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1、第三章 耐火材料生产工艺及主要设备,3.1 耐火材料生产工艺概述3.2 原料的加工3.3 坯料的制备3.4 耐火材料成型工艺3.5 砖坯干燥3.6 耐火制品的烧成,3.1 耐火材料生产工艺概述：耐火材料是为高温技术服务的重要的基础材料。随着高温窑炉技术，要求耐火材料满足日益苛刻的使用条件及要求，品种繁多、性质各异的耐火材料制品。所用原料以及对产品质量要求的不同，不同类型耐火材料的 生产方法也各有特点。耐火材料的生产方法随其品种而异。耐火材料的生产是有共性的。生产工序：原料的煅烧、破粉碎、细磨、筛分、配料、混合、成型、干燥、烧成主要工序。,实际煅烧中，纯净的物料是很难烧结的 对煅烧设备的使用寿命
2、不利并需消耗大量能源。高纯白云石1700的高温烧结 高纯镁砂19002000烧结。纯净原料的煅烧方法:a 增加物料的比表面积的方法降低烧结温度 靠单纯的降低物料粒度增加比表面积是有一定限度的，磨粉的能耗很大。,b 轻烧活化解决纯净的物料难烧结的问题。轻烧活化:将物料在一定温度下进行轻烧。使晶格缺陷增加。活性提高，再进行死烧，轻烧压球或压块死烧，也称二步煅烧法。在1600 以下，制成高纯度，高密度的烧结镁砂，MgO含量高达99.9，密度可达3.4gcm3。物料纯度不高，杂质含量大于4的镁砂，不采用二步煅烧法 有些矿物，硅石、叶蜡石等在加热过程中体积变化很小，不必预先煅烧而直接用于制砖。,2.破、
3、粉碎原料的破、粉碎：用机械方法(或其它方法)对原料施以外力(包括压、剪切、弯曲、撞击、研磨等作用力)，克服固体物料各质点间的内聚力，碎成小块或细粉的过程。耐火原料：350mm左右的大块，粉末状的、块料不能直接用于生产耐火制品，需经过破、粉碎处理。破、粉碎的目的：将块状原料制备成具有一定粒度组成的颗粒料或细粉，以便将不同配合的物料混合均匀；增加物料的比表面积，提高其物理化学反应的速度，促进烧结。,破、粉碎过程：,粗破碎 250300mm大块碎成4050mm中块细破碎 4050mm中块粉碎至小于5mm的颗粒,一级细磨 10mm左右粗粒磨细成小于0.088mm以下的细粉,二级破碎,3.3 坯料的制备
4、 耐火材料制品由粉料颗粒经加工制备而成。耐火材料涉及的颗粒，是指毫米至微米级的颗粒。颗粒的堆积物称粉体，粉体性质取决颗粒的本质及颗粒大小,1.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。符合紧密堆积的颗粒组成，才有得到致密坯体的可能。,尺寸相同的圆球堆积 颗粒间的相互结合，遵循着内能最低的原则 相同尺寸的球，有五种堆积方式:,对单一尺寸的圆球来说，其堆积密度、气孔率与圆球尺寸大小，材料性质无关，按六方型以配位数为8的方式堆积。在任何情况下，其气孔率均为381。,尺寸不同的圆球体堆积 大颗粒的组成中加入一定数目
5、尺寸较小的颗粒，填充于大颗粒的间隙，则堆积物间空隙可进一步降低。假如向第一组球内引入第二组球，其尺寸比第一组球小，第二组球在空隙内也能以配位数为8的方式堆积，则混合物的空隙下降为14.4。再加入体积更小的第三、第四组球，空隙还会进一步下降 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。,多组分球体堆积特征,理想的堆积: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，细粉填充于中间颗粒构成的空隙中，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，而且组分颗粒尺寸相差越大越好，一般相差45倍以上效果方显著,3)较细颗粒的数量，应足够填
