《耐火材料生產(chǎn)過程》PPT課件.ppt

1、第三章 耐火材料生產(chǎn)基本工藝過程,緒 言,定型耐火材料的一般生產(chǎn)工藝過程如下：, 煅燒、分級和破粉碎是不可缺少的原料預(yù)處理加工工序。, 原料的煅燒和分級實際上已經(jīng)在礦業(yè)公司進行了，但是在耐火材料生產(chǎn)企業(yè)，這兩項加工工序通常仍然是設(shè)置有的。,3-1 耐火原料的加工處理,一、原料的煅燒,1. 原料預(yù)燒的必要性目前已無全生料配料的耐火材料生產(chǎn)模式,（1）熟料配料能保證制品燒成后的尺寸準確性，以及制品的體積穩(wěn) 定性。,（2）熟料配料有利于改善制品的礦物組成及顯微組織結(jié)構(gòu)，從而保 證制品具有良好的使用性能。,（3）熟料配料有利于縮短制品的燒成周期，提高生產(chǎn)效率和燒成合 格率。,2. 原料煅燒工藝分類,或

2、者,第三章 耐火材料生產(chǎn)基本工藝過程,（1）活化煅燒：使原料全部或部分組份得到活化，變?yōu)榛钚誀顟B(tài)的煅燒過程。如加入適當?shù)奶砑觿?，促使物料體系發(fā)生一些相變或分解反應(yīng)而使組份活化。,（2）死燒：使原料全部達到完全燒結(jié)。,二、原料的揀選分級,1. 原料分級的必要性,（1）保證優(yōu)質(zhì)品的質(zhì)量（化學(xué)礦物組成）避免劣質(zhì)原料被用來生 產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品。,（2）保證優(yōu)質(zhì)原料被有價值地利用避免優(yōu)質(zhì)原料被用來生產(chǎn)低等級的制品。,2. 揀選對象：耐火粘土、高鋁礬土、菱鎂礦等,方法：根據(jù)熟料的外觀顏色、有無顯而易見的雜質(zhì)、比重、致密度等 情況進行人工揀選。,三、原料的破粉碎,1. 破粉碎的重要意義,（1）各種原料只有破粉碎到一

3、定細度，才可能充分混合均勻，從而保證制品組織結(jié)構(gòu)的均勻性。,（2）通過破粉碎將各種原料加工成適當粒度，以保證制品的成型密度。,2. 破粉碎的一般工藝要求,（3）只有將原料粉碎到一定細度，才能提高原料的反應(yīng)活性，促進高溫下的固相反應(yīng)，形成預(yù)期的礦物組成和顯微組織結(jié)構(gòu)，以及降低燒成 溫度。,（1）粗碎：從300 mm左右破碎到5075 mm。鄂式破碎機。,（2）中碎：從5075 mm 破碎到35 mm。圓錐破碎機或?qū)奁扑闄C。,（3）細碎：從310 mm 粉碎到 0.11.0 mm。圓錐破碎機,（4）粉碎：從13 mm 粉碎到0.088 mm。連續(xù)式筒磨機或球磨機。,3-2 坯料的制備,一、配 料

4、,所謂坯料，是指化學(xué)組成和顆粒組成均符合配方要求的一種多組分均勻混合物。坯料制備包括配料、混練、困料等工序。,1. 配料的含義,（1）按配方準確稱取各種原料的質(zhì)量，使坯料的化學(xué)組成滿足既定要求 調(diào)配化學(xué)組成。,（2）按配方準確稱取各種粒度的原料質(zhì)量，使坯料的顆粒組成滿足要求 調(diào)配顆粒組成。,2. 顆粒組成（顆粒級配）設(shè)計,（1）顆粒級配的含義,（2）調(diào)配顆粒組成的必要性,顆粒組成和制品性質(zhì)的關(guān)系：,（a）氣孔率；（b）常溫耐壓強度；（c）燒成收縮 （d）透氣率；（e）耐熱沖擊性,3-2 坯料的制備,2. 顆粒組成（顆粒級配）設(shè)計, 單一顆粒不可能達到最緊密堆積，只有多種粒徑的顆粒合理 配合，才

