2019年耐火材料2a

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1、第二章 耐火材料生产基本工艺原理2.2 坯料制备2.2.1 颗粒的几何学性质1. 粉体颗粒构造一次颗粒一次颗粒物在环境中未发生变化，保持其排放时的原有物理和化学的性状。人为活动 排放的一次颗粒物大量是化石燃料的燃烧及各种工业生产的排放物,如烟煤、粉尘、金属尘、 水泥尘和汽车排气等。是不能再区分的，有明显的轮廓；若是粉碎细磨而得，则保持固体块料结构，若是熔融而得， 则是近似单晶的一次颗粒。二次颗粒当晶体非常细小的时候，由于晶粒的表面能很大，细小的晶粒之间容易由于弱的相互 作用力结合在一起，导致晶粒之间发生团聚，也就是很多个细小晶粒抱团，形成更大的二次 颗粒。2. 颗粒粒度颗粒的大小。通常球体颗粒

2、的粒度用直径表示，立方体颗粒的粒度用边长表示。对不 规则的矿物颗粒，可将与矿物颗粒有相同行为的某一球体直径作为该颗粒的等效直径。实验 室常用的测定物料粒度组成的方法有筛析法、水析法和显微镜法。筛析法，用于测定 2500.038mm的物料粒度。实验室标准套筛的测定范围为60.038mm；水析法，以颗 粒在水中的沉降速度确定颗粒的粒度,用于测定小于0.074mm物料的粒度；显微镜法，能 逐个测定颗粒的投影面积，以确定颗粒的粒度，光学显微镜的测定范围为1500.4pm,电 子显微镜的测定下限粒度可达0.001pm或更小。常用的粒度分析仪有激光粒度分析仪、超声粒度分析仪、消光法光学沉积仪及X 射线沉积

3、仪等。3. 颗粒形状颗粒形状（partieleshape）个顺粒的轮脚边界或表面上各点的图象及表面的细微结 构。通常包括投影形状、均整度;即长、宽、厚之间的比例关系、棱边状态（如圆棱、钝角棱 及锯齿状棱等）、断面状况、外形轮廓（如曲面、平面等）、形状分布等。常用的定量描述参数如下：形状系数指颗粒形状与某种规整形状（如球形）不一致的程 度。包括体积形状系数，表面形状系数与比表面积形状系数。D、V和S分别为颗粒的直径、 体积与表面积。形状指数是表征颗粒外形自身特征的参数。主要有三轴径之比，称为均整度; 长短径之比，称为长短度;短径与厚度之比，称为扁平度。P4344公式粗糙度是指颗粒实际表面积和将表

4、面看成光滑时的表面积之比。颗粒的形状对粉料的 流动性、充填性等粉料特性有较大影响。通常，用颗式破碎机，对辊破碎机及圆锥破碎机易 得到多棱角颖粒，而用球磨机与筒磨机得到的顺粒更接近球形。用化学法或气相沉积法制备 的超微颗粒也易接近球形。2.2.2粉体堆积密度自学2.2.3粉碎料的颗粒组成自学2.2.4粉料的流动性P4445粉料虽然由固体小颗粒所组成,但由于其分散度较高，具有一定的流动性。当堆积到一定 高度后，粉料会向四周流动，始终保持为圆锥体，其自然安息角（偏角）a保持不交。当粉料堆的 斜度超过其固有的a角时，粉料向四周流泻,直到倾斜角至a角为止，因此可用a角反映粉料 的流动性。一般粉料的自然安

5、息角a为20.4o。如粉料呈球形，表面光滑,易于向四周流，粉料 的流动性决定于它的内摩擦力。设P点的颗粒自重为G（图4.5）,根据力学原理，它可以分解 为沿自然斜坡的下滑力F和垂直于自然斜坡的止压力N。当粉料维持自然安息角a时,与分力F大小相等、方向相反的摩擦力为r时，才能维持平 衡。实际上粉料的流动性与其粒度分布、颗粒的形状大小、表面状态等因素有关。生产中粉料的流动性决定着它在模型中的充填速度和充填程度。流动性差的粉料难以 按要求在短时间内填满模具，影响压砖机的产量和坯体质量，所以往往向粉料中加入润滑剂。2.2.5粉料的储存1. 排出口P452. 料仓内的流动状态 P452.26 坯料颗粒组

