第二章耐火材料的生产基本工艺原理ppt课件.ppt

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1、第二章 耐火材料的生产基本工艺原理,大型液压耐火材料成型机,耐火材料干燥设备,耐火材料烧成设备,第二章 耐火材料的生产基本工艺原理,耐火材料的加工,1,耐火材料的成型工艺,3,坯料的制备,2,耐火材料的烧成,5,耐火材料的干燥,4,第一节 耐火材料的加工,选矿与提纯,原料的煅烧,原料的破粉碎,机械化学和超细粉,助磨剂,第一节 耐火材料的加工,选矿是利用多种矿物的物理和化学性质的差别，将矿物集合体的原矿粉碎，并分离出多种矿物，加以富集的过程。采用那种选矿方法，首先取决于矿物中各种矿物的物理性质。,按颗粒的粒度进行选矿，主要用于松散的小颗粒的或土状岩石，如砂、粘土，此时，可采用水淘洗或利用空气分离

2、法进行选矿。,按颗粒的形状来选矿，它用于具有片状的或针状的结晶（如云母、石墨、石棉等）矿物。这种形状的颗粒，大部分都通不过圆孔筛。,按照密度来进行选矿它是由密度相差很大而颗粒大小相同的矿物构成的松散物料，经过淘洗或空气分离器，密度大的矿物降落在近处，而密度小的矿物则落在较远处。,第一节 耐火材料的加工,浮选法选矿是利用矿物被液体所润湿程度的差别来进行的。重液选矿法亦称重介质选矿法，这是利用矿物的密度差在重液中进行分离的方法。磁力选矿法是基于不同的矿物具有不同的导磁系数。电渗选矿法的原理是利用悬浊液的质点（如粘土、高岭土）带有电荷（一般为负电荷），电流通过悬浊液时，带电的微粒向带有相反电荷的电极

3、移动，并沉积在其表面上。化学方法提纯，是目前制备高纯原料的重要手段。它是利用一系列化学及物理化学反应，使矿物分离。例如，用海水或卤水制备高纯氧化镁。这种方法的缺点是反应过程复杂，成本高。,第一节 耐火材料的加工,1菱镁矿的选矿,在菱镁矿中，往往含有白云石和绿泥石，若要制备高纯镁质原料，则应选矿提纯。常用的选矿方法为重液选矿法、浮选法和化学法。,（1）重液选矿法,选矿前，先将天然菱镁矿石破碎成0-120mm的颗粒，过筛去掉0-8mm颗粒，再分级成60-120mm和8-60mm 二种颗粒，二者选矿流程相似。,（2）浮选,菱镁矿及其杂质对浮选剂（主要为工业脂肪酸混合物）有不同的附着性和润湿性。浮选前

4、，矿石应破碎到0.1-0.2mm的颗粒占70-85。经浮选，原来含37-41的MgO，可制备成含MgO45.5-46.5的精矿。,第一节 耐火材料的加工,众所周知，作为化学选矿法，最有前途的是氯化镁、镁的碳酸氢盐和铵盐的水化物。菱镁矿与盐酸的反应如下：,（3）化学选矿法,沉积物中仍存在硅酸铁和硫化铁。,氯化镁在900-1000水解：,所生成的气态的氯化氢吸附水后可生成盐酸，MgO沉降到沉淀池中成糊膏状。该法制备的产品，MgO含量可达98.4，CaO0.7。,第一节 耐火材料的加工,碳酸氢盐法是将天然菱镁矿轻烧，轻烧温度为700-800，然后破碎到0.25mm，分两步碳化：,含水的碳酸盐很难沉降

5、，难与杂志分开；第二步是将含水的碳酸盐悬浮液加入CO2，压力为686-784kPa，,MgCO33H2O+CO2=Mg(HCO3)2+2H2O,碳酸氢镁按下式分解：,4Mg(HCO3)2=4 MgO3CO24H2O+5 CO2,铵化法是把菱镁矿在600-800轻烧后破碎到0.1mm，加入氯化铵和碳酸铵溶液，反应如下：,MgO+CaO+2H2O+2NH4Cl+(NH4)2CO3=MgCl2+CaCO3+4NH4OH,第一节 耐火材料的加工,铬铁矿的选矿方法包括机械法（洗选、重选、浮选、磁选和静电选矿）、化学法和高温冶金选矿法。选矿前，铬矿原料应破碎到80mm 以下，分级如下：10-80、5-10

6、,0.5-5和0.5mm。其中大颗粒用于重选，小颗粒用于洗选和浮选。,2铬铁矿选矿,3 耐火粘土和高岭土的选矿,耐火粘土和高岭土中含有较多的石英、含铁矿物及其它降低耐火性能的杂质，为制备高质量产品，必须选矿。选矿的方法包括湿法、干法、电磁法及联合选矿法。湿法选矿广泛用于高岭土的初选，其主要工序如下：破粉碎，沉淀，悬浮液浓缩凝聚，脱水，干操。高岭土精矿回收率可达92-95%。,第一节 耐火材料的加工,4.硅石选矿,为达到硅质制品的原料标准(SiO2含量：特级98%，一级97%，二级96%)，对不合要求的原料进行选矿加工，去掉杂质矿物：白云母、绿泥石、赤铁矿、粘土及其它降低硅石质量的岩石。富选的石

