第二章第一節(jié)耐火原料選擇及加工、坯料的制備、成型、干燥、燒成

1、第一節(jié)耐火原料選擇及加工、配料的制備、成型、干燥、燒成耐火材料的品種和質(zhì)量取決于耐火材料的原料和其生產(chǎn)工藝。在原料確定的情況下，耐火材料的生產(chǎn)工藝方法與制度是否正確與合理，所得耐火制品的質(zhì)量差別可能極大。耐火材料的特定性能的控制，必須通過特定的工藝手段來實現(xiàn)。因此，耐火材料的生產(chǎn)者必須精于此遣；使用者欲能正確選用具有某一特性的耐火材料，使其物盡其用，也必須對耐火材料的生產(chǎn)工藝有所了解。塊狀燒成耐火制品的一般生產(chǎn)工藝流程如下：原料的加工T配料T混練T成型T干燥T燒成T揀選T成品。耐火原料選擇及加工原料的質(zhì)量是耐火材料質(zhì)量的基本保證。要發(fā)展優(yōu)質(zhì)高效的耐火制品，必須有純凈的質(zhì)量均一和性質(zhì)穩(wěn)定的原料。

2、因此，選取適宜作為耐火材料原料的天然礦石，開采后必須再經(jīng)過加工。原料的加工主要包括原料的精選提純，或均化或合成；原料的干燥和煅燒；原料的破粉碎和分級。1. 原料的精選提純和均化為了提高原料純度，一般需經(jīng)揀選或沖洗，剔除雜質(zhì)。有的還需采用適當(dāng)選礦方法進行精選提純。有的原料中成分不均，需要均化。有的在精選后還可引人適量有益加人物。高性能的復(fù)合原料需采用人工合成方法。2. 原料的煅燒為了保證原料的高溫體積穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和高強度。多數(shù)天然原料和合成原料，需經(jīng)高溫煅燒制成熟料或經(jīng)熔融制成熔塊。熟料煅燒溫度一般多控制在使其達到燒結(jié)致密化的范圍內(nèi)。對主晶相為氧化物的原料，燒結(jié)溫度Ts約為其熔點Tm的，即

3、Ts（）Tm,多高于制品的燒成溫度，更高于制品的使用溫度。熟料煅燒一般在豎窯或回轉(zhuǎn)窯中進行。有的原料，如軟質(zhì)耐火粘土作為粘合劑，雖不經(jīng)煅燒，但若含水過多，應(yīng)經(jīng)干燥，以便破碎和分級。3. 原料的破粉碎和分級原料破粉碎的目的是制成不同粒級的顆粒及細粉，以便于調(diào)整成分，進行級配，使多組分間混合均勻，便于相互反應(yīng)，并獲得致密的或具有一定粒狀結(jié)構(gòu)的制品坯體。一般先將顆粒破碎到極限顆粒4050mm（粗碎）；再將顆粒破碎到極限顆粒45mm（中碎），然后細碎。細磨是將顆粒破碎到小于0.088mm以下的細粉。生產(chǎn)普通耐火制品所用的顆粒料皆為中碎以后所獲得的產(chǎn)品。經(jīng)破粉碎后的顆粒狀產(chǎn)品，需依粒度粗細分級，以便合理

4、配料。通常多以篩分方法將顆粒分級。對粉狀料常以風(fēng)選法分級。坯料的制備耐火材料坯料的制備主要包括配料和泥料的混練兩個工序。配料耐火材料的配料是將各種不同品種、組分和性質(zhì)的原料以及將各級粒度的熟料顆粒按一定比例進行配合的工藝。各種原料的配合是為了獲得一定性質(zhì)的制品。粒度的配合是為了獲得最緊密堆集的或特定粒狀結(jié)構(gòu)的坯體。I各種原料的配合各種原料的配合依材料的品種和性質(zhì)的要求而定，不同制品各有特點。對燒結(jié)制品、不燒制品和不定形耐火材料，各種顆粒的熟料或其他瘠性料與各種結(jié)合劑的配合是配料中的重要一環(huán)。任何結(jié)合劑的選用及其加入量皆應(yīng)嚴格控制，應(yīng)保證其既有利于制品的生產(chǎn)，又不會對制品的性質(zhì)帶來危害。2. 粒

