耐火材料的生產(chǎn)過(guò)程概述

12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院1一、耐火原料的選擇耐火原料的選擇從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：（1）化學(xué)觀點(diǎn)：選擇具有高熔點(diǎn)的單質(zhì)或化合物；（2）礦物觀點(diǎn)：選擇具有高耐火度的礦物。

a)元素角度選擇門(mén)捷列夫元素周期表上，從H到V78個(gè)元素中（稀土元素除外）熔點(diǎn)高于2000℃的有10個(gè)，只有碳（熔點(diǎn)3500℃，有的書(shū)中為3700±100℃）具有耐火材料生產(chǎn)的實(shí)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12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院2

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(diǎn)最低：如SiO21713℃，TiO21825℃；中性氧化物次之：如Al2O32050℃，Cr2O32275℃；堿性氧化物熔點(diǎn)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(lái)石（3Al2O3·2SiO2）熔點(diǎn)為1870℃；鎂鋁尖晶石（Al2O3·MgO）熔點(diǎn)為2105℃；鎂鉻尖晶石（Cr2O3·MgO）熔點(diǎn)為2350℃。12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院3d)四元化合物估計(jì)可用作耐火原料的有400～600種，如：堇青石（2MgO·2Al2O3·5SiO2）。合計(jì)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。

why?

除了考慮熔點(diǎn)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(yīng)該具有來(lái)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(diǎn)為1772℃，可以用作耐火原料，但是太昂貴了。12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院4（一）采礦和選礦

1、采礦考慮：儲(chǔ)量豐富，可穩(wěn)定的供應(yīng)原礦，質(zhì)量波動(dòng)不大，雜質(zhì)含量符合技術(shù)要求。綜合利用（具有開(kāi)采價(jià)值的要素：品位）

2、選礦：機(jī)械、物理、化學(xué)等方法將所選目標(biāo)礦物富集，并按礦物中各種礦物的物理性質(zhì)選用合適的選礦方法。二、耐火原料的加工12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院53、主要方法：

重液法：利用礦物的密度差，在重液中進(jìn)行分離；磁力法：利用不同礦物具有不同的磁導(dǎo)系數(shù)；浮選法：利用礦物被液體所潤(rùn)濕程度的差別來(lái)進(jìn)行（工業(yè)脂肪酸的混合物）化學(xué)法：利用一系列物理化學(xué)反應(yīng)使礦物分離；電泳法(電滲選礦法)：利用懸浮液的質(zhì)點(diǎn)(如黏土、高嶺土)帶有電荷,電流通過(guò)懸浮液時(shí),帶電的微粒向帶有相反電荷的電極移動(dòng),并沉積在其表面上。12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院612/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院7三、其它成型方法

熱壓成型（熱塑性、晶界蠕動(dòng)）致密金剛石、炭化硅、賽隆（）、二氧化鋯、氧化鋁，控制晶粒生長(zhǎng)熱壓注成型埋粉排塑電熔鑄等靜壓成型振動(dòng)成型

3000次/分鐘振動(dòng)，使顆粒重排設(shè)備：振動(dòng)錘、振動(dòng)臺(tái)、振動(dòng)器（耐火混凝土常用）12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院812/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院912/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院10

干燥的重要性

干燥階段

干燥速度與干燥條件的關(guān)系

干燥過(guò)程氣孔形成和應(yīng)力產(chǎn)生第四節(jié)耐火材料的干燥12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院11為什么要進(jìn)行干燥?*重要工序使坯體獲得一定機(jī)械強(qiáng)度，有利于裝窯和保證燒成初期能夠順利進(jìn)行;經(jīng)過(guò)干燥的半成品得到初步定型,可能暴露成型過(guò)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(méi)有強(qiáng)度12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院12一、干燥階段12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院1312/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院14

①預(yù)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(zhì)的性質(zhì)有關(guān)）——屬于表面蒸發(fā)率速過(guò)程

③第二階段(降速階段):

干燥速度降低，干燥介質(zhì)影響較小，（與坯體含水量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)）——擴(kuò)散率速過(guò)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(zhì)、顆粒大小、干燥介質(zhì)的溫度與相對(duì)濕度

12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院15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(shí)保留在坯體中的水分.當(dāng)坯體的含水量與外界條件(周?chē)諝?達(dá)到平衡時(shí)所含的水分;12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院16二、干燥速度與干燥條件的關(guān)系

溫度濕度流動(dòng)速度（干燥介質(zhì)）（等速干燥影響較為明顯（表面過(guò)程）12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院1712/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院18三、干燥過(guò)程氣孔形成和應(yīng)力產(chǎn)生對(duì)坯體水分認(rèn)識(shí)：可塑水：產(chǎn)生最大塑性所需水分，形成潤(rùn)滑水膜收縮水：濕坯干燥達(dá)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(shí)排出水分（剛性體不發(fā)生收縮）12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院191、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(diǎn)：收縮與排出水分體積相等；點(diǎn)以后：排出水分大于收縮體積，所以產(chǎn)生氣孔。12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院20

