,概念：使各种物料分布均匀化（包括颗粒组成），并促进颗粒接触和塑化的操作过程。, 耐火材料生产的混练过程，由于颗粒粒度相差较大及成型的需要，实际上不是一个单纯的混合过程，而是伴有一定程度的碾压、排气过程。混练的最终目的是使混合料的任意单位体积内具有相同的化学组成和颗粒组成（如下图b所示）。,3-2 坯料的制备,一、配 料,2. 混练质量要求,3. 影响混练质量的因素,二、混练,3-2 坯料的制备, 达到较好混练质量所需要的混练时间，主要与物料的流动

9、性、外加剂的种类（性质）、混练机的结构性能等因素有关。对应于某一种坯料及混练设备，都有一个最佳的混练时间。超过该时间就会造成 “过混合”。而且，最佳混练时间有时相差较大，例如 粘土砖：410 min，镁砖：2025 min。,二、混 练,3-2 坯料的制备,4. 混练过程及混练效率,（1）混练过程,阶段：快速混合过程。配合料的均匀性随混合时间的增加迅速提高。,阶段：扩散混合过程。混合达到一定程度后，配合料的均匀性增加速度明显降低。,阶段：后期混合过程，或称逆混合过程。特点是：混合达到一定程度后，配合料的均匀性不但不再增加，甚至有所 降低。,混练过程中物料混合不均匀度与时间的关系,二、混练,3-

10、2 坯料的制备,4. 混练过程及混练效率,（1）混练过程,阶段包括两种作用： 颗粒偏析。由于重力、 离心力作用，大颗粒产生 偏析现象。 颗粒团聚、捏合。由于 较长时间的混练，受液体 毛细管力、粘结剂附着力、 机械捏合力等作用，物料 产生团聚、捏合。但总体 而言，这两种作用的结果，是使配合料的均匀性波动在一定范围 (h1h2) 之内。,二、混练,3-2 坯料的制备,混练过程中物料混合不均匀度与时间的关系,（2）混练效率, 混合效率可用混合指数 i 来表示。在整个坯料的不同部位进行多点取样，并测定某一组分的含量 C, 就可以计算出整个坯料的混合效率。方法是：, 按有关规定在整个混合料中取 N 个试

11、样并测定某一组分含量 C ；, 根据该组分应有的理论含量 C0 和测定量 C，计算混合百分率 x ；, 计算混合指数 i ：, i 越接近于 1，表示混合效率越高。,二、混 练,三、困料,概念：将经过混练处理的坯料在一定的温度和湿度环境中储放一段时间的过程。,2. 困料的作用,（1）可使坯料中的水分、纸浆废液等分布更加均匀。,（2）提高坯料的结合性、可塑性，改善其成型性能。,陶瓷坯料的陈腐,3-3 耐火材料的成型,一、耐火材料成型方法的分类,1. 按坯料含水率分：,3-2 坯料的制备,2. 按成型工艺特点分：,二、半干法压制成型,1. 压制过程,耐火材料的压制成型过程可 以大致分为以下三个阶段

12、：阶段A: 在压力作用下，颗粒发生 明显的位移，重新分布形成较紧 密的堆积，坯料被压缩明显。,一、耐火材料成型方法的分类,阶段B: 当压力增至 P1 后， 颗粒发生脆性及弹性变形， 坯料被进一步压缩，但呈 阶梯式变化坯料被压 缩到一定程度后，即阻碍 进一步压缩，一旦压力继 续增大到使颗粒再度产生 变形的外力时，坯料的体积又得以被压缩。这种增压压缩的过程短促而频繁，最后，压制过程进入第三阶段。,阶段C: 在极限压力 P2 作用下，坯料不再被压缩，坯体的密度不再增大。,二、半干法压制成型,1. 压制过程, 影响压制的因素很多，其中以颗粒的形状和坯料的湿度对压制的影响最大。同一成型压力下，圆形颗粒多

