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1、,耐火材料,赵 萍 13964170169 ,陶瓷纤维颗粒,水泥回转窑,钢包,电阻炉,绪 论 一、耐火材料的定义： 耐火材料是用作高温窑、炉等热工设备，以及高温容器和部件的无机非金属材料，耐火度不低于1580，并在高温下能承受相应的物理化学变化及机械作用。 二、耐火材料的分类： 1、根据耐火材料化学矿物组成分类见表1。（原材料的种类）,2、根据耐火度可分为: 普通耐火制品：耐火度为15801770 高级耐火制品：耐火度为17702000 特级耐火制品：耐火度大于2000 3、按照形状和尺寸可分为： 标准型砖（230 114 65mm）、异型砖、特异型砖、大异型砖，以及实验室和工业用坩埚、皿、管
2、等特殊制品。,4、 按制造工艺方法可分为： 泥浆浇注制品、可塑成型制品、半干压型制品、由粉状非可塑料捣固成型制品（干式料）， 由熔融料浇注的制品（熔铸）。 5、按外观分类见表2。(耐火砖，不定形）,三 耐火材料的发展 ： 研究各种耐火材料的组成和主要特性以及耐火材料随着温度变化而引起的物理化学变化；(基础理论) 根据窑炉的具体工作条件尤其是某些关键部位的条件，正确选用合适的耐火材科；(物尽其用) 选择合理的砌筑方案，加强炉体的维护，改革窑炉结构，不断提高窑炉使用寿命；(学科交叉) 发展不定形耐火材料、绝热材料、特种材料、对环境无污染的材料。（能源环境）,第一章 耐火材料的组成和性质 耐火材料基
3、本性质可归纳为以下三方面： 1)耐火材料的使用性质。 耐火度、高温耐压强度、热稳定性、高温体积稳定性、抗渣性等。 2)耐火材料的物理性质。 气孔率、真比重、体积密度、线膨胀率等。 3)耐火材料的机械性质。 耐压强度、弹性变形、塑性变形等。,第一节 耐火材料的化学矿物组成 一、化学组成 耐火材料的化学组成按各成分含量和作用分为两部分，主成分和副成分。 1、主成分 它是耐火制品中构成耐火基体的成 分，是耐火材料的特性基础。它的性质和数量直接 决定制品的性质。其主要成分可以是氧化物，也可 以是元素或非氧化物的化合物。,按主成分的化学性质又可分为三类。 酸性耐火材料 中性耐火材料 碱性耐火材料 2杂质
4、成分 在耐火材料(或原料)中含有一定量的杂质。 3添加成分 矿化剂、稳定剂和烧结剂等。 灼减：将干燥的材料在规定温度条件下加热时质量减少百分率称为灼减。,二、矿物组成 耐火制品是矿物组成体，制品的性质是其组成矿物和微观结构的综合反映。 从以下三方面研究与考察：原料的加热相变化；制造中配料间相互反应产生的相变化；耐火材料在使用中的相变化。 耐火材料一般是多相组成体，其中的矿物相可分为两类，即结晶相和玻璃相。,主晶相指构成制品结构的主体且熔点较高的晶相。 基质指耐火材料中大晶体或骨料间隙中存在的物质。 按其主晶相和基质的成分可以分为两类: 一类是含有晶相和玻璃相的多成分耐火制品； 一类是仅含晶相的
5、多成分的结晶体。,图11 耐火制品的 显微组织结构,第二节 耐火材料的组织结构 耐火材料是由固相（包括结晶相和玻璃相）和气孔两部分构成的非均质体。 一、气孔率、体积密度、真密度 1气孔率 ：闭口气孔 、开口气孔 、贯通气孔,图12 耐火制品中气孔类型 1封闭气孔 ； 2开口气孔； 3贯通气孔,制品的气孔率，常用开口气孔率(显气孔率)表示。 真气孔率（总气孔率） 开口气孔率（显气孔率） V0、V1、V2分别表示总体积、 开口气孔和闭口气孔体积cm3 2、吸水率 它是制品中全部开口气孔吸满的水的质 量与其干燥质量之比，以百分率表示。 G：干燥试样质量，g；G1：试样开口气孔中吸满的水的质量，g；W
6、：吸水率。,3、体积密度 表示干燥制品的质量与其总体积之比， 即制品单位体积(表观体积)的质量，用gcm3表示。 4、真密度 是指不包括气孔在内的单位体积耐火材 料的质量，可用下式表示。,二、透气度 耐火材料的透气度是在一定时间内，由一定压力的气体，透过一定断面和厚度的试样的数量来表示。 透气度是表示气体通过耐火制品难易程度的特性值。 透气度系数通常用干燥的空气在常温下测定。气体的透过量与气体粘度成反比，气体粘度随温度升高而增大。气体透过量与孔道半径的四次方成正比。,第三节 耐火材料的热学性质和导电性 一、热膨胀 耐火材料的热膨胀是指其体积或长度随着温度升高而增大的物理性质。 一般用线膨胀率表