7、英加工成0-100mm，由于洗选，杂质及0-5mm硅石变成沉渣，分级成5-45和45-100mm，在进入含水为2.5%的粉碎工序。,第一节 耐火材料的加工,目前，除特殊要求外，全生料的耐火制品已不多见。原料煅烧时产生一系列物理化学反应，形成瘠化剂，作为坯料，能改善制品的成分及其组织结构，保证制品的体积稳定及其外形尺寸的准确性，提高制品的性能。,第一节 耐火材料的加工,原料锻烧的最终目的是达到烧结，有的高温氧化物很难烧结，这对高温设备，燃料消耗等方面都带来了一系列新问题。根据原料特点和工艺要求，提出了原料的活化烧结、轻烧活化、二步煅烧及死烧等概念。,原料煅烧的目的：,活化烧结：早期的活化烧结是通

8、过降低物料粒度，提高比表面积和增加缺陷的办法实现的，把物料充分细磨（一般小于l0m），在较低的温度下烧结制备熟料。,单纯依靠机械粉碎来提高物料的分散度毕竟是有限的，能量消耗大大增加。而且上述方法工艺过程及所用设备都比较复杂，于是采用了新方法如用化学法提高物料活性，研究降低烧结温度促进烧结的工艺方法，提出了轻烧活化，即轻烧-压球（或制坯）-死烧。,第一节 耐火材料的加工,如前所述轻烧的目的在于活化。轻烧温度对活性有很大的形响，它直接关系到熟料的烧结温度及体积密度。一般来讲，对于已确定的物料，总有一个最佳轻烧温度。Mg(OH)2的轻烧温度通常为900左右，轻烧温度过高会使结晶度增加，粒度变大，比表

9、面和活性下降，轻烧温度过低则可能有残留的未分解的母盐而妨碍烧结。,二步煅烧对制备高纯度高密度的镁砂，合成白云石砂开辟了新的途径。但是，二步煅烧与一次烧结相比，工艺过程较复杂，燃耗较大。,死烧：物料达到完全烧结称死烧。对于主晶相为较纯的氧化物制品，根据Korden公式L=0.7Ts(Ts，-主晶相氧化物熔点）估算烧结温度。例如，MgO为2000左右。,第一节 耐火材料的加工,破粉碎是耐火材料工业中必不可少的工序。运到工厂的原料，从粉末到350mm左右，其中大部分是25mm以上的料块。工厂中的破粉碎工序与原料选择是制备高质量产品的关键，对制品性质有直接影响。另外，从成本核算的观点看，破粉碎设备所消

10、耗的动力，所占比例很大，为了节约能源，降低成本，必须重视破粉碎工序。,第一节 耐火材料的加工,破粉碎的目的：,（1）粉碎是选矿工艺中的重要操作环节，由两种以上不同矿物聚 集成的原矿分离和富集同一种组分的颗粒时，为按种类区分，应先将原矿破碎。,（2）为了促进各相间的相互作用，或者把固体颗粒均匀地分散到 液体中去，例如，制备泥浆。,（3）根据工艺要求，制备各种不同的粒度。增加物料的晶格缺陷 和比表面，加快物理化学反应，促进烧结。,第一节 耐火材料的加工,破粉碎方式：,破粉碎方式大致可分如下四种：挤压、冲击、磨碎和劈裂。各种粉碎机械的作用，都是以上几种方式的组合。,粉碎分为干法粉碎和湿法粉碎，湿法粉

11、碎多用于陶瓷或特种耐火材料生产，与干法相比，有以下优点：,（1）粉碎比大，粉碎料粒度小；（2）粉碎效率高，不易于产生粉碎时的“粉壁”现象；（3）设备及碾磨体摩擦损失小；（4）防尘好，有利于文明生产和工艺流程自动化；,除此之外，还有根据粉碎介质划分的低温粉碎、干燥粉碎、依靠粉碎物料相互冲击摩擦粉碎的自身粉碎等。,第一节 耐火材料的加工,破碎原料时，物料的体积和强度指标，对选择破粉碎设备及分析破粉碎效率具有重要意义。某些原料性质列于表2-1。,表2-1,第一节 耐火材料的加工,随着工业的发展和研究工作的不断深入，使人们认识到，机械粉碎并非象传统现点所认为的仅是一个机械力学过程，而是一个对固体施以机

12、械能之后，物料产生物理、化学变化的过程，例如晶体结构、物理-化学性能变化，这一过程称机械化学。机械化学的涉及面很宽，与耐火材料关系密切，现仅以下几点为例：,1晶体结构的变化 晶粒大小、晶格畸变、晶格缺陷、结晶结构等由于机械化学而产生变化。例如，在强大的机械力作用下，单斜的Zr02转变成四方ZrO2。2表面活性的变化 表面能增加，比表面增大，从而改变了耐火材料的固相反应速度，降低烧结温度；3固体表面形成氧化层、非晶层 例如SiO2细磨后，生成可溶性表面层，促发矽肺病。,第一节 耐火材料的加工,目前制备超细颗粒的方法，主要有液、气、固相三种方法，利用反应、蒸发、溶解等过程来制造。对耐火材料而言，由