5、度的配合各級粒度的顆粒配合對磚坯的致密度影響極大。只有使各級粒度顆粒的堆積體達到最緊密的程度，才能得到致密的制品。欲使多級不同粒度的顆粒組成的堆積體密度得到提高，必須使粗顆粒級中的空隙全部由細顆粒級填充，而細顆粒級中的空隙由更細的顆粒級填充，如此逐級填充即可獲得最緊密堆集。（1）各級顆粒的粒徑比。以緊密堆積的同徑球的間隙而論，若使小球填于其中，小球的粒徑必須小于大球堆積體的空隙尺寸。因此，兩種球球徑之比必須恰當(dāng)。以圓球交錯排列的堆積狀態(tài)計算，大小兩種球的球徑比約為。由此可見，若兩級顆粒配合成堆積體時，粒徑比在此值以上，對實現(xiàn)緊密的堆集是有利的。如此，多級顆粒配合，更可實現(xiàn)致密化。采用此種粒徑比

6、很大的各級顆粒的配合常稱為間斷級配。但在實際生產(chǎn)中為避免顆粒產(chǎn)生嚴重偏析，并使各級顆粒充分利用，常采用粒級連續(xù)的顆粒，并以平均粒徑劃分為若干級別進行配合。（2）各級顆粒配合的比例（級配）。在保證粗細顆粒粒徑比恰當(dāng)?shù)臈l件下，由各級顆粒組成的堆積體中，每級顆粒配合的數(shù)量，應(yīng)以細者填滿粗者的空隙為宜。以密度相同的同粒徑的圓球堆積體為例，其空隙率（P）約為38%。三級配合時，粗與細的數(shù)量比應(yīng)為1:。采取多級顆粒配合時，堆積體的空隙率變化如表3-1所示。同粒徑的粒狀顆粒堆積體的空隙率約為38%。由于當(dāng)多級配合超過4級時，空隙率變化不顯著，而且為了簡化工藝，普通燒結(jié)制品的粒度組成，一般為34級。以粒度粗、

7、中、細三級配合為例，堆積體空隙率變化如圖11所示。即以粗顆粒為5565%;中顆粒1080%;細顆粒1530%較宜。通常為獲得高密度的制品，并避免由這種級配組成的泥料易于產(chǎn)生顆粒偏析和便于制品的燒結(jié)，常采取細粉量較多的配合，如采取粗：中：細=（46）:（21）:（48）。（俗稱"兩頭大、中間小”）表21各級粒度堆積體空隙的變化粒度級數(shù)球體實體積，堆積體空隙率,%空隙率降率,%一級二級三級四級五級卜帆織她樓申轉(zhuǎn)歸直號圖21堆積體空隙率變化3）極限顆粒的確定。耐火制品中顆粒的極限粒徑，根據(jù)制品形狀的復(fù)雜程度、斷面尺寸大小或成型的方法以及對其組織結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的要求而定。一般而論，形狀復(fù)雜、斷面

8、小者，極限粒度應(yīng)?。贿m當(dāng)提高極限粒徑，對制品的耐熱震性可能有利。近于標準形狀的普通燒結(jié)制品，極限粒徑一般控制在23.5mm。大型塊狀制品可相應(yīng)增大。泥料的混練混練是將合理配合的各種物料準確稱量后，制成各組分、各種顆粒均勻分布的泥料，并使泥料中各種物料實現(xiàn)結(jié)合良好的加工過程。根據(jù)物料的組分和性質(zhì)，采取適當(dāng)?shù)幕炀氃O(shè)備與方法，使各種物料通過對流、擴散和剪切等作用達到泥料均化和顆粒料與結(jié)合劑等的互相結(jié)合，既使泥料獲得良好的成型性能，又避免泥料中顆粒的再破碎和某些物料的散失或在混練過程中發(fā)生顯著反應(yīng)變質(zhì)。耐火材料泥料的混練多在濕碾機中進行。雖產(chǎn)量較低，電耗較高，并有使顆粒再破碎等缺點，但可獲得均勻致密的