13、、湿度较大的坯料可望获得较大的成型密度。,二、半干法压制成型,1. 压制过程,2. 砖坯中的压力分布和层密度现象, 成型时施加的压力作功于三个方面： 克服颗粒之间的内摩擦力；克服颗粒与模具壁面之间的外摩擦力； 使坯料产生变形。,3-3 耐火材料的成型,二、半干法压制成型,2. 砖坯中的压力分布和层密度现象, 由于成型时存在的内外摩擦力，使得成型时坯体中的压强呈非均匀分布状态。即坯体中某点的压强随其距受压面的距离增大而降低，从而使得成型坯体的密度亦不均匀，产生所谓的“层密度”现象。, 压强随砖坯厚度改变的关系如下：,Sh = S0exp(-Kh/R),Sh距受压面 h mm 处的压强；S0受压面

14、上的压强； K 与模型结构有关的系数；R坯体截面的当量半径。, 由于坯体的气孔率取决于压强大小，故沿坯体厚度方向的压强落差即在一定程度上确定了坯体密度的均匀性。因此，坯体密度的均匀性可用 Sh和 S0 的比值来估计：, =Sh/ S0 = exp(-Kh/R),显然， 越接近于1，则坯体密度的均匀性越好。,3. 影响坯体密度均匀性的因素,(1) 坯料的性质：包括其流动性、自然堆积密度等。,(2) 坯料颗粒间的内摩擦力及颗粒与模壁间的外摩擦力大小：与 颗粒形状、含水率、塑化剂或润滑剂性质及含量有关。,二、半干法压制成型,2. 砖坯中的压力分布和层密度现象,(3) 加压速度及加压方式。,(4) 坯

15、体的大小、厚薄及形状等。,4. 弹性后效,(1) 概念：压制成型过程中，外加压力取消后，坯体内部的弹性力引起坯体膨胀的作用。,(2) “ 弹性后效” 产生的原因：,(3) “弹性后效”的各向异性及其危害造成砖坯的“层裂”缺陷,内部弹性力,被阻滞于坯体内部的、被压缩的空气,被压缩的、产生一定程度弹性变形的细粉颗粒, 压制成型时，坯体受压方向（纵向）的压力数倍于横向，因而坯体纵向的弹性后效比横向大得多。外力消失后，坯体因弹性后效产生的横向膨胀被模型侧壁所阻止，而纵向膨胀仅被侧壁的摩擦力抵消一小部分，因此砖坯往往在纵向呈现较大膨胀，有的甚至达12%。,二、半干法压制成型,4. 弹性后效, “弹性后效

16、” 引起的上述不均匀膨胀，通常是导致成型砖坯在脱模时产生“层裂”的主要原因。,二、半干法压制成型,(4) 防止“层裂”、改善砖坯成型质量的措施, 调配合理的颗粒级配，提高坯料的自然堆积密度。 选用适当、适量的润滑剂，以及控制适当的含水率，减小坯料颗粒的内外摩擦力。含水率太高易引起层裂水的可压缩性小且具一定弹性 模具结构合理，且模壁光洁度高；有利于空气逸出，减小外摩擦力, 加压方式及加压次数。先轻后重、多次加压、适当延长加压时间有利物料在持续负载作用下产生的塑性变形大。 压力大小及卸载方式。 坯体在压力较小但作用时间长的情况下成型时，比大压力一次性加压产生的塑性变形大。多次间断地卸压比一次性突然

17、卸压好。,4. 弹性后效,二、半干法压制成型,(4) 防止“层裂”、改善砖坯成型质量的措施,3-4 砖坯的干燥,一、干燥的目的（必要性）,1. 提高砖坯的机械强度，以减少砖坯在后续操作过程中的破损。,2. 使砖坯含水率降至入窑烧成的要求，以缩短烧成周期，提高烧成合格率。,二、坯体中的水分,1. 结构水（结晶水）：以OH形式存在于物质结构中，化学键结合，结合力最大，干燥过程中不能被排除。,2. 吸附水：以H2O 形式存在于物料颗粒中的毛细孔中，呈物理-化学结合，干燥过程中不能完全被排除。吸附水的排除不会引起坯体的体积收缩。,3. 自由水：以H2O 形式存在于物料颗粒之间的孔隙中，结合力最弱，干燥