6、成1. 尺寸相同的圆球堆积理论上分析，等径球体紧密堆积的空隙率只取决于堆积方式的配位数。配位数愈高， 堆积空隙率愈小。等大球最紧密堆积中，各球体直径相同，进行紧密堆积。我们将按照堆积的顺序，分 多层进行分布讨论。下面的图片显示第一层堆积的情况，其中，左图为第一层球体的最紧密堆积，各球体之 间近可能多地相互接触才是最紧密的。右图则不是一层球的最紧密堆积。相同直径的圆球堆积将具有25.9 %47.6 %的堆积空隙：（1）等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25.95%；（2）简单立方体堆积的空隙率为=47.64%；（3）即四面体堆积方式是同直径圆球的最紧密堆积P48图 25；表 242. 尺寸不同的

7、圆球堆积（不连续两种颗粒堆积）大颗粒以尽可能高的配位数堆积后，其形成的空隙由次一级颗粒同样以尽可能高的配 位数在大颗粒形成的空隙中堆积填充，而次一级颗粒在大颗粒空隙中堆积形成的空隙由更 细的颗粒填充，如此逐级填充即可获得最紧密堆积。以紧密堆积的同径球的间隙而论，若使小球填于其中，小球的粒径必须小于大球堆积体 的空隙尺寸。因此，两种球球径之比必须恰当。以圆球不同配位数的堆积状态计算，大小两 种球的球径比为1.96.5，大小球径比值为6.5的小球可以填充在比值为1.9的空隙之中， 因而配料中一般要求大小两种球的球径比为6.5。两种不同直径的球堆积在一起时，只有当小球的直径等于大球直径22.5%时，

8、才能达到 最紧密堆积；直径比d/D=0.225。其两球堆积不同比例与填充容积的关系：见P49图26 1段说明3. 最紧密堆积分析（不连续三种颗粒堆积）P49 图 2736.5%粗鞭粒直径(4.5mni.l00rtu)中额轨直住（0.7mm(0.09mm, 100%)4. 最紧密堆积分析（连续颗粒堆积）多级颗粒配合，更可实现致密化。采用此种粒径比各级颗粒的配合常称为间断级配。 但在实际生产中为避免颗粒产生严重偏析，并使各级颗粒充分利用，常采用粒级连续的颗 粒，并以平均粒径划分为若干级别进行配合。在保证粗细颗粒粒径比恰当的条件下，由各级颗粒组成的堆积体中，每级颗粒配合 的数量，应以细者填满粗者的空

9、隙为宜。以密度相同的同粒径的圆球堆积体为例，其空隙 率(P)约为38%。二级配合时，假定粗、细料堆积方式相同，粗与细的数量比应为1 ： 0.38。采取多级颗粒配合时，堆积体的空隙率变化如下表所示。表1 -1各级粒度堆积体空隙率的变化荻度级数球体实体积/笑堆积体空隙率/滋空隙率下降缰(J P.)6L 038级85.614. 423.6簸(I屮I巴片94. 65.49.0级98.02. 014五级(-州巴比巴巴99.20. 8L22.2.7. 配料 耐火材料的配料是将各种不同品种、组分和性质的原料以及将各级粒度的熟料颗粒 按一定比例进行配合的工艺。配料包括各种原料组成配比和粒度级配。各种原料的配合

10、是 为了获得一定性质的制品。粒度的配合是为了获得最紧密堆积的或特定粒状结构的坯体。1. 各种原料的配合各种原料的配合依材料的品种和性质的要求而定，不同制品各有特点。对烧结制品 不烧制品和不定形耐火材料，各种颗粒的熟料或其他瘠性料与各种结合剂的配合是配料中 的重要一环。任何结合剂的选用及其加入量皆应严格控制，应保证其既有利于制品的生产， 又不会对制品的性质带来危害。2. 粒度的配合 见 2.2.6各级粒度的颗粒配合对砖坯的致密度影响极大。只有使各级粒度颗粒的堆积体达到 最紧密的程度，才能得到致密的制品。粒度级配影响产品结构、烧结、设计形状和尺寸， 是硅酸盐产品生产的非常重要的一道工序。欲使多级不