7、示。 线膨胀率= 原因：原子的非诣性振动增大了物体中原子的间距从而使体积膨胀。,材料的热膨胀系数随温度变化，故其值为某个温度区间内。 材料的热膨胀与其晶体结构和键强度密切相关：键强高的热膨胀系数低；结构紧密的热膨胀系数高；各相异性的不同方向热膨胀系数不同。 耐火材料的热膨胀系数取决于它的化学矿物组成，当存在多晶转化时，在相变点有突变。,二、热导率 热导率是表征耐火材料导热性的一个物理指标，是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。,特点：材料的化学组分越复杂，杂质含量越多，添加成分形成的固溶体越多，热导率降低；晶体结构越复杂的材料，热导率越小；一般晶体具有负的热导率温度系数；玻璃质
8、和非晶物质有正的热导率温度系数。,三、热容 通常用常压下加热1kg物质使之升温1 所需的热量 （以kJ计）来表示，称为热容，也称比热容。 耐火材料的热容影响炉体的加热、冷却速度。 四、温度传导性 温度传导性是表示物体加热时的温度传导速度，它决 定耐火材料急冷急热时内部温度梯度的大小。,温度传导性用导温系数（ ）表示： -热导率；-体积密度；c-等压热容 五、导电性 耐火材料在常温下是电的不良导体。 耐火材料导电性的强弱，通常用电阻率来表示。,第四节 耐火材料的力学性质 一、常温力学性质 1、常温耐压强度 它是指常温下耐火材料在单位面 积上所能承受的最大压力。 Pa 用于表征制品的烧结情况，检测
9、时，注意试样的大小和加压方向。,2、抗拉、抗折和扭转强度 耐火材料在使用时，除受压应力外，还受拉应力、弯曲应力和剪应力的作用。 一般，抗折强度是耐压强度的1/21/3 抗拉强度是耐压强度的5/91/10,3、耐磨性 耐火材料抵抗坚硬物料或气体(如含 有固体颗粒的)磨损作用(研磨、摩擦、冲击力作用)的 能力。 通常，在常温下以一定研磨条件下和研磨时间下制品的质量损失或体积损失来表示耐磨性。,二、高温力学性质 1、高温耐压强度 是材料在高温下单位截面所能承受的极限压力。 2、高温抗折强度 是材料在高温下单位截面所能承受的极限弯曲应力。,3、高温扭转强度 高温扭转强度是材料的高温力学性质之一。 它表
10、征材料在高温下抵抗剪应力的能力。 测定时将试样一端固定，另一端施以力矩作 用，试样发生扭转变形。当试样被扭转时，试样 内各横截面上产生剪切应力，当应力超过一定限 度时，试样发生断裂。在高温下试样被扭断时的 极限剪切应力，称为高温扭转强度。,4、高温蠕变性 材料在恒定的高温、恒定的外力作用下所发生的缓慢变形，称高温蠕变。 高温蠕变的表示方法一般为变形量()与时间(h)的关系曲线，通常称为蠕变曲线。,图13 典型高温蠕变曲线,5、弹性模量 材料在其弹性限度内受外力作用产生变形，当外力除去后，仍恢复到原来的形状，此时应力和应变的比例称为弹性模量。它表示材料的抵抗变形的能力：,如果制品的其它性质相同，
11、弹性模量与制品的热震稳定性成反比。如果是同一系统的制品，弹性模量与抗折强度、耐压强度、耐磨性大体上成正比。,第五节 耐火材料的高温使用性质 一、耐火度 耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质称为耐火度。(与熔点不同）,图14 三角锥弯倒情况,熔点是纯物质的结晶相与其液体处于平衡状态下的温度；耐火度是多相固体混合物在开始熔融温度与熔融终了温度范围内液相和固相同时共存。 试锥弯倒是其中液相的生成及固相在液相中的溶解所致。 因素：固相与液相的数量比（液相7080%）、液相粘度（10 50Pas)和材料的分散度。具有强熔剂作用的杂质成分，会严重降低制品的耐火度。（提高原料纯度） 考虑荷重和外物的
12、熔剂作用，并非耐火度越高砖越好。,二、高温荷重变形温度 耐火材料在高温和荷重同时作用时的抵抗能力，也表示耐火材料呈现明显塑性变形的软化范围。在一定程度上表明制品在与其使用情况相仿条件下的结构强度。 耐火材料高温荷重变形温度的测定方法是固定试样承受的压力(0.2MPa)，不断升高温度，测定试样在发生一定变形量和坍塌时的温度，称为高温荷重变形温度。,各种耐火材料的荷重变形曲线，其中1-高铝砖，2-硅砖，3-镁砖，4-粘土砖 ，5-半硅砖，6-粘土砖,几种耐火制品的0.2MPa荷重变形温度,三、高温体积稳定性 耐火材料在高温下长期使用时，其外形体积保持稳定不发生变化(收缩或膨胀)的性能称为高温体积稳