18、过程中可以完全被排除。自由水的排除会引起坯体的体积收缩。,三、干燥过程,通常可以划分为以下四个阶段：,阶段 I: 加热阶段。特点是坯体受热使表面温度迅速上升，吸收的热量使得表面上的水分随之蒸发，干燥速度增大，含水率降低。这个阶段的时间很短。,3-4 砖坯的干燥,三、干燥过程,阶段: 等速干燥阶段。特点是干燥介质传递给坯体表面的热量完全用于水分的蒸发，没有多余热量使坯体表面温度升高，且坯体内部的的水分能及时扩散到表面受热汽化，因此该阶段的坯体表面温度和干燥速度维持恒定，坯体含水率持续明显降低。该阶段是大量自由水被排除的阶段，坯体收缩明显，故被称为 “干燥危险阶段”。,阶段 : 降速干燥阶段。特点

19、是水分的内扩散阻力增大到了不能使内部水分不能及时扩散到表面受热汽化，这样坯体表面吸收的热量除供表面处的水分汽化外还有富余，从而使得坯体表面温度开始继续升高。同时，干燥速度开始逐渐减小；但含水率仍是继续降低。该阶段坯体收缩量不大。,三、干燥过程,阶段: 干燥平衡阶段。特点是水分内扩散的阻力已是足够大，在既有的干燥条件下，残余水分已不能继续排除。于是，干燥过程最终停止干燥速度降为零；坯体表面温度达到干燥介质的干球温度；残余水分一维持恒定。,三、干燥过程,四、干燥制度,干燥制度是砖坯进行干燥时的条件总和。它包括干燥周期、进出干燥器的热风温度与相对湿度，以及砖坯干燥后的含水率等。干燥过程的调控，就是对

20、干燥周期、进出干燥器的热风温度与相对湿度、干燥器内热风的流速等参数进行调节。,1. 影响制品干燥速度的因素,（1）坯料的性质（配料组成）。如对粘土砖而言，结合黏土的性质及配比量对砖坯的干燥周期影响很大。,（2）坯体的初始含水率及干燥后的含水率要求。,（3）砖坯的形状和大小。,3-4 砖坯的干燥,四、干燥制度,（4）干燥介质的温度、湿度、流速。,（5）砖坯干燥时的码放方式涉及砖坯与热风的接触面积、干燥均匀性等。,（6）干燥器的结构和性能干燥器内的温度分布均匀性。,1. 影响制品干燥速度的因素,2. 砖坯干燥残余水分的确定,（1）确保干燥后的砖坯机械强度能满足运输、装窑的操作要求。,考虑以下因素：

21、,（2）满足烧成初期快速升温的要求。,（3）考虑制品的形状、大小及厚薄因素通常大、异型制品的干燥残余水分应控制低一些。,（4）烧成窑炉的性能窑内温差的大小。, 过低的干燥残余水分是没有必要的：, 通常要求残余水分：粘土砖 23%；硅砖12%；镁砖 0.61.0%,四、干燥制度,2. 砖坯干燥残余水分的确定,3-5 耐火材料的烧成,一、烧成的作用,1. 通过烧成处理，使各化学成分发生一系列的物理化学反应，形成稳定的组织结构和矿物组成，从而拥有所要求的高温使用性能。,2. 通过烧成处理，伴随一系列的物理化学反应，使坯体逐渐致密化，形成具有一定尺寸、形状和强度的制品。,二、烧成过程中的物理化学变化,