5、可能獲得最緊密堆積。, 可見，增加組份數(shù)目可以提高堆積密度，但當組份數(shù)目大于 3時，實際意義便不大了。,3-2 坯料的制備,2. 顆粒組成（顆粒級配）設(shè)計,以取得最緊密堆積為目的，選擇耐火材料的顆粒組成，推薦以下公式：,yi 粒徑為di 的顆粒應(yīng)配入的數(shù)量（%）； a 系數(shù)，取決于物料性質(zhì)及細粉含量等因素，一般情況下，a=00.4。 n 指數(shù)，與顆粒分布特性及細粉的比例有關(guān)，一般地 n=0.50.9。 D 最大（臨界）顆粒尺寸 (mm)。,例如，當a=0.31， n=0.5，D=3 mm時，粒徑d0.06 mm的細粉配比應(yīng)為：,yi = 0.31+(10.31)( 0.06/3)0.5 100

6、 42%,3-2 坯料的制備,一、配 料, 綜上所述，理想的堆積應(yīng)該是：粗顆粒構(gòu)成骨架，中顆粒填充于大顆粒構(gòu)成的空隙中，細粉則填充于中間顆粒構(gòu)成的空隙中。然而，這種理想堆積在實際生產(chǎn)中是不可能實現(xiàn)的。因為較小的顆粒往往密集于大顆粒之間，而且很少產(chǎn)生自由移動，即使在引入更小的顆粒，情況依然如此。, 通過計算和實驗，下列幾點原則對指導(dǎo)實際生產(chǎn)頗有價值：,（1）采取多級別顆粒配料可以達到緊密堆積，而且顆粒尺寸相差越大越好，一般相差45倍以上效果較好。,（2）雖然增加顆粒粒度的組份數(shù)量有利于提高堆積密度，但當組份數(shù)目超過時，效果不再明顯。故在實際生產(chǎn)中，通常采取三組份顆粒配料，有時也采取四組份顆粒配料

7、。,2. 顆粒組成（顆粒級配）設(shè)計,一、配 料,（3）臨界顆粒尺寸大些對提高抗熱震性和顆粒緊密堆積有利，但易出現(xiàn)顆粒偏析，從而導(dǎo)致磚坯表面結(jié)構(gòu)粗糙、邊棱松散。實際生產(chǎn)中，顆粒上限多取35 mm，但由于品種不同，差別很大，有的大磚和不定型制品可放大到810 mm，甚至 1520 mm。,（4）實際生產(chǎn)中，既要考慮緊密堆積，又要考慮成型的難易性和制品的燒結(jié)性。例如，三組分顆粒配料時，理論上大、中、小顆粒的配比應(yīng)為7：1：2，但由于細粉不多，成型時顆粒間移動困難，成型質(zhì)量不好，最終導(dǎo)致制品的燒成質(zhì)量差。因此，實際生產(chǎn)中有時可取6：1：3。, 粗、中、細顆粒的粒徑范圍尚無統(tǒng)一規(guī)定，通常參考以下標準選擇

8、：,2. 顆粒組成（顆粒級配）設(shè)計,一、配 料,3. 配料方法,重量配料法,容積配料法,準確性較好，誤差一般小于2%。,準確性較差，不常用。,二、混練,概念：使各種物料分布均勻化（包括顆粒組成），并促進顆粒接觸和塑化的操作過程。, 耐火材料生產(chǎn)的混練過程，由于顆粒粒度相差較大及成型的需要，實際上不是一個單純的混合過程，而是伴有一定程度的碾壓、排氣過程?；炀毜淖罱K目的是使混合料的任意單位體積內(nèi)具有相同的化學(xué)組成和顆粒組成（如下圖b所示）。,3-2 坯料的制備,一、配 料,2. 混練質(zhì)量要求,3. 影響混練質(zhì)量的因素,二、混練,3-2 坯料的制備, 達到較好混練質(zhì)量所需要的混練時間，主要與物料的流

9、動性、外加劑的種類（性質(zhì)）、混練機的結(jié)構(gòu)性能等因素有關(guān)。對應(yīng)于某一種坯料及混練設(shè)備，都有一個最佳的混練時間。超過該時間就會造成 “過混合”。而且，最佳混練時間有時相差較大，例如 粘土磚：410 min，鎂磚：2025 min。,二、混 練,3-2 坯料的制備,4. 混練過程及混練效率,（1）混練過程,階段：快速混合過程。配合料的均勻性隨混合時間的增加迅速提高。,階段：擴散混合過程?；旌线_到一定程度后，配合料的均勻性增加速度明顯降低。,階段：后期混合過程，或稱逆混合過程。特點是：混合達到一定程度后，配合料的均勻性不但不再增加，甚至有所 降低。,混練過程中物料混合不均勻度與時間的關(guān)系,二、混練,3