11、同粒度的颗粒组成的堆积体密度得到提高，首先尽可能使最大粒径颗粒 保持高配位数的堆积方式。因为从理论上分析，等径球体紧密堆积的空隙率只取决于堆积 方式的配位数。配位数愈高，堆积空隙率愈小。大颗粒以尽可能高的配位数堆积后，其形成的空隙由次一级颗粒同样以尽可能高的 配位数在大颗粒形成的空隙中堆积填充，而次一级颗粒在大颗粒空隙中堆积形成的空隙由 更细的颗粒填充，如此逐级填充即可获得最紧密堆积。2.2.8. 混练耐火材料的气孔是由原料本身带入和在成型、干燥及烧成过程中形成的。它分布在 颗粒、基质中及颗粒与基质之间。不同的耐火材料对气孔率的大小有一定的要求。生产低气 孔率的致密制品，首要条件是选用低气孔率

12、的原料。按照最紧密堆积原理，采用合理的颗粒级配，合理使用结合剂，充分均匀混练，高压 成型和适当提高烧成温度和延长保温时间都是致密耐火材料生产中降低气孔率的重要措施。 在致密浇注料生产中，配料中添加超细粉和分散剂，可以形成更紧密的堆积，而获得低气孔 率的制品。要求高气孔率的隔热耐火制品生产中，则采用隔热材料原料，化学发泡或在配料中加 入可燃物烧后产生气孔而增多气孔。1 混练过程及原理混合是将具有不同物理性质和化学性质的颗粒在空间上分布均匀的过程，良好的混合 是产品质量的保障。尽管粉体混合工艺的应用很广泛且由来已久，但对混合过程中粉体混合机理的认识和 研究却是在近代才起步的。1937年，日本药剂师

13、小山（Y. Oyama）试图通过转动来均匀混 合不同大小的药粒，却发现转动使大小不同的颗粒分离了。其他的一些研究也表明，转动和 振动会使容器中大小不同的颗粒分离，而不是长期以来人们一直认为的越混越均匀。几十年 来，尽管人们掌握了丰富的关于混合的知识和技术，但是由于粉体混合过程的复杂性和多样 性，设计混合工艺和模拟混料过程的能力还有限。一般认为物料的混合作用方式有3 种：对流混合（也称为移动混合）、扩散混合与剪 切混合。实际上在各种混合机中， 3种机理都在起作用，只是因设备工作原理的不同使得某 种机理起主导作用。在一般的混合过程中，各种物料在混合物中均匀程度的变化遵从下述规 律：见P53 图21

14、3 1段说明 公式：不均匀系数混合过程可分为3个阶段：混合初期的第1阶段，在此阶段对流混合起主导作用，扩 散混合和剪切混合起辅助作用；然后进入阶段（II），此阶段扩散混合起主导作用，剪切混 合起辅助作用；当混合时间达到一个有效时间ts时，混合过程进入动态平衡阶段（III）, 也就是进入随机完全混合状态。进入此状态后混合质量不会再有提高，一般情况下反而会降 低。实验证明，任何流动性好、粒度不均匀的物料都有分离的趋势，这是由于在混合过程中 还存在一个反混机制，亦即偏析或分料机理。当物料被混合到一定均匀度后，偏析或分料机理将起主导作用，进一步延长混合时间，混合均匀度也不会再提高，反而会降低，一般不可

15、能再达到最初的最佳混合状态。见P54图215 1段说明72.3 耐火材料成形工艺2.3.1 半干法压制理论基础什么是成型？为什么要进行成型？借助于外力和模型，将适合于某种成型操作的泥料（或混合料）加工成具有一定形 状、尺寸和强度的坯体或制品的过程为成型。然而，最新开发的自流浇注料的施工基本上是 不需要外力的。成型首先是为了满足制品的使用要求，耐火材料砌筑时要求制品具有一定的形状、 精确的尺寸和足够的强度。其次，成型也是提高制品理化性能的有效手段，通过成型可以改 善制品的组织结构。此外，成型也是耐火材料生产后序工序的要求，如搬运、干燥、烧成， 尤其对烧成时的码砖方式有很大影响。常用的成型方法有那