6、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。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,当组分大于3时，实际意义不大5)在可能条件下，应适当增大临界颗粒尺寸，以使各组分颗粒尺寸相差大些。,在耐火材料生产中 通常多采取三种组分颗粒配合 粗颗粒 中颗粒 细颗粒 细颗粒，从0到0.2mm(或0.1mm)中颗粒：从0.2(或0.1)mm到0.5mm 粗颗粒:从0.5mm到34mm，,2 配料 1配料的组成 配料的组成：按规定比例配合的各种原料是和同一原料的各不同颗粒组成的粉料。它随制品的类型和性能要
7、求、所用原料的性质及工艺条件而改变。,这一句话的如何理解？,(1)从化学组成方面看，配料的化学组成必须能满足制品的要求，并且应比制品的指标要求高此。(2)现在生产中一般采用半干压制法，它要求的坯料具有足够的结合性，在配料中应含有结合成分。有时结合作用可由配料中的主体原料来承担，但有时主体原料是瘠性的，则要由具有粘结能力的结合剂来完成，如纸浆废液、结合粘土和石灰乳等。(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。,结合剂的化学矿物组成组成,堇青石莫来石耐火材料配料,2配料方法 容积配料法和重量配料法。重量配料法应用得较普遍，重量配料设备的结构虽较容积配料设备复
8、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。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，工厂中常用的有带式、板式、槽式、圆盘式、格式、螺旋式和振动式给料机等。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。,3.2 混练 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。耐火材料的混练是混合的一种方式，伴随有一定程度的挤压、捏和、排气过程在内。坯料混合的目的：使坯料中成分和性质均匀，即在单位质量或体积内具有同样的成分和颗粒组
9、成。,混练质量好时的坯料：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等）2）配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。,混合机理：1)对流混合(亦称移动混合)，颗粒成团的移动，2)扩散混合，颗粒分散到新出现的粉料面上，3)剪切混合，在物料团块内部颗粒之间相对的缓慢移动，在物料中形成若干滑移面在混合过程中，三种机理不能截然分开，主要以混合设备的不同，取主导地位的混合机理各异。,混合过程：1）快速混合阶段，不同成分，不同粒度的颗粒移动，均匀度提高很快，2）扩散混合阶段：混合达一定程度后，有的颗粒扩散到新出现的物料上，这阶段表现为均匀程
10、度的增加比上一阶段小 3）后期混合阶段(或称逆混合过程)两种作用，颗粒偏析 主要由重力、离心力作用，大颗粒偏离析出，团聚、捏合 由于较长时间的混合，受以下四种力的作用，物料产生团聚，捏合，均匀度波动在一定范围内。四种力为 a 液体架桥和毛细管引力，b 粘结剂附着力，c 范德华引力；d 机械捏合力。,混练时的加料顺序：混料时的加料顺序对于泥料混合的均匀性影响很大。先加入粗颗粒料，加水或泥浆、纸浆废液，混合12min后，再加细粉，若粗细颗粒同时加入，易出现细粉集中成小泥团及“白料”。但能否执行上述加料顺序，还受配料方式的限制。如果采用配料车配料，按配料比分别称量好各组分的料后，一次同时加入湿碾机中
11、混合，经一段时间干混后再润湿颗粒，加水润湿时，以喷雾状加入混合质量最好。,坯料的塑化处理：耐火材料的配料中瘠性料所占比例很大，所以提高泥料的可塑性，改善其成型性能是很重要的。简单可行的塑化处理方法之一是困料。困料：将混练后或经过挤泥处理的坯料，在一定的温度和湿度的环境中贮放一定时间。困料方法简单，是一个复杂的物理化学反应过程。在这个过程中，水分分布更均匀，坯料表面蒸发的水分很少。在坯料中分布不均匀的水分，靠毛细管的作用从水分较多的地方移向较少处，原来被空气填充的毛细管空间可能被水分重新填充，捉高了泥料的可塑性。,在潮湿的环境中，细菌的作用使有机物变质并生成有机酸，起着表面活性剂的作用，使坯料均