干燥時(shí)，內(nèi)部水分不等，存在水分梯度，導(dǎo)致坯體干燥不均勻，使得坯體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力；等速干燥階段：干燥曲線平行（5%以上）某一點(diǎn)時(shí)，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(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力2、內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院21

①應(yīng)力產(chǎn)生表現(xiàn)：干燥變形干燥裂紋

②應(yīng)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12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院22四、干燥制度

磚坯進(jìn)行干燥時(shí)，控制條件的總和，包括：干燥時(shí)間，進(jìn)入和排出干燥劑的溫度，相對(duì)濕度，坯體干燥前后的水分；干燥時(shí)間關(guān)系到正確選擇干燥設(shè)備，保證正常生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)性，是重要參數(shù)。12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院231、影響干燥時(shí)間因素（干燥速度）物料性質(zhì)與結(jié)構(gòu)（結(jié)合粘土量、熟料顆粒組成：粗細(xì)）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(zhì)的溫度、濕度和流速干燥介質(zhì)在干燥器中的溫度降干燥器的密封情況。12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院242、干燥后殘余水分的確定足夠的機(jī)械強(qiáng)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）12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院25

回轉(zhuǎn)窯：含水量低（推車(chē)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）12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院264、干燥設(shè)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12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院27

定義：對(duì)坯體進(jìn)行加熱處理，使其達(dá)到燒結(jié)的過(guò)程。目的：耐火制品（陶瓷）制品的一種熱處理過(guò)程，伴隨著一系列物理化學(xué)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(jié)構(gòu)強(qiáng)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12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院28（一）燒成過(guò)程中的物理、化學(xué)變化1、坯體排出水分過(guò)程（室溫~200℃）為殘余水分排出，該過(guò)程完成較快

12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院29

排出結(jié)晶水，分解，有機(jī)物氧化；同時(shí)有少量晶型轉(zhuǎn)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(qiáng)度有所下降（原因：氫鍵消失；由于晶型轉(zhuǎn)變，密堆結(jié)構(gòu)被改變。2、分解氧化階段（200~1000℃）12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院303、液相與耐火相合成（1000℃以上）

特征：致密化、強(qiáng)度增大、體積縮小、氣孔率降低。將發(fā)生質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散、粘滯流動(dòng)、溶解沉淀傳質(zhì)，液體的表面張力使顆粒之間緊密接觸12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院314、燒結(jié)液相、固相、反應(yīng)燒結(jié)，氣孔進(jìn)一步消失或變小，是致密化的最重要的物理化學(xué)過(guò)程。

5、冷卻耐火相析晶、晶型轉(zhuǎn)變、玻璃相固化使坯體強(qiáng)度、密度、體積依品種不同都有相應(yīng)變化舉例：質(zhì)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(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院32二、燒結(jié)1、定義：物料經(jīng)高溫作用，變成具有一定強(qiáng)度和氣孔率很低（或無(wú)氣孔）的致密石狀物的工藝過(guò)程。燒結(jié)模型燒結(jié)傳質(zhì)的動(dòng)力遷移機(jī)制12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院33燒結(jié)系數(shù)：式中，為燒結(jié)前后的氣孔率；燒結(jié)前后的強(qiáng)度；系數(shù)（多孔材料例外）2、衡量燒結(jié)強(qiáng)度的方法灼減、相對(duì)密度、體積密度、吸水率、晶體粒徑、水化強(qiáng)度（堿土金屬氧化物制備耐火材料易水化，致密時(shí)，水化程度減小。12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院34熱態(tài)接觸：質(zhì)點(diǎn)間接觸增加，邊界保留；開(kāi)始階段：質(zhì)點(diǎn)間邊界消失，新氣孔尚未形成；形成封閉氣孔階段；燒結(jié)過(guò)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(jié)過(guò)程12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院354、影響燒結(jié)的因素1、物料的結(jié)晶化學(xué)特性晶格能，晶格能大，鍵力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)牢固，高溫下質(zhì)點(diǎn)的可動(dòng)性小，燒結(jié)困難；陽(yáng)離子極性：陽(yáng)離子極性小的離子難以燒結(jié)（難以燒結(jié)）晶粒生長(zhǎng)：長(zhǎng)大50倍，相對(duì)密度95%長(zhǎng)大1500倍，相對(duì)密度60~80%第二相析出，晶粒長(zhǎng)大50微米，相對(duì)密度不足90%12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院36

2、物料分散度（粉碎）粉體的表面積越大，質(zhì)點(diǎn)的可動(dòng)性越強(qiáng)，燒結(jié)活性越高

舉例：就可達(dá)到，鋁礬土亦同樣12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院373、溫度和保溫時(shí)間型關(guān)系，過(guò)于提高燒結(jié)溫度，延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間無(wú)益。

4、坯體的致密情況（加強(qiáng)質(zhì)點(diǎn)間的接觸）高溫下促進(jìn)塑性流動(dòng)；加快質(zhì)點(diǎn)間擴(kuò)散（增多缺陷數(shù)量）。12/12/2024材料科學(xué)與工程學(xué)院385、外加劑作用：

固溶體：增加晶格缺陷，活化晶格，提高燒結(jié)驅(qū)動(dòng)