10、-2 坯料的制備,4. 混練過程及混練效率,（1）混練過程,階段包括兩種作用： 顆粒偏析。由于重力、 離心力作用，大顆粒產(chǎn)生 偏析現(xiàn)象。 顆粒團聚、捏合。由于 較長時間的混練，受液體 毛細管力、粘結(jié)劑附著力、 機械捏合力等作用，物料 產(chǎn)生團聚、捏合。但總體 而言，這兩種作用的結(jié)果，是使配合料的均勻性波動在一定范圍 (h1h2) 之內(nèi)。,二、混練,3-2 坯料的制備,混練過程中物料混合不均勻度與時間的關(guān)系,（2）混練效率, 混合效率可用混合指數(shù) i 來表示。在整個坯料的不同部位進行多點取樣，并測定某一組分的含量 C, 就可以計算出整個坯料的混合效率。方法是：, 按有關(guān)規(guī)定在整個混合料中取 N 個

11、試樣并測定某一組分含量 C ；, 根據(jù)該組分應(yīng)有的理論含量 C0 和測定量 C，計算混合百分率 x ；, 計算混合指數(shù) i ：, i 越接近于 1，表示混合效率越高。,二、混 練,三、困料,概念：將經(jīng)過混練處理的坯料在一定的溫度和濕度環(huán)境中儲放一段時間的過程。,2. 困料的作用,（1）可使坯料中的水分、紙漿廢液等分布更加均勻。,（2）提高坯料的結(jié)合性、可塑性，改善其成型性能。,陶瓷坯料的陳腐,3-3 耐火材料的成型,一、耐火材料成型方法的分類,1. 按坯料含水率分：,3-2 坯料的制備,2. 按成型工藝特點分：,二、半干法壓制成型,1. 壓制過程,耐火材料的壓制成型過程可 以大致分為以下三個階

12、段： 階段A: 在壓力作用下，顆粒發(fā)生 明顯的位移，重新分布形成較緊 密的堆積，坯料被壓縮明顯。,一、耐火材料成型方法的分類,階段B: 當壓力增至 P1 后， 顆粒發(fā)生脆性及彈性變形， 坯料被進一步壓縮，但呈 階梯式變化坯料被壓 縮到一定程度后，即阻礙 進一步壓縮，一旦壓力繼 續(xù)增大到使顆粒再度產(chǎn)生 變形的外力時，坯料的體積又得以被壓縮。這種增壓壓縮的過程短促而頻繁，最后，壓制過程進入第三階段。,階段C: 在極限壓力 P2 作用下，坯料不再被壓縮，坯體的密度不再增大。,二、半干法壓制成型,1. 壓制過程, 影響壓制的因素很多，其中以顆粒的形狀和坯料的濕度對壓制的影響最大。同一成型壓力下，圓形顆

13、粒多、濕度較大的坯料可望獲得較大的成型密度。,二、半干法壓制成型,1. 壓制過程,2. 磚坯中的壓力分布和層密度現(xiàn)象, 成型時施加的壓力作功于三個方面： 克服顆粒之間的內(nèi)摩擦力；克服顆粒與模具壁面之間的外摩擦力； 使坯料產(chǎn)生變形。,3-3 耐火材料的成型,二、半干法壓制成型,2. 磚坯中的壓力分布和層密度現(xiàn)象, 由于成型時存在的內(nèi)外摩擦力，使得成型時坯體中的壓強呈非均勻分布狀態(tài)。即坯體中某點的壓強隨其距受壓面的距離增大而降低，從而使得成型坯體的密度亦不均勻，產(chǎn)生所謂的“層密度”現(xiàn)象。, 壓強隨磚坯厚度改變的關(guān)系如下：,Sh = S0exp(-Kh/R),Sh距受壓面 h mm 處的壓強；S0受

14、壓面上的壓強； K 與模型結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)；R坯體截面的當量半徑。, 由于坯體的氣孔率取決于壓強大小，故沿坯體厚度方向的壓強落差即在一定程度上確定了坯體密度的均勻性。因此，坯體密度的均勻性可用 Sh和 S0 的比值來估計：, =Sh/ S0 = exp(-Kh/R),顯然， 越接近于1，則坯體密度的均勻性越好。,3. 影響坯體密度均勻性的因素,(1) 坯料的性質(zhì)：包括其流動性、自然堆積密度等。,(2) 坯料顆粒間的內(nèi)摩擦力及顆粒與模壁間的外摩擦力大?。号c 顆粒形狀、含水率、塑化劑或潤滑劑性質(zhì)及含量有關(guān)。,二、半干法壓制成型,2. 磚坯中的壓力分布和層密度現(xiàn)象,(3) 加壓速度及加壓方式。,(4)