12、化。困料中的水化反应，有时能产生胶体物质 例如含CaO偏高的镁质坯料在困料时有下述化学反应发生：MgO+H2OMg(OH)2 CaO+H2O Ca(OH)2 生成物呈胶体性质，提高坯料的结合性和可塑性，降低体积效应的危性。困料的条件要严格控制，温度过高，时间过长，都会使生成的胶体老化，水分散失。另外，困料时间太长，占用场地面积大，会给连续人生产造成一定的困难。,目前对特殊要求的一些坯料采用真空塑化处理。坯料可塑性在很大程度上取决于颗粒周围的水溶剂化膜的作用，因为它起润滑剂的作用，降低颗粒间的摩擦，促使其滑动。颗粒周围的空气则使颗粒分离，降低其可塑性。排除气泡可使可塑性提高，真空处理能起到排除气
13、泡的作用。加入表面活性物质，塑化剂等亦能提高可塑性。,3.4 耐火材料成型工艺 耐火坯料借助于外力和模型，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。压制和成型是耐火材料生产工艺过程中的重要环节。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。振动成型5001500的热压成型等静压成型。,1.半干法压制的理论基础1）半干法压制的物理实质 压制过程中，松散的物料没有足够的水分，施以较大的压力，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
14、颗粒结合 形成具有一定尺寸及形状和一定强度的制品,2）压制的动力学过程 压制按三段进行的：(1)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。(2)第二阶段，颗粒发生脆性及弹性变形，此过程具有阶段特性，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，变得短促而频繁，最后，压制进入到第三阶段。(3)第三阶段，在极限压力下，坯料的致密度不再提高。,3）压制压力(1)克服坯料颗粒间内摩擦力的
15、压力P1，(2)克服坯料颗粒与模壁问的外摩擦力P2，(3)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,总压力应为P总=P1+P2+P3,半干压成型方法，分机压和手工成型两种。泥料为半干状态的颗粒料水分含量一般为310。手工(或振动)成型主要用于生产一些大型或特异型的制品，所用泥料的水分含量偏高，为1012。采用半干法成型应注意“层密度”和“弹性后效”问题。层密度：在压制过程中，因为压强在坯体内不遵守巴斯卡定律，距受压面近的地方密度大，而随着距受压面距离的增加，气孔率逐渐增大、密度下降的现象。弹性后效：外力取消
16、后，压制过程中产生的弹性力而引起坯体膨胀的作用。弹性后效在压制过程中往往是造成废品的直接原因。,2注浆法 注浆成型法是将含水量在40左右的泥浆注入到有吸水性的模型(一般为石膏模)中，石膏模吸收泥浆水分，在表面形成一层泥料膜，当泥料膜随时间延长而达到一定厚度要求，倒掉多余泥浆，放置一段时间，待坯体达到一定强度时脱模，凉干并修坯后，送入下道工序。此法主要用于生产薄壁中空的高级制品及特殊制品，如热电偶套管、高温炉管以及坩埚等。3可塑法 可塑法是指用含水量为16以上呈塑性状态的泥料制成坯体的方法。通常是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
17、具有规定的尺寸和形状。,4振动成型法 振动成型是物料在每分钟3000次频率振动下，质点互相碰撞，使颗粒密集充满模内空间，得到较高致密度耐火制品的成型方法。它一般还要辅以加压，又称加压振动法。振动成型法中的振动力、结合剂种类及数量、颗粒配比、水分含量和加大小，对耐火制品的性能和质量均有影响 振动成型粘土砖、高铝砖和焦油镁质砖时，一定要有足够的细粉量；0.088mm细颗粒要占物料的30，或者35，否则，不能达到较为理想的体积密度。5等静压成型应用巴斯卡原理，对液体加压，通过橡皮模将其压力均匀地传给粉料。特点是消除了其它机械压制时的层密度现象。由于其加压无方向性，因而可以得到密度均匀的坯体。坯体密度