9、泥料。高效行星式強制混合機混練混料，顆粒不再破碎，效率及質(zhì)量較好。有的也有用雙軸混料機的，但泥料質(zhì)量較差。某些耐火制品在泥料混練過程中還需進行“困料”，即將初混后的泥料在一定溫度、一定濕度的條件下貯放一定時間，然后再經(jīng)二次混練，以改善泥料的質(zhì)量。坯體的成型與干燥坯體的成型成型的目的是把泥料制成具有一定形狀和適當(dāng)密度與強度的磚坯。對燒結(jié)制品和不燒磚，磚坯的致密度決定著制品的致密度，從而影響制品的許多物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和使用性質(zhì)。因此，成型是這類耐火材料生產(chǎn)中很重要的一項工序。磚坯成型方法很多，主要依泥料的性質(zhì)、制品形狀和對制品性質(zhì)的要求而定。如對有流動性的泥料，采用注漿成型；對有可塑性的混料，采

10、用可塑法成型；對有觸變性的混料，經(jīng)振動成型；對含水量較低（36）的半干泥料，采用半干壓成型或搗打成型；干粉料用等靜壓成型等等。對普通燒結(jié)制品和不燒磚，最普遍采用的方法為借助外力排除大部空氣，將泥料中的各級顆粒重新分布，使其致密化的半干壓成型。對形狀復(fù)雜的大型制品，也常采用可塑法、振動法或搗打法成型。半干壓成型后磚坯的密實度，除受泥料組成與性質(zhì)影響以外，也受壓制外力、增壓速度和加壓時間等壓制制度所控制。壓制方法與制度不當(dāng)，易使磚坯出現(xiàn)缺陷，如開始加壓壓力過大過快，氣體未及排出，易產(chǎn)生層裂。經(jīng)成型后的磚坯，由于其中各種物料間的機械結(jié)合力、靜電引力及摩擦力，使磚坯的形狀保持下來，并具有一定的強度。坯

11、體的干燥坯體干燥的目的在于提高其機械強度，有利于裝窯操作并保證燒成初期能夠順利進行。干燥過程可分為三個階段。在此之前有一個加熱階段。一般加熱階段時間很短，坯體溫度上升到濕球溫度。此階段中水分和自坯體中排出水量的變化不大。第一階段是干燥過程最主要的階段，此階段排出大量水分，在整個階段中，排出速度始終是恒定的，故稱等速干燥階段。在此階段中，水分的蒸發(fā)僅發(fā)生在否體表面上，干燥速度等于自由的蒸發(fā)速度，故凡足以影響表面蒸發(fā)速度的因素都可以影響干燥速度。因此，在等速干燥階段中，干燥速度與坯體的厚度（或粒度）及最初含水量無關(guān)。而與干燥介質(zhì)（空氣）的溫度、濕度及運動速度有關(guān)。第二階段是降速干燥階段，隨著干燥時

12、間的延長，或坯體含水量的減少，坯體表面的有效蒸發(fā)面積逐漸減少，干燥速度逐漸降低。此時水分從表面蒸發(fā)的速度超過自坯體內(nèi)部向表面擴散的速度，因此干燥速度受空氣的溫度、濕度及運動的影響較小。水分向表面擴散速度取決于含水量、坯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)（毛細管狀況）、水的粘度和物料性質(zhì)等。第三個階段干燥速度逐漸接近零，最終坯體水分不再減少，當(dāng)空氣中干球溫度小于100C時，此時保留在坯體中的水分稱為平衡水分。這部分水分被固體顆粒牢固地吸附著。平衡水分的多少，取決于物料性質(zhì)、顆粒大小和干燥介質(zhì)的溫度與相對濕度。以上三個階段的明顯程度，依坯體中水分的多少而定，一般對可塑法成型的坯體來說，三個階段比較明顯，而對水分不大的半干