16、些？如何选择合适的成型方法？耐火材料的成型方法很多，常用的成型方法有积压成型、振动成型、挤压成型、捣 打成型、等静压成型、熔铸成型、注浆成型等。目前耐火材料生产中使用最多的成型方法为机压成型法，该法使用压砖机和钢模具将泥 料压制成坯体。因一般采用含水量约为5%的半干泥料，故也称为半干法成型。机压成型具 有坯体结构致密，强度高，干燥和烧成收缩小，尺寸易控制等特点。机压成型按加压方式又 可分为单面加压和双面加压两种，后者可减少坯体的层密度现象。选择何种成型方法主要根据泥料性质、坯体形状、尺寸及其他工艺要求。除绝大部分 耐火材料采用机压成型外，振动成型一般用于成型大的异形坯体，挤压成型一般用于管状坯

17、 体的成型，注浆成型一般用于中空壁薄的坯体成型。等静压成型目前用于高性能耐火材料的 生产。当然，成型方法的选择还受到生产厂设备条件的限制，因而某些制品就不能采用最佳的 成型方法。在这种情况下，企业应在满足制品技术要求的前提下，选择其他较为合适的成型 方法。1. 半干法压制的物理实质物理实质：见P551段说明其压力大；气孔率下降；坯体强度高。2. 压制的动力学过程压制是分三个阶段进行的：见P55-56（1） -（3）说明压力-压缩曲线：见P56 图216机压成型特点：机压成型的特点与所用的半干泥料的性质密切相关。用于机压成型的泥料含水量较低， 必须借助较高的成型压力使泥料颗粒重新排列。加压时泥料

18、发生弹性变化和脆性变化，并排 除空气，在机械结合力、静电引力以及摩擦力等的综合作用下，泥料颗粒相互结合成坯体。 对于不同的泥料，因颗粒形状、含水量、细粉及结合剂等的不同，上述各种作用的程度有不 同。因此，制定成型制度时应充分考虑到各种泥料的性质。3. 压制压力从理论上讲，成型的压力主要由两部分组成：其一是克服泥料颗粒间摩擦力所需的压力Pj其二是克服泥料与模具间外摩擦力所需的压力P2o因实际生产中泥料性质的 不均匀性等原因，上述成型压力还须有一定的安全系数，而将这种力称为过剩压力P o因此， 成型所需的总压力应为：P F+P2+P33实际上计算出上述几种压力是比较困难的，只能通过试验或根据经验，

19、近似地确定 出成型所需的总压力，而且在生产中还应根据具体泥料的性质、设备状况、天气条件等随时 调整，以便成型出高质量的坯体。4. 压力分布及坯体的层密度其压力分布于作用于固体的分布状态完全不同。作用于固体的压力分布是均匀的。而 作用于泥料颗粒相互结合的坯体上，其压力随受压面降低而降低。其关系式：见P57而坯体的气孔率取决于压强的数值。沿坯体高度方向出现不同的层密度层密度即成型后坯体的密度沿某一方向递变的现象。由上方单向加压的坯体的密度一 般是上密下疏，水平方向上是中密外疏。层密度现象是由泥料颗粒间的摩擦力和泥料与模具内壁间的摩擦力造成的压力递减 引起的。除改进泥料性质外，采用双面加压及在模具四

20、壁涂抹润滑油等能降低外摩擦力的方 法均可减少坯体的层密度程度，并降低坯体的总气孔率。从上述造成层密度现象的原因可知，要想绝对克服层密度现象是不可能的，而只能 想办法减少层密度的程度，使之降到最低限度。5. 弹性后效成型时，坯体所受的外力被方向相反、大小相等的内部弹性力所均衡。但当外力取 消后，释放出的内部弹性力有使坯体在所有方向膨胀的倾向。这种内部弹性力引起坯体膨胀 的作用称为弹性后效（也称为弹性滞后或弹性延迟）。弹性后效常引起坯体，密度降低甚至产生层裂，是坯体产生废品的主要原因之一。成型时，坯体受压方向上的压力数倍于其他方向，因而弹性后效在受压方向上也较大。弹性 后效引起的坯体不均匀膨胀，加

