耐火材料的生產(chǎn)過程 - 3

1、4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院1 耐火原料的選擇從耐火原料的選擇從進(jìn)行考慮：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；）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。）礦物觀點(diǎn)：選擇具有高耐火度的礦物。 門捷列夫元素周期表上，從門捷列夫元素周期表上，從H到到V78個(gè)元素個(gè)元素中（稀土元素除外）熔點(diǎn)高于中（稀土元素除外）熔點(diǎn)高于2000的有的有10個(gè)，個(gè)，（熔點(diǎn)（熔點(diǎn)3500，有的書中為，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。不大。第一節(jié)第一節(jié) 耐火材料的選擇與加工

2、耐火材料的選擇與加工4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院2 約有約有9200種二元化合物，約有種二元化合物，約有種化合物是耐火的。種化合物是耐火的。 氧化物中：氧化物中： 酸性氧化物熔點(diǎn)最低：如酸性氧化物熔點(diǎn)最低：如SiO21713，TiO21825； 中性氧化物次之：中性氧化物次之： 如如Al2O3 2050，Cr2O32275； 堿性氧化物熔點(diǎn)高：如堿性氧化物熔點(diǎn)高：如MgO2800，CaO2570， BeO2550，SrO2430. 約有約有148000種（除固熔體外），可用作耐火原料的約種（除固熔體外），可用作耐火原料的約有有種。如莫來石（種。如莫來石（ 3Al2O3 2SiO2）熔點(diǎn)

3、為）熔點(diǎn)為1870；鎂；鎂鋁尖晶石（鋁尖晶石（Al2O3MgO）熔點(diǎn)為）熔點(diǎn)為2105；鎂鉻尖晶石；鎂鉻尖晶石（Cr2O3MgO）熔點(diǎn)為）熔點(diǎn)為2350。4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院3 估計(jì)可用作耐火原料的有估計(jì)可用作耐火原料的有種，如：堇種，如：堇青石（青石（2MgO2 Al2O35 SiO2）。）。 合計(jì)可用作耐火原料總數(shù)為合計(jì)可用作耐火原料總數(shù)為4000余種，其中余種，其中常用于工業(yè)生產(chǎn)的耐火原料只有常用于工業(yè)生產(chǎn)的耐火原料只有100種。種。 why? 除了考慮熔點(diǎn)外，還要看它在自然界中存在的除了考慮熔點(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)該具有數(shù)量及分

4、布情況，即作為耐火原料還應(yīng)該具有。在地球巖石層中，硅酸鹽。在地球巖石層中，硅酸鹽+ +鋁酸鹽鋁酸鹽數(shù)量最大占數(shù)量最大占86.5%86.5%。金屬。金屬PtPt的熔點(diǎn)為的熔點(diǎn)為17721772，可以，可以用作耐火原料，但是太昂貴了。用作耐火原料，但是太昂貴了。4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院4 儲(chǔ)量豐富，可穩(wěn)定的供應(yīng)原礦，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)含量符合技質(zhì)量波動(dòng)不大，雜質(zhì)含量符合技 術(shù)要求。術(shù)要求。 綜合利用（具有開采價(jià)綜合利用（具有開采價(jià) 值的要素：品位）值的要素：品位） 機(jī)械、物理、化學(xué)等方法將所選機(jī)械、物理、化學(xué)等方法將所選 目標(biāo)礦物富集，并按礦物中各種礦目標(biāo)

5、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。物的物理性質(zhì)選用合適的選礦方法。4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院5利用礦物的密度差，在重液中進(jìn)行分離；利用礦物的密度差，在重液中進(jìn)行分離；利用不同礦物具有不同的磁導(dǎo)系數(shù)；利用不同礦物具有不同的磁導(dǎo)系數(shù)；利用礦物被液體所潤濕程度的差別來進(jìn)行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）（工業(yè)脂肪酸的混合物）利用一系列物理化學(xué)反應(yīng)使礦物分離；利用一系列物理化學(xué)反應(yīng)使礦物分離；利用懸浮液的質(zhì)點(diǎn)利用懸浮液的質(zhì)點(diǎn)(如黏土、如黏土、高嶺土高嶺土)帶有電荷帶有電荷,電流通過懸浮液時(shí)電流通過懸浮液時(shí),帶電的微粒向帶帶電的微粒向帶有相