15、 坯體的大小、厚薄及形狀等。,4. 彈性后效,(1) 概念：壓制成型過程中，外加壓力取消后，坯體內(nèi)部的彈性力引起坯體膨脹的作用。,(2) “ 彈性后效” 產(chǎn)生的原因：,(3) “彈性后效”的各向異性及其危害造成磚坯的“層裂”缺陷,內(nèi)部彈性力,被阻滯于坯體內(nèi)部的、被壓縮的空氣,被壓縮的、產(chǎn)生一定程度彈性變形的細粉顆粒, 壓制成型時，坯體受壓方向（縱向）的壓力數(shù)倍于橫向，因而坯體縱向的彈性后效比橫向大得多。外力消失后，坯體因彈性后效產(chǎn)生的橫向膨脹被模型側(cè)壁所阻止，而縱向膨脹僅被側(cè)壁的摩擦力抵消一小部分，因此磚坯往往在縱向呈現(xiàn)較大膨脹，有的甚至達12%。,二、半干法壓制成型,4. 彈性后效, “彈性

16、后效” 引起的上述不均勻膨脹，通常是導(dǎo)致成型磚坯在脫模時產(chǎn)生“層裂”的主要原因。,二、半干法壓制成型,(4) 防止“層裂”、改善磚坯成型質(zhì)量的措施, 調(diào)配合理的顆粒級配，提高坯料的自然堆積密度。 選用適當、適量的潤滑劑，以及控制適當?shù)暮?，減小坯料顆粒的內(nèi)外摩擦力。含水率太高易引起層裂水的可壓縮性小且具一定彈性 模具結(jié)構(gòu)合理，且模壁光潔度高；有利于空氣逸出，減小外摩擦力, 加壓方式及加壓次數(shù)。先輕后重、多次加壓、適當延長加壓時間有利物料在持續(xù)負載作用下產(chǎn)生的塑性變形大。 壓力大小及卸載方式。 坯體在壓力較小但作用時間長的情況下成型時，比大壓力一次性加壓產(chǎn)生的塑性變形大。多次間斷地卸壓比一次性

17、突然卸壓好。,4. 彈性后效,二、半干法壓制成型,(4) 防止“層裂”、改善磚坯成型質(zhì)量的措施,3-4 磚坯的干燥,一、干燥的目的（必要性）,1. 提高磚坯的機械強度，以減少磚坯在后續(xù)操作過程中的破損。,2. 使磚坯含水率降至入窯燒成的要求，以縮短燒成周期，提高燒成合格率。,二、坯體中的水分,1. 結(jié)構(gòu)水（結(jié)晶水）：以O(shè)H形式存在于物質(zhì)結(jié)構(gòu)中，化學(xué)鍵結(jié)合，結(jié)合力最大，干燥過程中不能被排除。,2. 吸附水：以H2O 形式存在于物料顆粒中的毛細孔中，呈物理-化學(xué)結(jié)合，干燥過程中不能完全被排除。吸附水的排除不會引起坯體的體積收縮。,3. 自由水：以H2O 形式存在于物料顆粒之間的孔隙中，結(jié)合力最弱，

18、干燥過程中可以完全被排除。自由水的排除會引起坯體的體積收縮。,三、干燥過程,通?？梢詣澐譃橐韵滤膫€階段：,階段 I: 加熱階段。特點是坯體受熱使表面溫度迅速上升，吸收的熱量使得表面上的水分隨之蒸發(fā)，干燥速度增大，含水率降低。這個階段的時間很短。,3-4 磚坯的干燥,三、干燥過程,階段: 等速干燥階段。特點是干燥介質(zhì)傳遞給坯體表面的熱量完全用于水分的蒸發(fā)，沒有多余熱量使坯體表面溫度升高，且坯體內(nèi)部的的水分能及時擴散到表面受熱汽化，因此該階段的坯體表面溫度和干燥速度維持恒定，坯體含水率持續(xù)明顯降低。該階段是大量自由水被排除的階段，坯體收縮明顯，故被稱為 “干燥危險階段”。,階段 : 降速干燥階段。