21、上坯体本身性质的不均匀性，往往造成坯体层裂。产生层裂的原因很多，如泥料的性质、成型设备及模具、操作条件等。从成型角度讲， 能使坯体内的气体顺利排出的各种措施均是有效的。另外，增加加压次数、延长加压时间有 是行之有效的办法之一。2.3.2 注浆成型法选择适当的反絮凝剂和悬浮液，将粉状原料制成泥浆，浇注到吸水性的模型（一般 常用石膏模）中吸去水分，泥浆即干涸模型状坯体，该法即为注浆成型法。注浆成型用的泥浆水分一般达40%左右，它主要用于生产中空壁薄的高级耐火制品及 特种耐火制品，材质有氧化物、熔融石英、熔融莫来石、含锆莫来石。注浆成型有分为空心浇注和实心浇注两种。空心浇注适合于中空壁薄的制品的成型

22、，而 实心浇注适合于壁厚的大件或外形复杂的制品。为了减少泥浆中的空气，提高注坯的致密度和光洁度，可附加加压、真空及离心设备， 形成所谓的压力浇注、真空浇注及离心浇注。2.3.3 可塑成型法自学2.3.4 振动成型法利用振动器的振动作用，使泥料成型的方法为振动成型法。振动成型法的特点是，泥料在很高的频率的振动作用下，泥料颗粒间相互撞击，静 摩擦变为动摩擦，泥料逐渐具有一定的流动性，同时，泥料在自重和外力的作用下逐渐致密， 形成坯体。输入的振动能量使泥料具有一定的流动性，能使泥料颗粒密集地充填于模型的每个角 落，并将空气排挤出去。因此，振动成型即是在很小的压力下也能得到较高密度的制品。在 很多制品

23、的成型中，振动成型能够有效地替代大型的高压成型设备。常用的振动成型设备有振动台、内部振动器和表面振动器等。振动成型适用于形状复 杂和较大型的制品。震动成型的具体参数往往需要根据每种产品的技术要求，通过试验和生 产实践来确定。2.3.5 热压成型自学2.3.6 热压注成型自学2.3.7 熔铸成型配合料经高温熔化后直接浇铸成制品的成型法称为熔铸成型法。因一般常用电弧炉 熔化配合料，所以熔铸成型的制品亦称为电熔制品。熔铸成型的最大特点是将高温熔体直接到入模型中成型。这就要求模型具有很高的 耐火性能、良好的透气性、较高的耐冲击强度和抗热振稳定性能，而且不与熔体发生反应。 常用的模具由石英砂、刚玉砂或石

24、墨板等制成。熔铸耐火制品常见的质量问题有：浇铸后冷却过程的成分偏析以及局部热应力引起的 开裂等。解决这些问题主要通过生产过程控制来实现。如通过冷却凝固速度的调整来控制成 分偏析；通过退火工艺、控制退火过程中铸件的硬化和冷却速度来解决制品的开裂问题。退 火的方式有两种，即自然退火和可控退火。自然退火是将铸件连同模型一起放入保温箱中， 让其自然缓慢冷却；而可控退火则是将铸件脱模后放入退火窑中按退火曲线进行缓慢冷却。 可控退火比自然退火的制品合格率要高。缩孔也是熔铸耐火制品比较常见的质量问题之一。缩孔一般集中于制品上表面的下方， 它降低了制品的密度和组织结构的均匀性。为了减少或消除缩孔，在工艺上采用

25、了下浇铸和 倾斜浇铸法。2.3.8 等静压成型在泥料各个方向上施加等同压力进行成型的方法称为等静压成型法。常用的压力传 递介质为液体，如油、水或甘油等。因刹车油或无水甘油的可压缩性极小，几乎可以把全部 压力传递到弹簧性模具上，故多用这两种液体作为压力传递介质。等静压成型的最大特点是泥料各部分受压均匀且压力很高，这样得到的坯体密度高且 均匀，从而使坯体在烧成过程中的变形和收缩等大为减少，也不会出现一般成型法成型的坯 体因密度差产生应力而导致的烧成裂纹。另外，等静压成型的加压操作简单，成型压力调节 方便；成型用的橡胶或塑料模具制造方便、成本低廉，可反复使用；泥料中可不用或少用临 时结合剂。等静压成型可用压制一般成型法难于成型的形状复杂的大件及细长形的制品。8习题1名词解释：形状系数； 粗糙度；混练； 弹性后效。 2尺寸相同的圆球堆积五种方式。3 混合机理。4 压制三个阶段； 压力 -压缩曲线分析。5 层密度现象产生的原因及解决方法。