13、定性。 重烧时的体积变化可用体积百分率或线变化百分率表示：,原因： 1、烧成制品，烧成过程中，物理化学变化未达到该温度下的平衡状态，烧成不充分，使用中受高温，继续反应； 2、不烧制品，烧烤温度低，时间短，在使用中持续反应。,重烧体积变化的测定方法：将试样在高于使用温度以上(根据制品的要求和使用条件来定)，保温23小时，然后测其体积变化，以百分率表示。各种耐火制品允许的重烧体积变化取决于制品的使用条件和要求，一般不超过0510。 多数耐火材料在重烧时产生收缩，少数制品产生膨胀。,四、热震稳定性 耐火材料抵抗温度的急剧变化而不破坏的性能称为热震稳定性。也称为抗热震性或温度急变抵抗性。 材料的热震破
14、坏可分为两大类： 一是瞬时断裂，称为热冲击断裂； 二是在热冲击循环作用下，先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体损坏，称为热震损伤。,热应力产生原因： 1、机械约束； 2、均质材料中出现温度梯度； 3、非均质固体中各相之间的热膨胀系数的差别； 4、单相多晶体中热膨胀系数各向异性。,五、抗渣性 耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀作用而不破坏的能力称为抗渣性。 熔渣：冶金炉渣、燃料灰分、飞尘、各种材料（包括固态、液态材料，如烧结水泥块、煅烧石灰、铁屑、熔融金属、玻璃液等）和气态物质（煤气、一氧化碳、氟、硫、锌、碱蒸气）等。 上述熔渣物质在高温下多形成液态物质直接与耐 火材料接触，有些固体物质甚至气体
15、，在高温下与耐 火材料接触之后，最终也会形成液相。,熔液侵蚀过程主要是耐火材料在熔渣中的溶解过程和熔渣向耐火材料内部的侵入(渗透)过程。 耐火材料向熔渣中溶解的过程可分为： (1)单纯溶解 耐火材料与熔渣不发生化学反应的物理溶解作用。 (2)反应溶解 耐火材料与熔渣在其界面处发生化学反应，使耐火材料的工作面部分转变为低熔物(反应产物)而溶于渣中，同时改变了熔渣和制品的化学组成。 (3)侵入变质溶解 高温溶液或熔渣通过气孔侵入耐火材料内部深处，或通过耐火材料的液相扩散和向耐火材料的固相中扩散，使制品的组织结构发生质变而溶解。,从生产工艺角度出发，有效地提高耐火材料的抗渣性，应从下列两个主要途径着
16、手： (1)保证和提高原料的纯度，改善制品的化学矿物组成。 (2)选择适宜的生产方法，获得具有致密而均匀的组织结构的制品。 耐火材料抗渣性的测定方法常用坩埚法、回转渣蚀法等。,六、耐真空性 通常在常温下耐火材料的蒸气压都很低，可以认为是极稳定而不易挥发的。但在高温减压下工作（如真空熔炼炉或钢水脱气处理等）时，会因其挥发减量而造成损耗，加速其损坏。 耐火材料的挥发速度如下式：,挥发速度与耐火材料的蒸气压成正比，气相的分子量越大挥发量也愈大。,第六节 耐火材料形状的正确性和尺寸的准确性,形状的正确性和尺寸的准确性对于窑炉砌筑体的严密性具有直接的影响，而砌筑体的严密性在很大程度上决定着砌筑体的使用寿
17、命。 砖缝在砌筑体中是最薄弱的和最易损坏的部分，同砖相比较，砖缝的密度和强度要小得多，因此它更容易溶解于渣中，从而削弱整个内衬的抗渣性和热震稳定性。,思考题 1、什么叫耐火材料?耐火材料有哪些基本性质? 2、耐火材料的组织结构包括哪些内容？ 3、什么叫耐火度?影响耐火度的因素有哪些? 4、什么叫高温体积稳定性？ 5、什么叫热震稳定性?产生热应力的原因有哪些? 6、什么叫抗渣性？影响制品抗渣性的因素有哪些? 7、耐火材料的高温使用性质有哪些? 8、气孔率、体积密度、吸水率、真比重、透气度? 9、简述耐火材料今后的发展趋势?,第二章 耐火材料生产基本工艺原理,耐火原料的选择准则 一、耐火性能准则：
18、原材料的熔点稍高于耐火度。 二、技术经济准则：用哪种原料生产耐火材料，需 满足技术经济条件。,第一节 耐火原料的加工,耐火原料的加工主要包括以下几方面： 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,一、选矿与提纯 选矿：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。 提纯：利用一系列化学及物理化学反应，矿物富集的过程。 选矿方法：机械法、物理-化学法、纯化学法、电气法等。,二、原料的煅烧 原料煅烧时产生一系列物理化学反应，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，提高制品性能。,原料煅烧目的： (1)去除原料中易挥