13、于受成本、产量等诸多因素的制约，机械固相粉碎仍不失为制备超细颗粒的重要手段。用于超细粉碎的机械主要有振动磨、气流磨、塔磨及搅拌球磨机等等。对耐火材料原料及非金属材料的制备而言，搅拌球磨机与振动磨相比，效率高、能耗低。,第一节 耐火材料的加工,亦称粉磨助剂。助磨剂大多为无机或有机物，所以又称为化学助磨剂。,助磨剂：,助磨剂一般是表面活性剂，在粉磨过程中，它能作为吸附在物料颗粒表面的物质，与颗粒产生物理化学作用，产生力学效能，从而加速物料的粉碎。由于加入助磨剂，使物料颗粒表面自由能和晶格畸变程度减小，促使颗粒软化并且助磨剂的吸附能平衡颗粒表面上因粉碎而产生的不饱和价键，防止颗粒重新聚结，从而抑制粉

14、碎的可逆反应。,助磨剂的作用：,第二节 坯料的制备,耐火材料制品几乎都是由粉料颗粒经加工制备而成。一般的颗粒（亦称粉末）系指固体的一种形态。耐火材料所涉及的颗粒，宏观上通常是指毫米至微米级的颗粒。颗粒的堆积物称粉体，粉体的性质取决于颗粒的本质及颗粒大小。,第二节 坯料的制备,2.1 粉体的基本知识,颗粒的几何学性质,粉体的堆积密度,粉碎料的颗粒组成,粉料的流动性,粉料的贮存,第二节 坯料的制备,粉体颗粒的构造,颗粒粒度,颗粒形状,颗粒平均尺寸与颗粒分级,第二节 坯料的制备,在粉体中任取一颗粒置于显微镜下观察发现，这一颗粒可能是不能再区分的、具有明确轮廓的固体颗粒，通常称一次颗粒也可能是多个颗粒

15、的聚集体。一次颗粒并非一定是单晶，而且也不一定都是一个个独自存在，而往往是多个一次颗粒聚集在一起，这样的颗粒称二次颗粒或团聚休。团聚的可能性往往随一次颗粒的变小而增大。对耐火粉体而言，由多晶组成的一次颗粒中，晶粒间的结合有两种情况，即致密结合与松散结合。致密结合的颗粒，粒子间多为面接触，孔隙小、密度大，而松散结合几乎是点接触，孔隙大、密度小。,第二节 坯料的制备,颗粒粒度是粉体最基本的性质，通常指粒径和粒度分布。粒度是指构成粉体的平均颗粒大小，而对单个颗粒来讲就是指其大小。粉体都是由不同粒度颗粒组成的多分散颗粒系统。不同尺寸的粒度组成称粒度分布。,第二节 坯料的制备,颗粒形状直接影响粉体的性质

16、，如物料的流动性，充填性，制品的体积密度，不定形耐火材料（如耐火泥浆、浇注料等）的施工性能。为了表达颗粒与某种形状的接近程度或与某一形体的相对比例，常引进“形状系数”概念。这里仅就体积形状系数和表面积形状系数作简单介绍。,假设一颗粒的粒径为，体积为V，表面积为S，为体积形状系数，为表面积形状系数，则，。对于圆球，对边长为 的 立方体，。,第二节 坯料的制备,构成耐火粉体的多分散颗粒平均粒径可用下式表示：,式中：-1，2和k批组分的相应的颗粒平均直径；G1,G2Gk-与上述相对应的颗粒组分的质量；G-分析试样之质量（G=G1+G2+Gk）G1-某组分在试样中的质量百分率，%K-组分数。,第二节

17、坯料的制备,堆积粉料单位体积的质量称粉体的堆积密度，以 表示。粉料经振动后堆积密度增大的称致密堆积密度，用 表示，松散的堆积密度用 表示。可表征堆积粉料的致密程度，其值可达1.52。值通常随颗粒变小而减小。-固体的真密度，相对密度（填充系数），含水率，粉料的总气孔率（）为。几种物料性质见表2-2。,第二节 坯料的制备,表2-2,第二节 坯料的制备,粉碎后的物料一般都是连续颗粒料，以粘土熟料为例，粉料颗粒组成列于表2-3。,表2-3 粉料的颗粒组成,第二节 坯料的制备,耐火材料在生产和使用中要处理大量的粉料。例如破碎后物料的贮存、输送、混合、搅拌等等，这就必须了解粉体的流动性。通常粉料在重力作用

18、下会流动，但它与液体的流动又不尽相同，这主要表现为以下三点：,（1）粉料在静态条件下能传递剪切应力，静态摩擦角大于零。所以粉料可堆放，而液体则不能；（2）在一般粉料上施加压力后具有粘结强度，并在负载下保持一定形状。例如，有时可在料仓口附近形成一稳定的拱或在仓内某处形成一稳定的穴洞；（3）粉料流动时，其剪切应力与剪切速率无关、而与作用在固体中的平均压力有关；液体恰恰相反，剪切应力与压实力无关，而与剪切速率有关。,第二节 坯料的制备,描述粉料的主要指标是休止角。休止角是指未加负荷的粉料堆积在水平面上，假设落在料堆顶上的料流速度是可忽略不计的，则料堆与水平面的交角称为休止角。,第二节 坯料的制备,物