22、一般耐火材料的烧成过程大致可分为以下几个阶段： 1. 干燥残余水分的排除阶段 （200 ）。无化学反应。气孔率增大。,3-5 耐火材料的烧成,2. 氧化分解阶段 （200 1000 ）。此阶段涉及大量的物理化学反应，但依原料种类而异。化学变化通常主要有：结晶水的排除、碳酸盐和硫酸盐的分解、碳素和有机物的氧化、晶型转变、液相开始出现等。物理变化：气孔率进一步增大、失重明显、强度亦有变化。,二、烧成过程中的物理化学变化,3. 液相及耐火矿物形成阶段 （1000 以上）。部分分解反应继续进行；液相随温度升高不断增多、粘度降低；某些耐火新矿物开始大量生成，并伴有溶解重结晶过程。物理变化：致密化程度提高

23、；体积收缩；气孔率降低；强度增大。,4. 烧结阶段。 坯体中各种反应趋于完全、充分，液相数量继续增加；晶相进一步成长而达到致密化，即所谓 “烧结”。这个阶段与第三个阶段没有明显的区分，应该说，伴随着耐火矿物的生成，烧结过程就开始了。,5. 冷却阶段（最高烧成温度常温）。 主要发生耐火相的析晶、生长，某些晶相的晶型转变、液相的冷凝玻璃化等。同时，制品的强度、密度、体积依品种不同都有相应的变化。,3-5 耐火材料的烧成,二、烧成过程中的物理化学变化,三、烧结,1. 制品烧结的表征指标体积密度（或真密度）、气孔率、吸水率、机械强度（耐压或抗折强度）等。,坯体烧结通常表现为密度增大，气孔率降低，吸水率

24、减小，强度增大。但也并非都如此。例如硅质耐火材料、直接结合碳化硅制品，它们烧结后气孔率不降低甚至增大，但强度也增大。,烧结是陶瓷、耐火材料制品烧成过程中最重要的物理化学过程。所谓 “烧结”，就是指坯体经过高温作用逐渐排出气孔而致密的过程。, 导致气孔排除的两种因素液相的填充和晶粒的生长。,有人提出用所谓的烧结系数 Z 来衡量制品的烧结程度：,2. 影响烧结的因素,（1）物料的易烧性：与键强、晶格能等有关。,（2）物料的细度,（3）烧结温度和保温时间：提高温度和延长保温时间都有利于烧结,（4）坯体中物料质点的接触情况（成型密度）及有无外加压力（如热压烧结）,（5）烧结气氛的影响,（7）外加剂的影

25、响取决于其性质与加入量。,（6）液相的作用：固相质点在液相表面张力作用下的产生重排、溶解沉析形式的传质，以及晶粒生长。高温下液相对烧结的影响，与液相的组成或性质（粘度、润湿能力、表面张力等）有关。, 外加剂与主晶相形成固溶体。固溶体的形成可以增加晶格缺陷，活化晶格，促进烧结。, 外加剂的加入可以促进液相的生成，加速烧结过程。,有利于烧结,外加剂对于烧结的作用有如下几种：, 当外加剂与主晶相生成化合物而不是形成固溶体时，则有可能阻碍烧结过程。 例如，若该化合物的密度与主晶相相差太大，则伴随该化合物的生成将产生较大的体积膨胀。如高铝制品生产中，由于结合粘土的加入引起的二次莫来石化效应。,2. 影响烧结的因素,本章作业题：,1. 耐火材料生产中，为何要对绝大部分原料进行预煅烧？ 2. 何谓颗粒级配？为何配料时要保证适当的颗粒级配？ 3. 何谓骨料？其粒度一般是怎样划分的？ 4. 坯料混练的质量要求及影响混练质量的因素各是什么？ 5. 影响砖坯成型质量的因素有哪些（或提高砖坯成型质量的措施有哪些）？ 6. 影响制品烧结的因素有哪些？,