耐火材料的生產(chǎn)過程概述(PPT 41頁).ppt

1、9/11/2020,材料科學與工程學院,1,一、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(zhì)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3700100）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,9/11/2020,材料科學與工程學院,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： 酸性氧化物熔點最低：如SiO21713，TiO2

2、1825； 中性氧化物次之： 如Al2O3 2050，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（Al2O3MgO）熔點為2105；鎂鉻尖晶石（Cr2O3MgO）熔點為2350。,9/11/2020,材料科學與工程學院,3,d)四元化合物 估計可用作耐火原料的有400600種，如：堇青石（2MgO2 Al2O35 SiO2）。 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)

3、的耐火原料只有100種。 why?,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。,9/11/2020,材料科學與工程學院,4,（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(zhì)量波動不大，雜質(zhì)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(zhì)選用合適的選礦方法。,二、耐火原料的加工,9/11/2020,材料科學與工程學院,5

4、,3、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(zhì)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。,9/11/2020,材料科學與工程學院,6,9/11/2020,材料科學與工程學院,7,三、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?。?）、二氧化鋯、氧化鋁，控制晶粒生長 熱壓注成型 埋粉排塑 電熔鑄 等靜壓成

5、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）,9/11/2020,材料科學與工程學院,8,9/11/2020,材料科學與工程學院,9,9/11/2020,材料科學與工程學院,10,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,9/11/2020,材料科學與工程學院,11,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

6、度,9/11/2020,材料科學與工程學院,12,一、干燥階段,9/11/2020,材料科學與工程學院,13,9/11/2020,材料科學與工程學院,14,預備階段（加熱階段） 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）屬于表面蒸發(fā)率速過程 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)構有關）擴散率速過程 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)的溫度與相對濕度,9/11/2020,材料科學與工程學院,15,其中， 可塑成型三階段明顯，不能快速干燥; 半干法成

7、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;,9/11/2020,材料科學與工程學院,16,二、干燥速度與干燥條件的關系,溫度 濕度 流動速度（干燥介質(zhì)） （等速干燥影響較為明顯（表面過程）,9/11/2020,材料科學與工程學院,17,9/11/2020,材料科學與工程學院,18,三、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

8、收縮）,9/11/2020,材料科學與工程學院,19,1、氣孔形成（粘土磚為例）,9/11/2020,材料科學與工程學院,20,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,9/11/2020,材料科學與工程學院,21,應力產(chǎn)生表現(xiàn)： 干燥變形 干燥裂紋 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,9/11/2020,材料科學與工程學院,22,四、干燥制度,磚坯進行干燥時，控制條件的

9、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)。,9/11/2020,材料科學與工程學院,23,1、影響干燥時間因素（干燥速度） 物料性質(zhì)與結(jié)構（結(jié)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(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。,9/11/2020,材料科學與工程學院,24,2、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

10、同磚種也決定殘余水分含量（舉例）,9/11/2020,材料科學與工程學院,25,回轉(zhuǎn)窯：含水量低（推車制度決定）； 其他窯： 水分可以提高。 粘土磚：23% 硅磚：12% 鎂磚：0.61.0%（防止水化）,9/11/2020,材料科學與工程學院,26,4、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,9/11/2020,材料科學與工程學院,27,定義：對坯體進行加熱處理，使其達到燒 結(jié)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(jié)構強度制品，

11、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,9/11/2020,材料科學與工程學院,28,（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,9/11/2020,材料科學與工程學院,29,排出結(jié)晶水，分解，有機物氧化； 同時有少量晶型轉(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，強度有所下 降（原因：氫鍵消失；由于晶型轉(zhuǎn)變，密堆 結(jié)構被改變。,2、分解氧化階段（ 2001000）,9/11/2020,材料科學與工程學院,30,3、液相與耐火相合成（1000

12、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(zhì)點的擴散、粘滯流動、溶解沉淀傳質(zhì)，液體的表面張力使顆粒之間緊密接觸,9/11/2020,材料科學與工程學院,31,4、燒結(jié) 液相、固相、反應燒結(jié)，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(zhuǎn)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(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)構的轉(zhuǎn)化。,9/11/2020,材料科學與工程學院,32,二、燒結(jié),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(jié)模型 燒結(jié)傳

13、質(zhì)的動力 遷移機制,9/11/2020,材料科學與工程學院,33,燒結(jié)系數(shù)：,2、衡量燒結(jié)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。,9/11/2020,材料科學與工程學院,34,熱態(tài)接觸：質(zhì)點間接觸增加，邊界保留； 開始階段：質(zhì)點間邊界消失，新氣孔尚未形成； 形成封閉氣孔階段； 燒結(jié)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(jié)過程,9/11/2020,材料科學與工程學院,35,4、影響燒結(jié)的因素,1、物料的結(jié)晶化學特性 晶格能，晶格能大，鍵力強，結(jié)構牢固，高 溫下質(zhì)點的可動性小，燒結(jié)困難；

14、 陽離子極性：陽離子極性小的離子難以燒結(jié)（難以燒結(jié)） 晶粒生長： 長大50倍，相對密度95% 長大1500倍，相對密度6080% 第二相析出，晶粒長大50微米，相對密度不足90%,9/11/2020,材料科學與工程學院,36,2、物料分散度（粉碎） 粉體的表面積越大，質(zhì)點的可動性越強，燒結(jié)活性越高 舉例：,就可達到 ，鋁礬土亦同樣,9/11/2020,材料科學與工程學院,37,3、溫度和保溫時間 型關系，過于提高燒結(jié)溫度，延長燒結(jié)時間無益。 4、坯體的致密情況（加強質(zhì)點間的接觸） 高溫下促進塑性流動； 加快質(zhì)點間擴散（增多缺陷數(shù)量）。,9/11/2020,材料科學與工程學院,38,5、外加劑

15、作用： 固溶體：增加晶格缺陷，活化晶格，提高燒結(jié)驅(qū)動力 液相：表面張力毛細管力，促使顆粒緊密接觸和致密 重排； 化合物：不利于燒結(jié)致密 高耐火層，阻礙燒結(jié)的進行； 晶型轉(zhuǎn)變的體積效應，增加質(zhì)點間遷移距離，阻礙燒結(jié)； 外加劑析出晶界，阻礙晶界移動。,9/11/2020,材料科學與工程學院,39,6、液相性質(zhì) 表面張力：直接結(jié)合 粘度：傳質(zhì) 潤濕：產(chǎn)生毛細管力的前提 組成結(jié)構：與晶相類似的核前群越少，越有利于析晶,9/11/2020,材料科學與工程學院,40,7、氣相 增加氣孔率（燒結(jié)時形成孤立氣孔） 吸附氣相薄膜（阻礙直接接觸，影響傳質(zhì)） 8、氣氛 氣體在固相中溶解度大時，能促進燒結(jié)，否則對燒結(jié)無益。,9/1