19、发的杂质和夹杂物； (2)使原料的颗粒致密化及结晶长大； (3)促使完成同质异晶的晶型转化。,根据原料特点和工艺要求分为： 活化烧结 轻烧活化 二步煅烧 死烧,三、原料的破粉碎 破粉碎是克服物料表面质点的表面张力和克服物料内部质点间的库仑引力的过程。 破粉碎方式大致可分四种：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。,四、机械化学和超细粉 机械粉碎不仅是一个机械力学过程，而是一个对固体施以机械能之后，物料产生物理、化学变化的过程称机械化学。 例： 1、晶体结构的变化 晶粒大小、晶格畸变、晶格缺陷、结晶结构等变化。 2、表面活性的变化 表面能增加，比表面增大。 3、固体
20、表面形成氧化层、非晶层 例如Si02细磨后，生成可溶性表面层，促发矽肺病。,五、助磨剂 助磨剂在粉磨过程中，吸附在物料颗粒表面，使物料表面自由能和晶格畸变程度减小，促使颗粒软化，另外，助磨剂的吸附可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。 水是一种最简单的助磨剂，适量水可助磨又可防尘。,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，所涉及的颗粒，通常是指毫米至微米级的颗粒。 一、颗粒的几何学性质 1、粉体颗粒的构造 一次颗粒 ；二次颗粒或团聚体。 废旧制品重新利用,2、颗粒粒度 通常指粒径和粒度分布。 工程实际上没有任何耐火粉料是由同一粒度颗粒组成，而是由
21、不同粒度组成的多分散颗粒系统。 3、颗粒形状 颗粒形状直接影响粉体的性质，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。,粉料流动与液体流动不同： (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，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。 (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。,传统的描述粉料的指标休止角：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
22、为休止角。（用于确定料堆的形状） 注：贮料仓中的拱结构,六、坯料的颗粒组成 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。 在耐火材料生产中，通常采取粗颗粒、中颗粒和细颗粒配合。,单一颗粒的堆积方式与气孔率,多组分球体堆积特征,1)采用单一的颗粒不能达到紧密堆积；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； 2)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。实际上，当有两种组分时，粗细颗粒的数量比为7：3（65：35），当有三种组分时7：1：2； 3)增加组分的数目可提高堆积密度，
23、使它接近于最紧密堆积，但当组分大于3时，实际意义不大。 4)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，若取配合料的总量为100%，则 q值随颗粒形状等因素变化，一般为0.30.5。 例：D5mm, d=3mm时， y=81.5, 则53： 18.5%； D=1mm, y=52.5, 3-1:29%; 1-0:17.5%(以65：35算）， 则：53 18.5%；31 29%；10 17.5%,七、配料 1、配料的组成 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。
24、(1) 配料的化学组成必须能满足制品的要求，并且应比制品指标要求高些。 (2) 在配料中应含有结合成分，使坯料具有足够的结合性。 (3)原料中含有水分和灼减成分时，原料、配料和制品的化学组成之间应进行换算。,注意：目前多采用重量配料法。,八、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。,混练质量好的坯料标准： （1）各个成分是均匀分布的（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）坯料的结合性得到充分的发挥； （3）空气充分排除； （4）再粉碎程度小。,混合机理： （1）对流混合（移动混合），颗粒成团的移动； （2）扩散混合，颗粒分散到