19、料贮存是耐火材料生产中不可缺少的一环，例如原料贮料仓，贮存经破粉碎加工后的中间料仓。物料通过输送设备进入料仓，贮存后再卸出，这期间都贯穿着物料流动-静止-流动的过程。长期以来，人们对此认识是肤浅的，以致把料仓仅仅作为贮料的简单容器。,1排出口,（1）液体流出时，流量，其中D为料罐直径；（2）粉料卸出时，在料仓口上方的粉料颗粒相互挤压形成拱结构，由于拱承受着上方的压力，可以认为流量与层高无关，见图2-1。,图 2-1 液体（a）与粉料（b）卸出示意图,第二节 坯料的制备,染色颗粒所呈现的流出断面的型式（即流型），为排出口的正上方部分先卸出，然后逐渐扩大流动范围，流动范围之外的部分静止不动。如图2

20、-2所示：D为颗粒自由降落区，C为颗粒垂直运动区，B为颗粒擦过E区向出口中心方向缓慢滑动区；A为颗粒擦过B区向出口中心方向迅速滑动区，E为颗粒不流动区。,2料仓内的流动状态：,显然，凡处在大于休止角的颗粒均产生流向出口中心的运动C区的形状象一个小椭圆体，B,E区的交界面也象一个椭圆体。,图 2-2 出料口料流状态,第二节 坯料的制备,Kvapil提出流动椭圆体的概念，图2-3所示的流动椭圆体EN和FG分别代表上述两个椭圆体。流动椭圆体EN内的颗粒产生两种运动，第一位的（垂直）运动和第二位的（滚动）运动。边界椭圆体EG以外的颗粒层的产生运动。另外，EN的顶部为流动锥体E0。,图2-3 流动椭圆体

21、,第二节 坯料的制备,显然，料仓出口料流如能形成上述椭圆体流型将是所期望的。如果仓内整个粉体层能够大致上均匀下降流出，为图2-4(a)所示，这种流动型式称为整体流（或质量流），其特点是先进先出，即先进仓的物料先流出。反之，如果仓内粉层的流动型式呈漏斗形，使料流顺序紊乱，甚至有部分粉体滞留不动，造成先加入的物料后流出，这种流动型式称为漏斗流，如2-4(b)所示。漏斗流会引起偏析，突然涌出，容重变化，因存贮而结块等不良后果。对易变质粉体来说，后果尤为严重。因此，料仓设计必须满足整体流的要求才是理想的。,第二节 坯料的制备,图 2-4 料仓流动型式（a）整体流；（b）漏斗流,第二节 坯料的制备,料仓

22、结拱一般有如下四种类型：1)压缩拱：粉料受料仓压力而结拱；2)楔性拱：颗粒相互啮合达到平衡而结拱，3)粘结拱：因粉料的粘结或静电引力而结拱；4)压力平衡拱：排料口的局部压力与仓内压力平衡而结拱。,3拱的类型及防拱措施,通常有以下三种方法防止结拱：1）改善料仓的几何形状及尺寸，排料口大的料仓不易结拱，2）降低料仓粉料压力，圆锥部分非对称形可破坏力学平衡，但粒径太大时，可能引起颗粒偏析，3）减小料仓壁摩擦阻力。,第二节 坯料的制备,2.2 坯料的颗粒组成,坯料的颗粒组成对坯体的致密度有很大影响。在不考虑颗粒本身变形的前提下，从粉料制成坯体的总收缩，等于原始气孔的体积。只有符合紧密堆积的颗粒组成，才

23、有得到致密坯体的可能。,1尺寸相同的圆球堆积,对相同尺寸的圆球堆积颗粒间的相互结合，遵循着内能最低的原则；从球体堆积角度看来，这便是球体最紧密堆积原理。,图 2-5 尺寸相同圆球的五种堆积方式（a）立方体配列；（b）单一斜列配列；（c）复合斜列配列；（d）角锥状配列；（e）四面体配列,第二节 坯料的制备,对不同尺寸和不同物料的单一尺寸的圆球进行试验，堆积密度结果基本相同，气孔率均为381。对单一尺寸的圆球，其堆积密度、气孔率与圆球尺寸大小，材料性质无关。,表2-4 单一颗粒的理论堆积方式与气孔率的关系,第二节 坯料的制备,通常向大颗粒的组成中加入一定数目尺寸较小的颗粒，其填充于大颗粒的间隙中，

24、则堆积物间空隙可进一步降低。,2尺寸不同的圆球体堆积,当三组分球作最紧密堆积时，气孔率下降显著，当组分大于3时，则气孔率下降不明显。,表2-5 多组分球体堆积特征,第二节 坯料的制备,（1）不连续颗粒的调整：粗颗粒和细粉混合后，充填容积如图2-6所示、DE表示固体的真体积，F表示细颗粒的填充容积，若用粗颗粒（气孔率为零）进行置换，其充填容积沿F-A-D线变化。同样，将填充容积为C的粗颗粒的一部分以细粉替换时，由于在粗颗粒间隙中填入细粉，所以充填容积沿C-A-O线变化。最后，由充填容积为F的细粉和充填容积为C的粗颗粒所构成的填充容积是F-A-C，在成分A时有最大充填容积。当粗颗粒和细粉的直径比为

25、无限大时这种关系成立。,最紧密堆积的颗粒可分为连续颗粒和不连续颗粒两种：,图2-6 两种颗粒混合物填充容积,第二节 坯料的制备,采用粗颗粒、中颗粒和细粉三种粒度的情况，若考虑用粒径更加细小的细粉混合，所得填充物其气孔率会更小，但实际随着组分的增加，由于各级颗粒的直径比减小，其效果大大减弱，还会给工艺过程与设备带来很多困难。超过四组分以上的配料是没有多大的实际意义。（见图2-7实例）,图2-7 三种粒度混合物充填容积;粒径：粗4.4mm;中0.7mm;细0.09mm,第二节 坯料的制备,图2-8给出三组分填充物堆积密度的计算值和实验值，由图可见，堆积密度最大的组成为：细颗粒：15-30%中颗粒：

