耐火材料的生產(chǎn)過程概述剖析

耐火材料的生產(chǎn)過程概述剖析10/17/20232一、耐火原料的選擇耐火原料的選擇從兩個方面進行考慮：（1）化學觀點：選擇具有高熔點的單質或化合物；（2）礦物觀點：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個元素中（稀土元素除外）熔點高于2000℃的有10個，只有碳（熔點3500℃，有的書中為3700±100℃）具有耐火材料生產(chǎn)的實際意義，其它元素的數(shù)量不大。第一節(jié)耐火材料的選擇與加工10/17/2023材料科學與工程學院3

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：酸性氧化物熔點最低：如SiO21713℃，TiO21825℃；中性氧化物次之：如Al2O32050℃，Cr2O32275℃；堿性氧化物熔點高：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）熔點為1870℃；鎂鋁尖晶石（Al2O3·MgO）熔點為2105℃；鎂鉻尖晶石（Cr2O3·MgO）熔點為2350℃。10/17/2023材料科學與工程學院4d)四元化合物估計可用作耐火原料的有400～600種，如：堇青石（2MgO·2Al2O3·5SiO2）。合計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。

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除了考慮熔點外，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的熔點為1772℃，可以用作耐火原料，但是太昂貴了。10/17/2023材料科學與工程學院5（一）采礦和選礦

1、采礦考慮：儲量豐富，可穩(wěn)定的供應原礦，質量波動不大，雜質含量符合技術要求。綜合利用（具有開采價值的要素：品位）

2、選礦：機械、物理、化學等方法將所選目標礦物富集，并按礦物中各種礦物的物理性質選用合適的選礦方法。二、耐火原料的加工10/17/2023材料科學與工程學院63、主要方法：重液法：利用礦物的密度差，在重液中進行分離；磁力法：利用不同礦物具有不同的磁導系數(shù)；浮選法：利用礦物被液體所潤濕程度的差別來進行（工業(yè)脂肪酸的混合物）化學法：利用一系列物理化學反應使礦物分離；電泳法(電滲選礦法)：利用懸浮液的質點(如黏土、高嶺土)帶有電荷,電流通過懸浮液時,帶電的微粒向帶有相反電荷的電極移動,并沉積在其表面上。10/17/2023材料科學與工程學院710/17/2023材料科學與工程學院8三、其它成型方法

熱壓成型（熱塑性、晶界蠕動）致密金剛石、炭化硅、賽?。ǎ⒍趸啞⒀趸X，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成型

3000次/分鐘振動，使顆粒重排設備：振動錘、振動臺、振動器（耐火混凝土常用）10/17/2023材料科學與工程學院910/17/2023材料科學與工程學院1010/17/2023材料科學與工程學院11

干燥的重要性

干燥階段

干燥速度與干燥條件的關系

干燥過程氣孔形成和應力產(chǎn)生第四節(jié)耐火材料的干燥10/17/2023材料科學與工程學院12為什么要進行干燥?*重要工序使坯體獲得一定機械強度，有利于裝窯和保證燒成初期能夠順利進行;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，沒有強度10/17/2023材料科學與工程學院13一、干燥階段10/17/2023材料科學與工程學院1410/17/2023材料科學與工程學院15

①預備階段（加熱階段）②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。（僅與干燥介質的性質有關）——屬于表面蒸發(fā)率速過程

③第二階段(降速階段):

干燥速度降低，干燥介質影響較小，（與坯體含水量和內(nèi)部結構有關）——擴散率速過程④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、顆粒大小、干燥介質的溫度與相對濕度

10/17/2023材料科學與工程學院16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℃時保留在坯體中的水分.當坯體的含水量與外界條件(周圍空氣)達到平衡時所含的水分;10/17/2023材料科學與工程學院17二、干燥速度與干燥條件的關系

溫度濕度流動速度（干燥介質）（等速干燥影響較為明顯（表面過程）10/17/2023材料科學與工程學院1810/17/2023材料科學與工程學院19三、干燥過程氣孔形成和應力產(chǎn)生對坯體水分認識：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)時排出水分（剛性體不發(fā)生收縮）10/17/2023材料科學與工程學院201、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：收縮與排出水分體積相等；點以后：排出水分大于收縮體積，所以產(chǎn)生氣孔。10/17/2023材料科學與工程學院21

干燥時，內(nèi)部水分不等，存在水分梯度，導致坯體干燥不均勻，使得坯體內(nèi)部產(chǎn)生應力；等速干燥階段：干燥曲線平行（5%以上）某一點時，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，導致內(nèi)部產(chǎn)生應力2、內(nèi)部應力的產(chǎn)生10/17/2023材料科學與工程學院22