25、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。,混合过程： I快速混合阶段；扩散混合阶段；后期混合阶段。,四种力：液体架桥和毛细管引力；粘结剂附着力；范德华引力；机械捏合力。,混练时的加料顺序： 通常先加入粗颗粒料，然后加水或泥浆、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”。 坯料的塑化处理可采用困料（陈腐）,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发生下述化学反应： MgO+H2O Mg(OH)2 CaO十H2O Ca(OH)2 生成物呈胶体性质，提高坯料的结
26、合性和可塑性，降低体积效应的危害性。,坯体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。与此相反，颗粒周围的空气则使颗粒分离，降低其可塑性。,第三节 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。 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。,一、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，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，发生弹性和脆性
27、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。,2、压制的动力学过程 压制的过程可用压力-压缩曲线表示。 按三段进行： （1）颗粒重排； （2）弹性及脆性变形； （3）极限压力下致密。,3、压制压力 使坯体获得一定密度的压力，由三部分组成： （1）克服坯料颗粒间内摩擦力的压力； （2）克服坯料颗粒与模壁间的外摩擦力； （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。,4、压制时压力的分布与层密度现象 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
28、层密度。 坯体被压制时，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。外力取消后，由于压制过程中产生的弹性而引起坯体膨胀的作用称弹性后效。,层裂： (1)气相的影响。坯料中的气体，能够增加物料的弹性变形和弹性后效 。 (2)水分的影响。水的压缩性小，具有弹性，在高压力下，水在颗粒的间隙进出。 (3)加压次数对层裂的影响。在条件相同的情况下，间断地卸荷比一次压制密度高。 (4)压制时间及压力的影响。在条件相同的情况下，慢慢地增加压力，即延长加压时间，也能得到类似压缩程度很大的结果。,二、注浆成型法 粉状原料加入适当的解胶剂(反絮凝剂)，调成泥浆，浇注到吸水性模型(一般为石膏模)中吸去
29、水分，形成坯体。 要求：泥浆浓稠，易流动，有粘性，脱模时间短，脱模后强度大。 泥浆在实际生产中会出现以下异常现象： (1)泥浆冻结；(2)泥浆的触变； (3)泥浆的沉降容大。,三、可塑成型法 可塑法所用坯料的水分，一般在16以上。,四、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。使颗粒能够密集并填充于模型的各个角落而将空气排挤出去。,五、热压成型 在烧结过程中，气孔中的气压增大，抵消了作为推动力的界面能的作用（制品难致密）；另一方面，封闭的气孔中，只能通过晶体内部物质扩散来充填，比界面扩散慢得多。,为使制品达到理想致
30、密状态，有两种方法： 一采用真空烧结法，避免在气孔中聚集气体； 二烧结时施加压力，以保证足够的推动力-热压成型。,六、热压注成型(热压注浆) 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 (7085)下，配制成料浆，然后在金属模型中成型制品。( 蜡饼）,七、电熔注（铸）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。 因为流体的流动性要好，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。（退火）,电熔锆刚玉砖,八、等静压成型 对液体加压，通过橡皮膜将其压力均匀地传给粉料的成型技术。 1、成型性 加压无方向性，可以