26、10-30粗颗粒：55-65%,图 2-8 熟料堆积的气孔率虚线-计算结果；实线-实验结果,第二节 坯料的制备,（）连续颗粒的调整：用间断（不连续）颗粒可以得到最大的填充密度，但是将产重的颗粒偏析，而且从生产实际出发，通过筛分会淘汰大量不属于此范围的颗粒。为此，目前实际生产中，还是选择级配合理的连续颗粒，通过调整各粒级配合的比例量达到尽可能高的填充密度。,在连续颗粒系列中，设D是最大颗粒粒径，d是任意大小颗粒的粒径，y是粒径d以下的含有量，若取配合料总量为100，则：,式中q值随颗粒形状等因素变化，实际上取0.3-0.5时，该颗粒系列构成紧堆积。,第二节 坯料的制备,上述连续或不连续两种颗粒，

27、都是从最紧密填充角度考虑的。根据耐火制品性质要求，可进行适当调整。图2-9制品性质和颗粒组成的关系。从中可以看出颗粒调整的重要性。成型压力对颗粒组成的影响，通常在高压下适于粗颗粒多细粉少的配合料。图2-10取不连续颗粒时，将粗颗粒、细粉的填充容积各以A1，A2及B1，B2表示，低压或高压下的最紧密填充配比分别为m1、m2（粗颗粒和细粉的粒径比假定无限大）。,第二节 坯料的制备,从图2-11可以看出，在一定范围内，试样显气孔率随细粉的增加而降低。当a=0.31和a=0.32时，临界粒度为3和4mm的物料，从其紧密堆积时的颗粒组成计算得知，0.06mm的颗粒层占34和42。,图2-11 临界颗粒尺

28、寸D4mm(a)和D 3mm（b）的物料、n值与显气孔率的关系曲线上的数字表示n的数值,第二节 坯料的制备,细粉的含量，在配料中对坯料性能影响很大，直接影响到制品的组织结构，特别是对制品强度的影响，利用图2-11和2-12并经计算，当临界粒度4mm，a0=0.32,n0=0.69时；临界粒度3mm，a0=0.31和n0=0.52时，试样强度最高，气孔率最低，从而可得出此情况下合理的颗粒组成。,图2-12 颗粒尺寸4mm(a)和 3mm（b）的物料、n值与耐压强度的关系曲线上的数字表示n的数值,第二节 坯料的制备,理想的堆积应该是：粗颗粒构成框架，中间颗粒填充于大颗粒构成的空隙间，与大颗粒相切，

29、细粉填充于中间颗粒构成的空隙中，但这样的理想状态在实际生产中无法实现，即使再引入更小的颗粒,难以达到理想情况。,通过理论计算和实验仍得出对指导工艺过程有实际意义的结论：,1）采用单一的颗粒不能达到紧密堆积；2）采用多组分可达紧密堆积，且组分颗粒尺寸相差越大越好，一般相差4-5 倍以上效果显著；3）较细颗粒的数量，应足够填充于紧密排列的颗粒构成的间隙之中，该数量取 决于颗粒的形状和填充方式。实际上，当有两种组分时，粗细颗粒的数量比 为7:3，当有三种组分时7:1:2；4）增加组分的数目可提高堆积密度，使它接近于最紧密堆积，但当组分大于3 时，实际意义不大（见表2-5）。5）在可能条件下，应适当增

30、大临界颗粒尺寸，以使各组分颗粒尺寸相差大些。,第二节 坯料的制备,细颗粒：从0到0.2mm（或0.1mm）；粗颗粒：从0.5mm到3-4mm。中颗粒：从0.2（或0.1）mm到0.5mm；,在耐火材料生产中，通常多采取三种组分颗粒配合，即粗颗粒、中颗粒和细颗粒，但的粒径范围尚无统一的标准，实际上它受原料的加热性质和其它条件的形响，难于固定不变。如下的粒径范围可作为参考：,第二节 耐火材料的高温使用性质,1配料的组成,2.3 配料,配料组成包括按规定比例配合的各种原料和同一原料的各不同颗粒组成的粉料。,（1）考虑化学组成方面，配料的化学组成必须满足制品的要求，并且高于制品 的指标要求。原因是考虑

31、原料、制品化学组成可能有波动，分析试样时可 能存在误差。在化学组成中有包括对主成分的含量，易熔杂质总量和有害 杂质的许可的最高规定。（2）实际生产中一般采用半干压制法，要求的坯料有足够的结合性，因此在配 料中应含有结合成分。（3）原料中含有水分和灼减成分时，使得原料、配料和制品的化学组成之间出 现换算关系。,第二节 坯料的制备,通常采用两种方法:容积配料法和重量配料法。1)重量配料法应用较普遍，一般采用的重量配料称量设备有手动称量秤、自动称量秤、称量车等。重量配料设备的结构虽较容积配料设备复杂，但配料准确度高，配料误差一般不超过2。在实际生产中采用重量配料法时，应注意原料含水量波动带来的影响。