6、反電荷的電極移動(dòng)有相反電荷的電極移動(dòng),并沉積在其表面上。并沉積在其表面上。4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院64/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院7三、其它成型方法三、其它成型方法 熱壓成型熱壓成型 （熱塑性、晶界蠕動(dòng)）（熱塑性、晶界蠕動(dòng)） 致密金剛石、炭化硅、賽?。ㄖ旅芙饎偸?、炭化硅、賽隆（ ）、二氧化）、二氧化鋯、氧化鋁，控制晶粒生長(zhǎng)鋯、氧化鋁，控制晶粒生長(zhǎng) 熱壓注成型熱壓注成型埋粉排塑埋粉排塑 電熔鑄電熔鑄 等靜壓成型等靜壓成型 振動(dòng)成型振動(dòng)成型 3000次次/分鐘振動(dòng)，使顆粒重排分鐘振動(dòng)，使顆粒重排 設(shè)備：振動(dòng)錘、振動(dòng)臺(tái)、振動(dòng)器（耐火混凝土常用）設(shè)備：振動(dòng)錘、振動(dòng)臺(tái)、振動(dòng)器（耐火混凝

7、土常用）Sialon4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院84/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院94/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院10 干燥的重要性干燥的重要性 干燥階段干燥階段 干燥速度與干燥條件的關(guān)系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)生干燥過程氣孔形成和應(yīng)力產(chǎn)生第四節(jié)第四節(jié) 耐火材料的干燥耐火材料的干燥4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院11 * 重要工序重要工序 使坯體獲得一定機(jī)械強(qiáng)度，有利于裝使坯體獲得一定機(jī)械強(qiáng)度，有利于裝窯和保證燒成初期能夠順利進(jìn)行窯和保證燒成初期能夠順利進(jìn)行;經(jīng)過干燥經(jīng)過干燥的半成品得到初步定型的半成品得到初步定型,可能暴露成型過程可能暴露成型過

8、程中造成的缺陷中造成的缺陷,提高成品率提高成品率. 舉例：舉例： 干壓成型水分多，炸窯干壓成型水分多，炸窯 塑性成型水分多，沒有強(qiáng)度塑性成型水分多，沒有強(qiáng)度4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院124/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院134/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院14排出大量的水分，等速干燥、水分蒸發(fā)發(fā)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)）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)率速過程屬于表面蒸發(fā)率速過程 干燥速度降低，干燥介質(zhì)影響較小，（與坯干燥速度降低，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)）體含水量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)）擴(kuò)散率

9、速過程擴(kuò)散率速過程平衡水分保留在坯體內(nèi)，大小取決于物料性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(duì)濕度質(zhì)、顆粒大小、干燥介質(zhì)的溫度與相對(duì)濕度 4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院15其中，其中， 可塑成型三階段明顯，不能快速干燥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，可以提高半干法成型的三階段不明顯，可以提高干燥速度干燥速度 . 小于小于100時(shí)保留在坯體時(shí)保留在坯體中的水分中的水分. .當(dāng)坯體的含水量與外界條件當(dāng)坯體的含水量與外界條件(周圍空氣周圍空氣)達(dá)到平衡時(shí)所含的水分達(dá)到平衡時(shí)所含的水分;4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院16二、干

10、燥速度與干燥條件的關(guān)系二、干燥速度與干燥條件的關(guān)系 溫度溫度 濕度濕度 流動(dòng)速度（干燥介質(zhì)）流動(dòng)速度（干燥介質(zhì)）（等速干燥影響較為明顯（表面過程）（等速干燥影響較為明顯（表面過程）4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院174/30/2022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)生三、干燥過程氣孔形成和應(yīng)力產(chǎn)生 可塑水：產(chǎn)生最大塑性所需水分，形成潤可塑水：產(chǎn)生最大塑性所需水分，形成潤 滑水膜滑水膜 收縮水：濕坯干燥達(dá)最大收縮所排出水分收縮水：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）分（剛性體不發(fā)生收縮