31、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。 2、烧结性 由于坯体密度均匀，烧成时收缩无方向性，故不致于因密度差产生应力而出现烧成裂纹。,对成型坯体的共同的要求： (1)具有符合设计要求的形状、尺寸、精度； (2)坯体结构致密、均匀、不分层、不开裂； (3)坯体具有足够的机械强度； (4)坯体符合预期的化学组成和物理化学性能要求。,第四节 耐火材料的干燥 干燥：用蒸发的方法从坯体中排除所含水分的过程。 目的：提高坯体机械强度，有利于装窑操作并保证烧成初期能够顺利进行。,一、干燥过程 干燥分为三个阶段（先期的预热阶段，时间较短）： 第一阶段等速干燥，是干燥过程中最主要的阶段。大量水分
32、（表面）排出，排出速度始终是恒定。 第二阶段降速干燥，坯体含水量减少，坯体表面的有效蒸发面积逐渐减少，干燥速度降低； 第三阶段干燥速度接近零，坯体中水分不再减少（0？）。,粘土砖坯体干燥时的体积收缩和排水量。,二、干燥制度 干燥制度是砖坯进行干燥时的条件总和。包括干燥时间、进入和排出干燥介质的温度和相对湿度，砖坯干燥前的水分和干燥终了后的残余水分等。 干燥时间是关系到正确选择干燥设备，保证正常生产和经济性的一个重要问题。,砖坯干燥残余水分根据下列因素确定 (1)砖坯的机械强度满足运输装窑的要求； (2) 满足烧成初期快速升温的要求； (3)为制品的大小和厚度所决定，通常形状复杂的大型和异型制品
33、的残余水分应低些； (4)不同类型烧成窑有不同的要求。,三、干燥方法 分为常温干燥和加热干燥 1、常温干燥：一般堆放在空气流通的厂房内风干或阴干。 2、加热干燥 （1）干燥坑 （2)室式干燥 （3）隧道干燥 （4）电热干燥 3、新干燥方法：高频电干燥、微波干燥等,第五节 耐火材料的烧成 一、烧成过程中的物理化学变化 耐火材料在烧成过程中的物理化学变化，是确定 烧成过程中的烧成制度的重要依据。 烧成过程中的物理化学变化主要取决于制品的 化学矿物组成、烧成制度等。,耐火制品烧成过程大致分为以下阶段： 1、坯体排出水分阶段 (10200) 2、分解、氧化阶段 (2001000) 3、液相形成和耐火相
34、合成阶段 (1000以上) 4、烧结阶段 5、冷却阶段,二、烧结 烧结：物料经高温作用，变成具有一定强度和低气孔率，甚至无气孔的致密石状物的工艺过程。 衡量烧结程度通常用灼减，密度，体积密度，气孔率，晶体粒径，水化程度等指标。,坯体的烧结过程可以概括为以下三个阶段 热态接触 开始阶段 形成封闭气孔阶段 完成烧结过程的两个必要条件是温度和时间。,三、烧成制度的确定 耐火制品的烧成制度包括升温速度、烧成最高温度、保温时间、冷却速度和烧成气氛等 。 升温速度或冷却速度的允许值取决于坯料承受的应力。 最高烧成温度由原料的性质和对制品性能要求决定。 保温时间在保证制品充分烧结下尽量缩短。 气氛分为氧化、
35、还原和中性三种。,第六节 质量控制和检测 生产的目的是为了制造合格产品，向顾客持续稳定地提供符合要求的产品。 (1)原料。对投入使用前的原料，都必须对化学成分、矿物组成、密度、气孔率、含水量、粒度、粉化率、灼减等理化指标进行测定，然后对照与产品要求相应的原料技术条件或技术标准，只有符合要求或标准的原料，方可投入使用。 (2)破、粉碎。控制要点是在原料破粉碎后，颗粒的分级是否清楚，超临界颗粒是否完全被删除，每一粒级范围的粒度分布是否符合预定的要求。,(3)配料混练。确认配方无误，称量准确，加料顺序符合规定，结合剂的种类、浓度、加入量识别确认符合要求，混练时间符合规定。 (4)成型。模具是否符合砖
36、型规定的型号和尺寸，成型压力是否恰当，成型操作是否规范。 (5)干燥。按规定控制干燥温度、干燥时间和干燥速度。 (6)烧成。执行热工操作制度和烧成温度、升温速度、烧成气氛、保温时间、装窑方式等。,烧成后的制品，需要进行拣选和理化性能的测试： 外观拣选 ；化学成分及显微组织结构分析 ；一些物理性能的测定；制品在酸、碱、盐、金属、玻璃及气体等各种化学环境中的化学稳定性。 往往根据不同制品的不同用途采用特殊手段或模拟试验的方法来测定和判断，不符合标准的项目应从制造过程中追溯。,指标可能出现的问题： 1)化学成分(主成分、次成分、杂质)、矿物组成(种类、数量、晶体大小分布、气孔大小分布，液相数量的分布