32、2)容积配料法是按体积比来配料的，各种给料机几乎都能适应作为容积配料的设备，容积配料设备结构简单，易于调节，可连续配料，有的密封性好，有利于防尘措施的实施，但配料的精确度较差一些。配料的准确性（或配料中成分许可的误差）取决于原料的配合比例、原料的组成和在具体场合中的检验方法。,2配料方法,第二节 坯料的制备,使两种以上不均匀物料的成分和颗粒均匀化，促进颗粒接触和塑化的操作过程称混练。,2.4 混练（混合）,混练质量好时的坯料应该是：,1）各个成分应该是均匀分布的（包括不同原料的颗粒，同一原料的不同大小的颗粒和水分）；2）坯料的结合性应得到充分的发挥；3）空气充分排除；4）再粉碎程度小。,第二节

33、 坯料的制备,四种作用力分别为：a液体架桥和毛细管力；b粘结剂附着力；c范德华引力；d机械捏合力。,I)快速混合：该阶段不同成分;不同粒度的颗粒移动，均匀度提高很快。)扩散混合：混合一定程度后，有的颗粒扩散到新出现的物料上，表现均匀程度的增加比阶段小；)后期混合（逆混合过程）包括两种作用：1）颗粒偏析 主要是重力、离心力作用，大颗粒析出，(如图2-15中2)；2）物料产生团 聚、捏合由于较长时间 的混合，受以下四种力的作用，均匀度波动在一定范围内（图2-15中1)。,图2-15 混合过程中的不均匀系数值,上述三阶段实际上是一个不可分割的复杂整体过程。,第三节 耐火材料成型工艺,耐火坯料借助于外

34、力和模型，成为具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品的过程叫成型。,按坯料含水量的多少，成型方法可分如下三种：半干法坯料水分5左右，可塑法坯料水分15左右，注浆法坯料水分40左右。,对于一般耐火制品，大多采用半干法成型。除上述方法外，还有振动成型、500-1500的热压成型、等静压成型等。,第三节 耐火材料成型工艺,3.1 半干法压制的理论基础,半干法压制的物理性质,压制的动力学过程,压制压力,压制时压力的分布与层密度现象,弹性后效,影响层裂的因素及防止方法,第三节 耐火材料成型工艺,以上各种力的作用程度，取决于颗粒形状、坯料物理化学性质以及颗粒表面状态。形状复杂的颗粒，机械结合力起主要作用。形

35、状简单的颗粒，摩擦力及静电引力起主要作用。在工艺条件相同的一定范围内，压制时压力增加，坯体的气孔率下降，密度增大，强度随之提高。,）物理性质：压制过程中松散的物料没有足够的水分时，必须施加较大压力，借助于压力的作用坯料颗粒重新分布，在机械结合力、静电吸引力以及摩擦力的作用下，坯料颗粒紧密结合，发生弹性形变和脆性形变，空气排出，坯料颗粒结合成具有一定尺寸及形状和一定强度的制品。,耐火材料的坯料和砖坯，都是由固体物质、水（或其它状态的结合剂）和空气组成的三相系统，在整个压制过程中，固相和液相量没有改变，而坯料中空气的数量被压缩和减少，被压缩的坯料容积亦相应减少。,第三节 耐火材料成型工艺,）压制动

36、力学过程：压制过程用压力压缩曲线表示（见图2-16）。,第一阶段：在压力的作用下，坯料中的颗粒开始移动，重新配置成较紧密的堆积，当压力增至某一数值后，进入第二阶段，该过程的特点是压缩明显。第二阶段：颗粒发生脆性及弹性变形，此过程阶段特性是坯料的压缩呈阶梯式。坯料被压缩到一定程度后，即阻碍进一步压缩，当压力增加达到使颗粒再度发生变形的外力时，由于颗粒的变形，才引起坯料的压缩，并伴随有坯体致密度增加，这种压缩及增压的阶段，变的短促而频繁。第三阶段：在极限压力下，坯料的致密度不再提高。,图 2-16 压力压缩曲线,实现压制的三个阶段：,第三节 耐火材料成型工艺,）压制压力：使坯体获得一定密度的压力，

37、由下列三部分组成：,a）克服坯料颗粒间内摩擦力的压力P1；b）克服坯料颗粒与模壁间的外摩擦力P2；c）由于坯料水分、颗粒组成及其在模内填充的不均匀性，使压力的分布在某 些部分呈现不均匀性，为克服这种压力分布不均匀性，需要过剩压力P3。所以，总压力应为：P总=P1+P2+P3,第三节 耐火材料成型工艺,4)压力分布及层密度现象：压制时压力用于克服颗粒之间的内摩擦力、颗粒与模壁间的外摩擦力以及被压坯料的变形，所施压力的分布是不均匀的，随远离受压面压强逐渐降低。影响坯体均匀程度的因素：,（a）坯体的均匀程度随坯体内、外摩擦系数的降低而增大。（b）坯体均匀程度随受压面的增大以及坯体厚度和周边长度的减小