19、特點是水分的內(nèi)擴散阻力增大到了不能使內(nèi)部水分不能及時擴散到表面受熱汽化，這樣坯體表面吸收的熱量除供表面處的水分汽化外還有富余，從而使得坯體表面溫度開始繼續(xù)升高。同時，干燥速度開始逐漸減?。坏嗜允抢^續(xù)降低。該階段坯體收縮量不大。,三、干燥過程,階段: 干燥平衡階段。特點是水分內(nèi)擴散的阻力已是足夠大，在既有的干燥條件下，殘余水分已不能繼續(xù)排除。于是，干燥過程最終停止干燥速度降為零；坯體表面溫度達到干燥介質(zhì)的干球溫度；殘余水分一維持恒定。,三、干燥過程,四、干燥制度,干燥制度是磚坯進行干燥時的條件總和。它包括干燥周期、進出干燥器的熱風(fēng)溫度與相對濕度，以及磚坯干燥后的含水率等。干燥過程的調(diào)控，就

20、是對干燥周期、進出干燥器的熱風(fēng)溫度與相對濕度、干燥器內(nèi)熱風(fēng)的流速等參數(shù)進行調(diào)節(jié)。,1. 影響制品干燥速度的因素,（1）坯料的性質(zhì)（配料組成）。如對粘土磚而言，結(jié)合黏土的性質(zhì)及配比量對磚坯的干燥周期影響很大。,（2）坯體的初始含水率及干燥后的含水率要求。,（3）磚坯的形狀和大小。,3-4 磚坯的干燥,四、干燥制度,（4）干燥介質(zhì)的溫度、濕度、流速。,（5）磚坯干燥時的碼放方式涉及磚坯與熱風(fēng)的接觸面積、干燥均勻性等。,（6）干燥器的結(jié)構(gòu)和性能干燥器內(nèi)的溫度分布均勻性。,1. 影響制品干燥速度的因素,2. 磚坯干燥殘余水分的確定,（1）確保干燥后的磚坯機械強度能滿足運輸、裝窯的操作要求。,考慮以下因

21、素：,（2）滿足燒成初期快速升溫的要求。,（3）考慮制品的形狀、大小及厚薄因素通常大、異型制品的干燥殘余水分應(yīng)控制低一些。,（4）燒成窯爐的性能窯內(nèi)溫差的大小。, 過低的干燥殘余水分是沒有必要的：, 通常要求殘余水分：粘土磚 23%；硅磚12%； 鎂磚 0.61.0%,四、干燥制度,2. 磚坯干燥殘余水分的確定,3-5 耐火材料的燒成,一、燒成的作用,1. 通過燒成處理，使各化學(xué)成分發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)和礦物組成，從而擁有所要求的高溫使用性能。,2. 通過燒成處理，伴隨一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，使坯體逐漸致密化，形成具有一定尺寸、形狀和強度的制品。,二、燒成過程中的物理化學(xué)

22、變化,一般耐火材料的燒成過程大致可分為以下幾個階段： 1. 干燥殘余水分的排除階段 （200 ）。無化學(xué)反應(yīng)。氣孔率增大。,3-5 耐火材料的燒成,2. 氧化分解階段 （200 1000 ）。此階段涉及大量的物理化學(xué)反應(yīng)，但依原料種類而異?；瘜W(xué)變化通常主要有：結(jié)晶水的排除、碳酸鹽和硫酸鹽的分解、碳素和有機物的氧化、晶型轉(zhuǎn)變、液相開始出現(xiàn)等。物理變化：氣孔率進一步增大、失重明顯、強度亦有變化。,二、燒成過程中的物理化學(xué)變化,3. 液相及耐火礦物形成階段 （1000 以上）。部分分解反應(yīng)繼續(xù)進行；液相隨溫度升高不斷增多、粘度降低；某些耐火新礦物開始大量生成，并伴有溶解重結(jié)晶過程。物理變化：致密化程

23、度提高；體積收縮；氣孔率降低；強度增大。,4. 燒結(jié)階段。 坯體中各種反應(yīng)趨于完全、充分，液相數(shù)量繼續(xù)增加；晶相進一步成長而達到致密化，即所謂 “燒結(jié)”。這個階段與第三個階段沒有明顯的區(qū)分，應(yīng)該說，伴隨著耐火礦物的生成，燒結(jié)過程就開始了。,5. 冷卻階段（最高燒成溫度常溫）。 主要發(fā)生耐火相的析晶、生長，某些晶相的晶型轉(zhuǎn)變、液相的冷凝玻璃化等。同時，制品的強度、密度、體積依品種不同都有相應(yīng)的變化。,3-5 耐火材料的燒成,二、燒成過程中的物理化學(xué)變化,三、燒結(jié),1. 制品燒結(jié)的表征指標體積密度（或真密度）、氣孔率、吸水率、機械強度（耐壓或抗折強度）等。,坯體燒結(jié)通常表現(xiàn)為密度增大，氣孔率降低，吸水率減小，強度增