37、等)不符合预期要求； 2)体积密度、气孔率不达标，应追溯泥料质量、素坯质量，烧成制度等； 3)透气度，应追溯配料比例，素坯质量，烧成制度等；,4)强度(耐压强度、抗折强度、抗冲击强度)，应追溯泥料质量、素坯质量、烧成制度等； 5)电阻、绝缘强度，应追溯原料性质、配料比例、烧成制度等； 6)耐火度，应追溯原料性质； 7)热膨胀、重烧线变化，应追溯原料性质、配料比例、泥料性质、素坯性质、烧成制度等；,8)热导率，应追溯原料性质、素坯性质、烧成制度； 9)抗热震性，应追溯原料性质、配料比例、泥料性质、烧成制度； 10)高温荷重软化，应追溯原料性质、泥料成分和粒度分布、成型质量、烧成制度等。,习 题(
38、第2章) 1、举例说明机械化学作用。 2、助磨剂的作用？ 3、粉体与液体流动性的差别？ 4、理想的颗粒堆积形式是怎样的？ 5、耐火材料的成型方法有哪几种?半干法成型过程的三个阶段是什么? 6、影响层裂的因素及防止方法？ 7、什么是干燥制度？干燥过程可分为哪几个阶段？ 8、耐火制品的烧成过程大致可分为哪几个阶段？ 9、生产中应如何进行质量控制？,第三章 硅酸铝及刚玉质耐火材料 硅酸铝质耐火材料是以A12O3和SiO2为基本化学组成。根据制品的A12O3含量，可以分为四大类： 半硅质制品： A12O3含量为1530； 粘土质制品： A12O3含量为3046； 高铝质制品： A12O3含量为46；
39、刚玉质制品： A12O3含量为90的高铝质制品。,第一节 与硅酸铝质耐火材料有关的物系,SiO2,二、杂质氧化物的影响 主要的杂质氧化物为K2O、Na2O、 CaO 、 MgO 、 Fe2O3、TiO2。 作用：降低熔液的生成温度及其粘度，增大液相的生成量，提高熔液对固相的溶解速度和溶解数量。 对系统液相形成温度影响最大的是碱金属氧化物， K2O、Na2O分别使无变点温度降低513724； TiO2使无变量点温度降低101107 。,第二节 粘土质耐火材料 用天然产的各种粘土作原料，将一部分粘土预先煅烧成熟料，并与部分生粘土配合制成的A12O3含量为3046的耐火制品。 一、粘土原料 以粘土矿
40、物(高岭石矿物为主)为主要成分的粘土作原料，煅烧后的化学成分为：A12O3 +TiO2不少于30，Fe2O3一般不超过2.5。,粘土颗粒,1粘土的种类 在耐火材料工业上应用的粘土主要有两类： (1)硬质粘土 (2)软质粘土 2粘土的基本性质 (1)化学矿物组成： A12O32SiO22H2O (2)粘土的工艺特性 分散性、可塑性、结合性、烧结性。,1)分散性：是反映粘土的分散程度。通常用它的颗粒组成或比表面积来表示。 2)可塑性：物料受外力作用后发生形变而不破裂，在所施加的外力撤除后，变形的形态仍保留而不恢复原状，这种性质称为可塑性。 3)结合性：是粘土对非塑性材料的粘结能力，使成型后的坯体能
41、保持其形状和具有一定机械强度的能力。 4)烧结性：粘土经适当的高温处理后，能获得必要的致密度和强度。,A 粘土的加热变化，主要是高岭石矿物的加热变化，以及高岭石与杂质矿物之间发生的理化反应过程。,二、粘土制品的生产工艺要点 1、生产工艺流程的选择原则 粘土制品生产工 艺主要取决于原料的性质，制品的质量要求，以及 生产规模大小。 根据我国原料特点，结合粘土以半软质粘土为 主，适合采用半干机压成型生产工艺流程。 目前常用的为普通熟料制品和多熟料制品两种生产 流程。,2、结合粘土的选择 对结合粘土的基本要求 是高可塑性、易烧结性和较高的耐火性。 3、坯料的颗粒组成 采用“两头大、中间小” 的紧密配合
42、原则进行。 4、干燥和烧成 由于成型后砖坯的水分含量较 低，在干燥阶段几乎不发生收缩，故可采用快速干燥 制度。 制品的烧成温度，一般12501350；对氧化铝含量高的可提高到13501380；氧化气氛烧成。,三、粘土制品的性质 粘土制品的理化性质及高温性能，主要取决于制品的化学组成，随A12O3SiO2比增大而提高。 为了提高粘土制品的高温性质，经常采用以下措施： 1)对粘土原料进行选矿纯化处理，降低杂质含量； 2)适当提高烧成温度，使制品具有致密结构； 3)采用高基质(基质中A12O3含量接近莫来石组成)组成结构特征的配料； 4)采用多熟料配料及混合细磨措施。,第三节 半硅质耐火材料 半硅质
43、制品是指含A12O3 30、SiO265的半酸性耐火材料。 半硅质制品的生产工艺和粘土制品相同，原料是含有天然石英的A12O3含量低的硅质粘土或原生高岭土、高岭土选矿时的尾矿、天然产的蜡石、煤矸石等。,在生产上应注意以下几点： 1、利用天然原料时，要根据原料的性质和成品的使用条件，确定是否加入熟料。 2、在烧成时，低温阶段（1250以下）由于石英多晶转变产生体积膨胀，同时粘土烧结收缩，可以互相抵消。高温时，易熔物生成熔液，体积收缩大。 3、原料内石英颗粒细小，则石英在高温下起强熔剂作用，降低制品的耐火性和热震稳定性。 4、用蜡石（A12O34SiO2H2O）原料时，应根据蜡石原料的特点来确定其