18、均匀，烧成时收缩无方向性，故不致因密度差产生应力而出现烧成裂纹。易于加工形状复杂的制品。,大型加压振动成型机,1两个汽缸，既起到加压作用，又是气弹簧2是活动横梁用以安装上锤头3模型4装在模型台5上6为下模板7为传振杆8是双轴惯性激振器9是空气弹簧,加压振动成型的原理,1)振动成型的原理：泥料在频率很高的振动力F1的作用下，泥料各质点间将产生运动而先碰撞，动摩擦代替了静摩擦，使得泥料中各颗粒的内摩擦得以降低 有利于颗粒的流动，使之具有类似于流体的特性，因而有利于被密实和脱气。当结合剂的比例和成分选择合适的时候，更有利于密实过程。,加压振动成型的原理,2)加压振动的原理：泥料受到一个振动力Fl 在
19、泥料上方再施加一个向下的力，即是一个支持振动力的作用，使整个振动过程类似于加压成型或风锤捣固成型一样的效果，有利于密实。,3)双面加压振动成型的原理：如果上述的力是一个不变的力，那么打击的效果则将是单面加压的结果，泥料的下面密实度好，而越到上面就越差，如果施加一个与振动力Fl反相位的力F2，必然产生一个双向打击的效果，而有利于提高半成品密实度的均匀性。只要在锤头上增加一个特殊的弹簧，可以得到这一效果 这一弹簧应能根据泥料的特性进行调整，以得到更好的效果。,加压振动成型的原理,1.上加压油缸2.泥料3.弹簧4.上模板5.模型6.下模板7.模型台8.传振杆,1.可调整压力的液压缸3.装有一组特殊弹
20、簧的上锤头，用以使上锤头能够响应正弦振动,双轴惯性激振器产生高频率的振动力,1是振动台面，2是弹簧，3是弹簧座，4是轴承座，5是联轴器，6是电机，7是偏心块，8是轴。,1是振动台面，2是弹簧，3是弹簧座，4是轴承座，5是联轴器，6是电机，7是偏心块，8是轴。,6热压成型和电熔铸法 热压成型是烧结时施以压力，以保证足够的推动力，从而获得致密度很高的特殊制品，其密度值几乎可达理论值。电熔铸法是将原料在电弧炉内高温熔融后，铸入模内，缓慢冷却成型。这种方法主要用于生产电熔锆莫来石砖和电熔锆刚玉砖及熔融石英砖等。缺点是耗电量大，生产成本高。,3.5 砖坯干燥 成型砖坯:含水量3.5以上，强度较低，直接进
21、入烧成工序，烧成初期升温速度较快，水分急骤排出而产生裂纹废品，在运输、装窑过程中也容易产生较多的破损。干燥的目的：提高其机械强度和保证烧成初期能够顺利进行。1.干燥过程 砖坯在干燥器中通过介质(热空气或烟气)获得热量而升温，水分逸出坯体排出。于物料性质，颗粒大小和干燥介质的温度与相对湿度。,干燥过程可分为三个阶段：第一阶段为等速干燥阶段 第二阶段为降速干燥阶段 第三阶段为平衡干燥阶段,第一阶段排出大量水分，排水速度平稳干燥速度与坯体厚度及最初含水量无关 与干燥介质(空气)的温度、湿度及运动速度有关。,第二阶段 水分主要是从坯体内部向表面扩散而蒸发排出。主要取决于含水量，坯体内部结构(毛细管状况
22、)水的粘度和物料性质等。第三阶段坯体水分不再减少取决物料性质、颗粒大小、干燥介质的温度与相对湿度,2干燥制度 干燥时间进入干燥介质的温度和相对湿度排出干燥介质的温度和相对湿度，砖坯干燥前的水分干燥终了后的残余水分,确定干燥时间考虑的因素：1)物料的性质和结构：以粘土砖为例，配料中结合粘土的可塑性越强，加入量越多，颗粒组成越细时，干燥越困难。2)砖坯的形状和大小：砖坯单重越大，形状越复杂，干燥越要缓慢进行。3)坯体最初含水量和干燥后残余水分的要求。4)干燥介质的温度、湿度和流速以及在干燥器中的温度降,砖坯干燥残余水分确定因素：1)砖坯的机械强度应能满足运输装窑的要求。2)满足烧成初期快速升温的要
23、求(不致因过热蒸汽发生裂纹)3)制品大小和厚度，形状复杂大型和异型制品残余水分应低些 4)不同类型烧成窑有不同的要求，残余水分过低是不必要的,耐火制品的干燥设备：隧道干燥器室式干燥器。半干法压制粘土砖在隧道窑烧成，残余水分低于23 在其它窑烧成时要低于45。硅砖残余水分于12，镁砖残余水分为0.61.0。,隧道干燥器干燥某些制品的参数,3.6耐火制品的烧成 制品在烧成过程中发生一系列物理化学变化 随着这些变化的进行，气孔率降低，体积密度增大，坯体变成具有一定尺寸形状和结构强度的制品。形成稳定的组织结构和矿物相，提供适用于不同使用条件下对制品所要求的性质,1烧成过程中的物理化学变化 1)温度范围