11、）4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院19JBJHGBJIFJ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。4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院20 干燥時(shí)，內(nèi)部水分不等，干燥時(shí)，內(nèi)部水分不等，存在水分梯度，導(dǎo)致坯體干存在水分梯度，導(dǎo)致坯體干燥不均勻，使得坯體內(nèi)部產(chǎn)燥不均勻，使得坯體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力；生應(yīng)力； 等速干燥階段：干燥曲等速干燥階段：干燥曲線平行（線平行（5%以上）某一點(diǎn)以上）某一點(diǎn)時(shí)，曲線急劇彎曲使表面含時(shí)，曲線急劇彎曲使表面含水量和中心處不等，表面含水量和中心處不等，表面含水了量等于零，產(chǎn)生不均勻水了量等于零，產(chǎn)生

12、不均勻收縮，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力收縮，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力 4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院21 干燥變形干燥變形 干燥裂紋干燥裂紋 減速干燥階段，采取溫度梯度干燥；減速干燥階段，采取溫度梯度干燥； 控制干燥速度控制干燥速度4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院22 磚坯進(jìn)行干燥時(shí)，控制條件的總和，包磚坯進(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，括：干燥時(shí)間，進(jìn)入和排出干燥劑的溫度，相對(duì)濕度，坯體干燥前后的水分；相對(duì)濕度，坯體干燥前后的水分； 干燥時(shí)間關(guān)系到正確選擇干燥設(shè)備，保干燥時(shí)間關(guān)系到正確選擇干燥設(shè)備，保證正常生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)性，是重要參數(shù)。證正常生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)性，是重要參數(shù)。

13、4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院23物料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)（結(jié)合粘土量、熟料顆粒組物料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)（結(jié)合粘土量、熟料顆粒組成：粗細(xì)）成：粗細(xì)）坯體的形狀和大小坯體的形狀和大小磚坯最初含水量與干燥后的殘余水分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)的溫度、濕度和流速干燥介質(zhì)在干燥器中的溫度降干燥介質(zhì)在干燥器中的溫度降干燥器的密封情況。干燥器的密封情況。4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院24 足夠的機(jī)械強(qiáng)度（裝窯，太低水分磚坯脆）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（降低不必要的熱工燒成期間能快速升溫（降低不必要的熱工消耗）消耗） 磚坯厚度大小決定殘余水

14、分量磚坯厚度大小決定殘余水分量 不同窯型不同窯型/不同磚種也決定殘余水分含量不同磚種也決定殘余水分含量（舉例）（舉例）4/30/2022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）；回轉(zhuǎn)窯：含水量低（推車制度決定）； 其他窯：其他窯： 水分可以提高。水分可以提高。 粘土磚：粘土磚：23% 硅磚：硅磚：12% 鎂磚：鎂磚：0.61.0%（防止水化）（防止水化）MgO4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院26 隧道干燥器、室式干燥器、其它（利用隧道窯隧道干燥器、室式干燥器、其它（利用隧道窯的熱煙氣）的熱煙氣） 4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院27第五節(jié)第五節(jié) 耐火材料的燒成耐火材料的

15、燒成4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院28 為殘余水分排出，該過程完成較快為殘余水分排出，該過程完成較快4/30/2022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；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）；中的玻璃相）；（氣體體積增大，一（氣體體積增大，一般為氧化氣氛）。般為氧化氣氛）。該階段坯體減輕，氣孔率增大，強(qiáng)度有所下該階段坯體減輕，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，密堆降（原因：氫鍵消失；由于晶型轉(zhuǎn)變，密堆 結(jié)構(gòu)被改變。結(jié)構(gòu)被改變。2324,COSO22COOC

16、COOC2224/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院30 特征：致密化、強(qiáng)度增大、體積縮小、特征：致密化、強(qiáng)度增大、體積縮小、氣孔率降低。氣孔率降低。 將發(fā)生質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散、粘滯流動(dòng)、溶解將發(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沉淀傳質(zhì)，液體的表面張力使顆粒之間緊密接觸密接觸 4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院31 液相、固相、反應(yīng)燒結(jié)，氣孔進(jìn)一步消失或變小，液相、固相、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。是致密化的最重要的物理化學(xué)過程。 耐火相析晶、晶型轉(zhuǎn)變、玻璃相固化耐火相析晶、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