①應力產(chǎn)生表現(xiàn)：干燥變形干燥裂紋

②應力克服措施：減速干燥階段，采取溫度梯度干燥；控制干燥速度10/17/2023材料科學與工程學院23四、干燥制度

磚坯進行干燥時，控制條件的總和，包括：干燥時間，進入和排出干燥劑的溫度，相對濕度，坯體干燥前后的水分；干燥時間關系到正確選擇干燥設備，保證正常生產(chǎn)與經(jīng)濟性，是重要參數(shù)。10/17/2023材料科學與工程學院241、影響干燥時間因素（干燥速度）物料性質與結構（結合粘土量、熟料顆粒組成：粗細）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的溫度、濕度和流速干燥介質在干燥器中的溫度降干燥器的密封情況。10/17/2023材料科學與工程學院252、干燥后殘余水分的確定足夠的機械強度（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）10/17/2023材料科學與工程學院26

回轉窯：含水量低（推車制度決定）；其他窯：水分可以提高。粘土磚：2~3%

硅磚：1~2%

鎂磚：0.6~1.0%（防止水化）10/17/2023材料科學與工程學院274、干燥設備隧道干燥器、室式干燥器、其它（利用隧道窯的熱煙氣）

3、具體干燥制度10/17/2023材料科學與工程學院28

定義：對坯體進行加熱處理，使其達到燒結的過程。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、形狀和結構強度制品，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10/17/2023材料科學與工程學院29（一）燒成過程中的物理、化學變化1、坯體排出水分過程（室溫~200℃）為殘余水分排出，該過程完成較快

10/17/2023材料科學與工程學院30

排出結晶水，分解，有機物氧化；同時有少量晶型轉變和低熔液相產(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，強度有所下降（原因：氫鍵消失；由于晶型轉變，密堆結構被改變。2、分解氧化階段（200~1000℃）10/17/2023材料科學與工程學院313、液相與耐火相合成（1000℃以上）

特征：致密化、強度增大、體積縮小、氣孔率降低。將發(fā)生質點的擴散、粘滯流動、溶解沉淀傳質，液體的表面張力使顆粒之間緊密接觸10/17/2023材料科學與工程學院324、燒結液相、固相、反應燒結，氣孔進一步消失或變小，是致密化的最重要的物理化學過程。

5、冷卻耐火相析晶、晶型轉變、玻璃相固化使坯體強度、密度、體積依品種不同都有相應變化舉例：質耐火材料將發(fā)生：（粉化）陶瓷將發(fā)生立方向四方和單斜晶體結構的轉化。10/17/2023材料科學與工程學院33二、燒結1、定義：物料經(jīng)高溫作用，變成具有一定強度和氣孔率很低（或無氣孔）的致密石狀物的工藝過程。燒結模型燒結傳質的動力遷移機制10/17/2023材料科學與工程學院34燒結系數(shù)：式中，為燒結前后的氣孔率；燒結前后的強度；系數(shù)（多孔材料例外）2、衡量燒結強度的方法灼減、相對密度、體積密度、吸水率、晶體粒徑、水化強度（堿土金屬氧化物制備耐火材料易水化，致密時，水化程度減小。10/17/2023材料科學與工程學院35熱態(tài)接觸：質點間接觸增加，邊界保留；開始階段：質點間邊界消失，新氣孔尚未形成；形成封閉氣孔階段；燒結過程中物理性能變化（制品尺寸、體積密度、氣孔率）

3、耐火材料的燒結過程10/17/2023材料科學與工程學院364、影響燒結的因素1、物料的結晶化學特性晶格能，晶格能大，鍵力強，結構牢固，高溫下質點的可動性小，燒結困難；陽離子極性：陽離子極性小的離子難以燒結（難以燒結）晶粒生長：長大50倍，相對密度95%長大1500倍，相對密度60~80%第二相析出，晶粒長大50微米，相對密度不足90%10/17/2023材料科學與工程學院37

2、物料分散度（粉碎）粉體的表面積越大，質點的可動性越強，燒結活性越高

舉例：就可達到，鋁礬土亦同樣10/17/2023材料科學與工程學院383、溫度和保溫時間型關系，過于提高燒結溫度，延長燒結時間無益。

4、坯體的致密情況（加強質點間的接觸）高溫下促進塑性流動；加快質點間擴散（增多缺陷數(shù)量）。10/17/2023材料科學與工程學院395、外加劑作用：

固溶體：增加晶格缺陷，活