13、法成型的坯體，如多熟料磚、硅磚、鎂磚等，就不大明顯。干燥制度是磚坯進行干燥的條件總和。它包括干燥時間、進入和排出干燥劑的溫度和相對濕度，磚坯干燥前的水分和干燥終了后的參與水分。干燥多采用隧道干燥器。也可采用室式干燥器和電熱干燥。有的也采用炕室干燥器。但后一種設(shè)備效率較低。制品的燒成制品的燒成燒成是絕大多數(shù)燒結(jié)耐火材料生產(chǎn)的最后一道工序，也是關(guān)系制品質(zhì)量最重要的工序。燒成的目的是使磚坯在高溫下發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)達到燒結(jié)，即磚坯變成具有一定尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)強度的制品。另外，通過燒成過程中的一系列物理化學(xué)變化，形成穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)和礦物相，具有適用于不同條件下對制品所要求的各種性質(zhì)。一般燒結(jié)制品在

14、燒成過程中，除可能排除殘余水分外，其中全部或部分物相可能首先發(fā)生礦物的分解和新礦物的形成，有的晶體可能發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。隨著溫度的提高，可能發(fā)生固相反應(yīng)、液相形成、新晶體形成和晶體長大，達到固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。1. 固相燒結(jié)磚坯中的晶體結(jié)構(gòu)皆存在缺陷。這些晶體在溫度升高到使其中質(zhì)點的活動能力達到克服周圍質(zhì)點的作用力時，就會發(fā)生擴散。由于質(zhì)點擴散作用而使互相接觸的同晶體或異晶體間進行固相反應(yīng)，使晶體長大或形成新的晶體。最后，經(jīng)較充分的再結(jié)晶和聚集再結(jié)晶作用，使晶體長大和結(jié)合而燒結(jié)。微小晶粒的晶格缺陷多，比表面較高，隨溫度的提高，固相反應(yīng)易于進行。因此，磚坯中粉粒愈細，其含量愈多，并互相充分接觸，愈有

15、利于磚坯的燒結(jié)。這種固相反應(yīng)對由較純原料組成的高級耐火材料的燒結(jié)具有重要的實際意義。2，液相燒結(jié)當(dāng)溫度升高到一定程度時，原料中的雜質(zhì)或與磚坯中其他組分，可共同作用形成液相。此種液相可將磚坯中的晶體潤濕。在晶體之間，由于表面張力的作用，能使其互相靠近，并填充于磚坯的孔隙中，從而使其致密度提高。液相的存在有助于減緩磚坯內(nèi)因受熱不均或新相的形成或晶相轉(zhuǎn)化可能產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。另外，液相的存在可使磚坯內(nèi)溶解度較大的細小的和缺陷較多的晶體溶于其中，并使其重結(jié)晶由液相中析出?？傊?，液相的存在有助于磚坯的燒結(jié)。此種燒結(jié)作用稱為液相燒結(jié)。液相燒結(jié)作用與液相的性質(zhì)和數(shù)量有關(guān)。一般而論，液相粘度低和數(shù)量多有利于液相燒

16、結(jié)。普通耐火材料的燒結(jié)多是由此種燒結(jié)完成的。但是，液相粘度低、數(shù)量多對制品的高溫性能危害很大。因此，優(yōu)質(zhì)耐火制品應(yīng)嚴格控制。耐火材料的燒成通常在隧道窯和間歇式室窯中進行。前者生產(chǎn)效率及熱效率較高；后者工藝靈活，適應(yīng)性強。在控制燒成制度時應(yīng)考慮窯爐構(gòu)造及熱工特點。影響燒結(jié)的因素影響燒結(jié)的因素很多，主要有以下幾方面。1物料的結(jié)晶化學(xué)特性。物料的結(jié)晶化學(xué)特性是決定燒結(jié)難易的內(nèi)在因素。表示晶體健強大小的晶格能是決定物料燒結(jié)和再結(jié)晶難易的重要參數(shù)。晶格能大的鍵力強，結(jié)構(gòu)牢固，高溫下質(zhì)點的可動性小，燒結(jié)困難。2. 物料的分散度。物料的分散度高則比表面積越大，表面自由能越大，使質(zhì)點的遷移具有強大的動力。為了