17、應(yīng)變化使坯體強(qiáng)度、密度、體積依品種不同都有相應(yīng)變化 質(zhì)耐火材料將發(fā)生：質(zhì)耐火材料將發(fā)生：（粉化）（粉化） 陶瓷將發(fā)生立方向四方和單斜晶體結(jié)構(gòu)的陶瓷將發(fā)生立方向四方和單斜晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化。CaOSCSC222ZrO4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院32物料經(jīng)高溫作用，變成具有一定強(qiáng)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）的致密石狀物度和氣孔率很低（或無氣孔）的致密石狀物的工藝過程。的工藝過程。 燒結(jié)模型燒結(jié)模型 燒結(jié)傳質(zhì)的動(dòng)力燒結(jié)傳質(zhì)的動(dòng)力 遷移機(jī)制遷移機(jī)制4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院3311221211)()(fffCBBBCZ21,BB21, ff21,CC式中

18、，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） 灼減、相對(duì)密度、體積密度、吸水率、晶體粒徑、灼減、相對(duì)密度、體積密度、吸水率、晶體粒徑、水化強(qiáng)度（堿土金屬氧化物制備耐火材料易水化，致水化強(qiáng)度（堿土金屬氧化物制備耐火材料易水化，致密時(shí)，水化程度減小。密時(shí)，水化程度減小。4/30/2022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；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，新氣孔尚未開始階段：質(zhì)點(diǎn)間邊界消失，新氣孔尚未形成；形成； 形成封閉氣孔階段；形成封閉氣孔階段； 燒結(jié)過程中物理性能變化（制品尺寸、體燒結(jié)過程中物理性能變化（制品尺寸、體積密度、

19、氣孔率）積密度、氣孔率） 4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院35晶格能，晶格能大，鍵力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)牢固，高晶格能，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；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)陽離子極性：陽離子極性小的離子難以燒結(jié)（難以燒結(jié)）（難以燒結(jié)）晶粒生長(zhǎng)：晶粒生長(zhǎng)：長(zhǎng)大長(zhǎng)大50倍，相對(duì)密度倍，相對(duì)密度95%長(zhǎng)大長(zhǎng)大1500倍，相對(duì)密度倍，相對(duì)密度6080%第二相析出，晶粒長(zhǎng)大第二相析出，晶粒長(zhǎng)大50微米，相對(duì)密度不微米，相對(duì)密度不足足90%MgOOAl,3232OAlMgO4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院36 粉體的表面積越大，質(zhì)點(diǎn)的

20、可動(dòng)性越強(qiáng)，粉體的表面積越大，質(zhì)點(diǎn)的可動(dòng)性越強(qiáng)，燒結(jié)活性越高燒結(jié)活性越高CmCmOAloo1400,1%,9590,1700,10:32就可達(dá)到 ，鋁礬土亦同樣 4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院37型關(guān)系，過于提高燒結(jié)溫度，延長(zhǎng)燒結(jié)型關(guān)系，過于提高燒結(jié)溫度，延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間無益。時(shí)間無益。 （加強(qiáng)質(zhì)點(diǎn)間的接觸）（加強(qiáng)質(zhì)點(diǎn)間的接觸） 高溫下促進(jìn)塑性流動(dòng)；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）。加快質(zhì)點(diǎn)間擴(kuò)散（增多缺陷數(shù)量）。neck4/30/2022材料科學(xué)與工程學(xué)院38 作用：作用： 增加晶格缺陷，活化晶格，提高燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力增加晶格缺陷，活化晶格，提高燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力 表面張力毛細(xì)管力，促使顆粒緊密接觸和致密表面張力毛細(xì)管力，促使顆粒緊密接觸和致密 重排；重排；不利于燒結(jié)致密不利于燒結(jié)致密 高耐火層，阻礙燒結(jié)的進(jìn)行；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