24、为10200：坯体排除残余水分阶段2)温度范围为2001000：排除化学结合水，发生分解，氧化等反应伴随有晶型转变或少量液相的开始生成,3)温度一般在1000 以上液相形成和耐火相合成阶段：分解作用继续完成液相生成量增加某些新耐火矿物相开始形成，并进行溶解重结晶，。4)一般在1200以上，坯体烧结。晶体长大，各种反应趋于完全、充分。5)冷却阶段：最高烧成温度至室温的冷却过程中，耐火相的析晶、晶相的晶型转变、玻璃相的固化,2影响烧结的因素1)液相和重结晶作用：高温作用下，有适量的液相产生，可促进制品的烧成 液相拉近、拉紧固体颗粒，填充孔隙，坯体的致密度提高 液相的缓冲烧结不均等产生的应力作用；有
25、晶格缺陷细小晶体在液相中溶解，大晶体不断长大 液相中的成分越多，越复杂，不利于晶体的重结晶；液相的粘度越低，利于重结晶的进行；,2)固相反应：固相反应：质点扩散作用使相互接触物质进行反应，生成新的反应产物。影响固相反应的关键：物质质点的迁移扩散。加速扩散，加速了反应，促进了烧结。影响扩散的能力：反应物的晶体结构晶粒大小和缺陷、反应物之间的接触面。具体方法：物料的细粉碎、均匀混合 在反应物中加少量的矿化物,3)再结晶和聚集再结晶作用：在高温作用下，在同一晶体内部进行，能够消除组成晶格质点的空位，校正晶体的缺陷；若在晶粒间接触面进行，则使接触界面逐渐扩大，达到晶粒间的聚集和粘合。这就是再结晶和聚集
26、再结晶的作用。再结晶和聚集再结晶结果：促进晶体长大和坯体密度提高，使坯体烧结促进再结晶和聚集再结晶作用的措施：细粉碎、增加晶粒结构的缺陷，扩大接触面；加入少量矿化物、与主晶相反应，形成固溶体 加速再结晶；提高烧成温度，促使反应强化激烈。,3烧成制度的确定 耐火制品的烧成制度：升温速度 烧成最高温度 在最高烧成温度下的保温时间 冷却速度 烧成气氛等。,升温速度或冷却速度取决坯料受到的应力作用。应力来源：烧成过程中温度梯度、热膨胀或冷缩制品、内部的物理化学反应、晶型转变、重结晶、晶体长大等,低温阶段200以前应缓慢升温。排除坯体内的残余水分。升温过快，水分急剧蒸发 产生过热蒸汽压力会造成坯体开裂或
27、炸裂 坯体中残余水分愈多制品愈厚，愈应缓慢升温 冷却速度，除粘土制品外，应控制速度不能太快否则会产生冷却裂纹。,各阶段升温速率控制：,中温阶段：可快速升温速度，保持氧化气氛。坯体中有机物质氧化烧掉，以免产 生“黑心”和“红心”。高温阶段原料越纯，晶位越高，烧成温度越高。最高烧成温度下应进行必要时间的保温。保温时间越长，反应得越充分。粘土砖保温时间是68h，而硅砖则是3640h。,烧成时窑内气氛氧化还原中性。气氛由物料的组成和性质、加入物决定。硅砖高温状态下(1000)、还原性气氛烧成缓和，形成足够的液相，利于鳞石英的成长。镁砖烧成弱氧化性气氛,砖坯在窑内的码放(装窑)装窑密度有效断面积加热有效
28、面积等。码放（装窑）要求：砖垛稳固火道布置合理减少烟气运动阻力使气流按各部位装砖量分布达到均匀加热,大多数制品重烧都是收缩，为什么砌筑窑炉时还要留膨胀缝？留膨胀缝的依据是什么？耐火材料在烧成过程中，其间的物理化学变化一般都未达到烧成温度下的平衡状态，当制品在长期使用中，受高温作用时，一些物理化学变化仍然会继续进行；制品在实际烧成过程中，由于各种原因，会有烧成不充分的制品，此种制品在窑炉上使用再受高温作用时，由于一些烧成变化继续进行，结果使制品的体积发生变化一膨胀或收缩。这种不可逆的体积变化称为残余收缩或膨胀，随着材料的使用此收缩会减小或消失，不再发生收缩。热膨胀性是指耐火制品在加热过程中的长度变化，炉窑在常温下砌筑，而在高温下使用时炉体要膨胀。为抵消热膨胀造成的应力，需预留膨胀缝。线膨胀率和线膨胀系数是预留膨胀缝和砌体总尺寸结构设计计算的关键参数。,设产品的尺寸为：30030010mm 产品的成型压强为500kg/cm2产品所受的压力为3030500450000kg设油压机的油缸直径为500mm 则：油压机压力表读数为450000/2523.14=229.3kg/cm2=23Mpa,