44、工艺要点。,半硅制品的生产，一方面是扩大原料的综合利 用，另一方面它具有不太大的膨胀性，有利于 提高砌体的整体性，降低熔渣对砖缝的侵蚀作 用。另一特点是熔渣与砖面接触后，能形成厚 度约12mm的粘度很大的硅酸盐熔融物，阻碍 熔渣向砖内渗透，从而提高制品的抗熔渣的侵 蚀能力。,第四节 用高铝矾土生产的高铝质耐火材料 用天然产高铝矾土原料制造的高铝质耐火材料，其Al2O3含量在48以上，通常可分为三类： I等： Al2O3含量75， 等： Al2O3含量6575； 等： Al2O3含量4865。 根据矿物组成可分为：低莫来石质 (包括硅线石质)、莫来石质、莫来石-刚玉质、刚玉-莫来石质和刚玉质。,
45、一、高铝矾土原料 1、化学矿物组成 矾土中的A12O3含量在4580之间，煅烧后波动于4890间； 我国高铝矾土原料的主要矿物组成是一水铝石（ A12O3H2O ）和高岭石，还有波美石（ g-A12O3H2O ） 、三水铝石（ A12O33H2O ）。,2、高铝矾土的加热变化 高铝矾土的加热变化是所含各矿物加热变化的综合反映，可分为三个阶段，即分解、二次莫来石化和重结晶烧结过程。 (1)分解阶段。,(2)二次莫来石化阶段。 二次莫来石(次生莫来石)化是指高铝矾土中所含高岭石分解并转变为莫来石后，析出的SiO2与水铝石分解后的刚玉相作用形成莫来石的过程。,(3)重结晶烧结阶段。 当矾土的二次莫来
46、石化已趋完成后，进入重结晶阶段，莫来石和刚玉晶体发育长大，气孔缩小和消失，料块逐渐致密化并烧结。,影响烧结的主要因素是二次莫来石化，以及在高温下的液相组成和数量。 我国各级矾土的实际煅烧温度大致如下： 特级矾土 16001700； 级矾土 15001600； 级矾土 16001700； 级矾土 15001550,二、生产工艺要点 1、矾土熟料的拣选分级 2、矾土熟料的质量要求 矾土熟料的质量控制，除了要求一定的化学组成外，还用体积密度值衡量。 特级品3.00； I级品2.80； 级品2.55； 级品2.45。,3、配方的选择 (1)结合剂。采用软质粘土或半软质粘土作结合剂，同时还加入少量有机结
47、合剂(如纸浆废液等)，以改善坯料的成型性能和提高坯体的强度。 (2)不同级别熟料的混合使用。,4、颗粒组成 高铝砖料的颗粒组成与多熟料粘土砖料相似，采用粗、中、细三级配合。 颗粒范围一般为： 3.00.5mm(粗) 0.50.088mm(中) 0.088mm(细)。 三级配合应符合“两头大、中间小”的原则。,5、高铝制品的烧成 制品的烧成温度，主要取 决于矾土原料的烧结性。 生产实践表明： I、等高铝制品可采用同一烧成温度。 用倒焰窑烧成时，一般为14301450，保温 40小时；等高铝砖为13901420。用隧道 窑烧成时，分别为15501560及1450 1500。 烧成在氧化焰中进行。,
48、三、高铝制品的性质 高铝制品的重要工作性质是荷重软化温度和高 温蠕变性。 高铝制品的高温蠕变性用蠕变速率来表示。 高铝砖的蠕变行为，玻璃相起主导作用。 高铝制品的热震稳定性差，这与制品的物相组 成密切相关。,第五节 硅线石质耐火材料 定义：用天然硅线石系原料生产的等高铝质制品。 特点：具有荷重软化温度高，热震稳定性良好，耐 磨性和抗渣性好。 一、原料 天然产的原料主要有硅线石、红柱石和蓝晶石（A12O3SiO2 ）。原料精矿中，A12O3含量应在60左右，杂质成分总量一般不应超过23。,二、生产工艺 制砖工艺与高铝砖生产工艺相同。 硅线石和红柱石直接供制砖料使用，通常以粉料加入到基质中，再与矾
49、土熟料颗粒料配合成砖料，制成相当于等高铝制品组成的硅线石质耐火材料。,第六节 莫来石质耐火材料 莫来石质耐火材料是以人工合成莫来石为 原料制成的以莫来石为主晶相的耐火制品。 莫来石制品主要有两类，烧结莫来石制品和电熔铸莫来石制品。,一、烧结法生产莫来石制品 1、原料(合成莫来石) 合成莫来石主要是采用烧结法 (或电熔法)合成。其合成方法是：选用纯净原料，按莫来石的理论组成(Al2O37l.8，SiO228.2)进行配料，经过充分细磨、成球(或压成料块)、高温煅烧(或电熔)而成。,(1)烧结法合成莫来石。目前国内外采用的配方主要有以下几种。 天然高铝矾土+高岭土； 工业氧化铝+粘土(高岭土或蜡石)； 工业氧化铝+硅石； 工业氧化铝+高铝矾土(或硅线石系原料精矿)； 刚玉 (-A12O3