38、而提高，所以双面加压制品的密度较均匀。对一般耐火制品其密度差允许1-2。（c）坯料中引入某些塑化剂及表面活性剂，有助于提高坯体密度的均匀性。（d）一定范围内坯料颗粒较粗，水分较大，有助于提高坯体密度的均匀性。,坯体内距受压面近的地方密度大，而随着离受压面距离的增加，气孔率逐渐增大，密度下降，坯体的这种现象称“层密度”。,第三节 耐火材料成型工艺,）弹性滞后：坯休被压制时，施加于坯体上的外力被方向相反、大小相等的内部弹性力所均衡。内部弹性力不仅产生于施加方向，而且向其它所有方向发展（如侧向力）并为模壁所均衡。当外力取消时，内部弹性力被释放出来，使坯体力图在所有方向膨胀。图2-19为加荷卸荷压力与

39、变形的关系。,外力取消后，由于压制过程中产生的弹性力而引起坯体膨胀的作用称弹性后效。,图2-9 加荷卸荷压力与变形的关系,压制时坯体受压方向（纵向）的压力数倍于横向，因而弹性后效在纵向上较大，压力取消后，坯体的横向膨胀被压模的侧壁阻止，而纵向膨胀仅被侧璧的摩擦力抵消一部分，因而纵向呈现较大的膨胀，由于弹性后效引起的不均匀膨胀，以及坯体本身性质的不均匀性，往往导致坯体产生层裂。,第三节 耐火材料成型工艺,）影响层裂的因素及防止方法：压制过程中坯体产生层裂，这是一个非常复杂的过程，其影响因素较多且复杂，如坯料本身的影响（颗粒组成、水分、可塑性等等）、操作条件（压机结构、加压操作情况等等）的影响。,

40、（a）气相的影响。坯料中大部分气体在压制过程中被排除，一部分被压缩。如果压制过程中坯料中的空气未从模内排出，则被压缩在坯体内的空气的压力很大，这样高的压力是造成坯体层裂的重要原因。,（b）水分的影响。在半干压制坯料中水分太大会引起层裂。因为水的压缩性很小，具有弹性，在高的压制压力下，水从颗粒的间隙处被挤入气孔内，当压力消除后，它又重新进入颗粒之间，使颗粒分离，引起坯体体积膨胀，产生层裂。,（c）加压次数对层裂的影响。如图2-19所示，加荷卸荷次数增多，则残余变形逐渐减小，所以在条件相同的情况下，间断地卸荷比一次压制密度高。,（d）压制时间及压力的影响。在条件相同的情况下，慢性地增加压力，即延长

41、加压时间，得到类似压缩程度很大的结果。物料在持续负载的作用下塑性变形很大，塑性变形的绝对值取决于变形速度，在任一级最终荷重下，缓慢加荷比快速加荷使坯体具有更大的塑性变形。,第三节 耐火材料成型工艺,3.2 注浆成型法,使用粉状原料，选择适当的解胶剂（反絮凝剂）使其均匀地悬浮在溶液中，调成泥浆，浇注到有吸水性的模型（一般为石膏模）中吸去水分，按模型形状形成坯体，此法称注浆成型法。,对于不与水化合的材质，一般均以水为悬浮液，对于某些易于水化合的材料，如CaO、MgO等可用有机物作为悬浮液，如无水酒精，为了加快脱水过程，缩短注浆成型时间，可以采取在模子外面造成负压的真空注浆法，或加压注浆法以及离心注

42、浆法。,第三节 耐火材料成型工艺,一般要求泥浆浓稠，容易流动，有粘性，脱模时间要短，并且脱模后的强度要大。对于泥浆的具体要求可列举如下：原料粉应含有适量的微细颗粒，泥浆的密度要大，粘度要小，配料要混合均匀并呈分散状态，解胶剂的种类和加入量要适当（为原料的0.2-0.3%），泥浆中不能含有气泡（有时用真空搅拌脱气），泥浆的温度要保持在20-40。表2-7列举出调制各种原料泥浆使用的解胶剂与泥浆的pH值。,表 2-7 泥浆解胶剂与PH值的关系,第三节 耐火材料成型工艺,泥浆的质量是保证铸件质量的关健。在实际生产中往往会出现几种异常现象：,（1）泥浆冻结。泥浆受振动后结块的现象称冻结。造成这种现象的

43、原因，主要是泥浆的固、液比太大，其次是颗粒配比接近最紧密堆积之故。消除的办法是将泥浆适当地稀释。（2）泥浆的触变。成型后刚脱模的素坯，在稍微受到外力作用后，就变成半流态的现象，这是因为细粉太多，吸附的水膜总面积太大，膜摸后坯体内部残余水分过多。改善颗粒度及配比能消除这种现象。（3）泥浆的沉降容。泥浆经过长时间的静置，其固体物质自行沉降后所占的容积称沉降容。,要求泥浆的沉降容越小越好，这样可得到致密的素坯。,第三节 耐火材料成型工艺,可塑法所用坯料的水分，一般在16以上，将预制好的坯料投入挤泥机中，挤成泥条，然后切割，再按所需要的尺寸制成荒坯，将荒坯用再压机压制，使坯体具有规定的尺寸和形状。,3

44、.3 可塑成型法,坯料的含水量与不同的原料及制品有关，对可塑性粘土物料，水分可适当降低，以10-15%为好。挤泥机的临界压力与坯料的含水量有关。可塑成型法多用来制备大型制品，根据成型操作的不同，可用手工成型，半机械（如夹板锤）或机压成型。,第三节 耐火材料成型工艺,3.4 其它成型方法,1.振动成型,2.热压成型,4.电熔注法,5.等静压成型,3.热压注法,第三节 耐火材料成型工艺,）振动成型：物料在每分钟3000次左右频率的振动下，坯料质点相互撞击，动摩擦代替了质点间的静摩擦，坯料变成具有流动性的颗粒。由于得到振动输入的能量，颗粒在坯料内部具有三度空间的活动能力，使颗粒能够密集并填充于模型的