17、達到高度分散，必須對物料進行細磨。由于細磨過程中的機械作用，使物料晶體表面和內(nèi)部缺陷增加，晶格活化，增加質(zhì)點的可動性。3. 溫度和保溫時間。溫度和保溫時間是燒結(jié)的重要外因條件。提高溫度和延長保溫時間，都有利于燒結(jié)的進行。4. 物料顆粒的接觸情況和壓力的影響。物料顆粒接觸情況良好有利于質(zhì)點的擴散，促進燒結(jié)。生產(chǎn)實踐證明，將粉料高壓成型為致密的坯體大大有利于燒結(jié)的進行。燒結(jié)過程中采用的高壓煅燒也能促進燒結(jié)。物料在高壓外力的作用下能夠在高溫下促進塑性流動和加快質(zhì)點的擴散過程，能夠增強高溫下物料的相對移動和相互結(jié)合能力，因而促進燒結(jié)的進行。5. 加入物的作用。在燒結(jié)物料中加入適當(dāng)?shù)募尤胛?，有如下幾種作

18、用：1）加入物與燒結(jié)相（主晶相）形成固溶體。固溶體的形成可以增加晶格缺陷，活化晶格促進燒結(jié)。2）加入物促進液相的形成，有利于燒結(jié)的進行。3）加入物與燒結(jié)相生成化合物時，如果該化合物不能與燒結(jié)相形成固溶體而且又是高耐火度的，則燒結(jié)相將被這化合物層所隔開，使顆粒間的接觸和質(zhì)點間的擴散受到阻礙，不利于燒結(jié)進行。若生成的化合物的密度與燒結(jié)相相差較大，產(chǎn)生較大的體積效應(yīng)也是不利于燒結(jié)的。另外除加入物的性質(zhì)外，加入物的數(shù)量對燒結(jié)也有一定的影響。6. 液相的作用。液相對燒結(jié)作用的機理主要是在液相表面張力的作用下固體顆粒的重排過程，以及重排過程中結(jié)束后的溶解沉析和顆粒成長作用。7. 氣相在燒結(jié)中的作用。燒結(jié)過

19、程中在有加入物的情況下，若加入物具有高溫揮發(fā)性，就會形成一部分氣相，往往不利于燒結(jié)。這是由于加入物氣相的存在和逸出會增加坯體的氣孔率，而不利于燒結(jié)。8. 氣氛的影響。燒結(jié)末期，當(dāng)氣孔已處于封閉狀態(tài)，氣氛（氣孔中氣體的類型）對燒結(jié)是有影響的。研究AL2O3的燒結(jié)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體在晶體中的溶解度很小因而擴散很慢時，則孤立的氣孔不易從坯體中排除。必須指出，氣氛的影響對于不同材料的不同的條件，其影響是不同的。所以對具體問題必須具體分析。在實際燒結(jié)過程中上述這些因素不可能是彼此孤立的，二是相互影響相互制約的。在不同條件下其主要作用的因素也可以是不同的。燒成制度的確定耐火制品的燒成制度，即升溫速率、最高燒成溫度、在最高燒成溫度下的保溫時間以及冷卻速率和燒成氣氛等。對制品內(nèi)物相和結(jié)構(gòu)的形成，從而對制品的性質(zhì)影響極大。應(yīng)根據(jù)磚坯在高溫下可能發(fā)生的化學(xué)和物理變化及變化速率與程度，如各組分間發(fā)生何種化學(xué)反應(yīng)和伴有何種附加效應(yīng)，及其在變化中可能產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以及磚坯在燒成過程中的強度等情況，采取相應(yīng)的方法與制度。另外，也應(yīng)與制品的形狀和尺寸相對應(yīng)。在燒成制度中，升溫速度或冷卻速度的允許值取決于坯料在燒成或冷卻時所受到的應(yīng)力作用。這種應(yīng)力主要來源于兩個方面，一種主要是由燒成過程中的溫度梯度和熱膨脹或冷縮造成的。即所謂的熱應(yīng)力；另一種是由于內(nèi)部一系列物理化學(xué)反應(yīng)、晶型轉(zhuǎn)變、重結(jié)晶、