45、各个角落而将空气排挤出去。因此，在很小的压力下也能获较高密度的制品。在成型多种制品时，振动成型能够有效地代替重型的高压压砖机。振动成型也适于成型密度相差悬殊的物料和成型易碎的脆性物料。,第三节 耐火材料成型工艺,）热压成型：与普通烧结法相比，热压法的优点在于可获得致密度很高的特殊制品，其密度值几乎可达理论值。调节热压条件，能控制晶粒生成，以及在高温下热压，有助于颗粒之间的接触和扩散，从而降低（与普通烧结法相比）烧结温度。热压设备采用液压机和石墨模。石墨模可用感应线圈或电阻加热至所需温度（图2-20)。,热压条件下的烧结，主要是靠塑性流动来实现的，影响制品致密度的因素，主要是颗粒表面的活性及热压

46、力，热压力的大小取决于物料颗粒的切变极限应力。,图2-20 热压用高频加热设备1-通入惰性气体；2-石英管；3-隔热材料；4-惰性气体出口；5-压棒；6-派莱克斯玻璃纤维7-被加压粉料；8-石墨模；9-氮化硼,第三节 耐火材料成型工艺,）热压注法：热压注是注浆法之一，是一种较新的生产陶瓷制品和特种耐火材料的方法。热压注法一般以有机结合剂作为分散介质，以硅酸盐矿物粉末为分散相，在一定温度(70-85)下，配制成料桨，然后在金属模型中成型制品，这种方法适用于生产形状复杂，具有特殊要求的小件制品，还适用于生产可塑性小的材料。如高铝料的成型。其半成品机械强度高，可用机床车削及钻孔加工，可以省掉石膏模型

47、、干燥工序，设备简单，易实现机械化。,第三节 耐火材料成型工艺,）电熔注法：,将耐火原料在电弧炉中熔融，然后将熔体浇注到耐火铸模内铸造成型。因为流体的流动性好，一般浇注温度须在1900-2000。铸造物在凝固过程中生成稳定的晶相，同时形成细致的结晶组织。浇注后，要将铸口除掉，经过几天的缓冷，以防止冷却时出现裂纹，铸块最后经过表面加工便成为制品。采用这种方法成型的制品，目前主要是电熔锆莫来石砖和锆刚玉砖，以及熔融石英砖等。它主要用来砌筑玻璃池窑的炉底。生产再结合砖的原料，大多亦用此法生产。,第三节 耐火材料成型工艺,5)等静压成型：这种方法应用巴斯卡原理，对液体加压，通过橡皮膜将其压力均匀地传给

48、粉料，具有以下特点：,1成型性 加压无方向性，可得到密度均匀的坯体。不会出现其它机械压制时的层密度现象。容易压成形状复杂的制品。2烧结性 由于坯体密度均匀，烧成时收缩物无方向性，不致于因密度差产生应力而出现烧成裂纹。成型密度高，相对降低了烧成温度。,主要设备由高压容器和高压泵组成。成型时，将粉状物料装在橡皮膜或塑料膜内，置于厚钢壁的超高压容器中（图2-21)，由高压泵注入高压液体。工作压力一般为343MPa以上。这种方法，开始只成型小型制品，目前已发展到压制大型制品。,图 2-21 等静压成型机示意图1-上盖；2-橡皮盖；3-高压容器；4-橡皮膜；6-粉料；7-油；8-加压用橡皮膜；9-成型用

49、橡皮膜；10-脱模装置,第四节 耐火材料的干燥,4.1 干燥过程,干燥过程如图2-22所示。分为三个阶段。在此之前有一个加热阶段。一般时间很短，坯体温度上升到湿球温度。此阶段中水分和自坯体中排出水量的变化不大。,图2-22 恒温制度下材料水分及排出水量的变化,第四节 耐火材料的干燥,第一阶段是干燥过程中极主要的阶段，此阶段排出大量水分，在 整个阶段中，排出速度始终是恒定的，故称为等速干燥阶段。在此阶段中，干燥速度等于自由水面的蒸发速度，干燥速度与坯体的厚度（或粒度）及最初含水量无关。而与干燥介质（空气）的温度、湿度及运动速度有关。,第二阶段是降速干燥阶段，随着干燥时间的延长，或坯体含水量的减少

50、，坯体表面的有效蒸发面积逐渐减少，干燥速度逐渐降低。此时，水分从表面蒸发的速度超过自坯体内部向表面扩散的速度，因此干燥速度受空气的温度，湿度及运动速度的影响较小。,第三阶段干燥速度逐渐接近零，最终坯体水分不再减少。当空气中干燥温度小于100时，此时保留在坯体中的水分称为平衡水分。这部分水分被固体颗粒牢固地吸附着。,第四节 耐火材料的干燥,以上三个阶段的明显程度，依坯体中水分的多少而定，一般对可塑法成型的坯体来说，三个阶段比较明显，而对水分不大的半干法成型的坯体。,干燥过程中，坯料内水分的粘度和表面张力随温度升高而降低（图2-23）。干燥温度从0提高到100，水的粘度大约降低了85，而表面张力大