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1、 第一节 玻璃的生产与加工 玻璃，从广义上讲包括单质玻璃、有机玻璃和无机玻璃。狭义上一般仅指无机玻璃。无机玻璃的生产与加工工艺流程如图5-1所示。第1页/共106页不同产品与工艺的主要差异表现在各自的成分设计和成形方法及深加工方面。例如，窗用玻璃在成分设计上采用钠钙硅玻璃系，由浮法成形制得一次制品；光学玻璃在成分设计上采用磷酸盐玻璃系，压制法成形，经研磨、抛光而制得一次制品。一次制品经深加工后，可增添新的性质和用途，这种玻璃为二次制品，也常称为深加工玻璃。例如，把一次制品的窗玻璃，经磁控离子溅射法制成镀膜玻璃，可使玻璃增加彩色和反射光的性质。第2页/共106页一、玻璃的生产制备 (一)原材料
2、制造玻璃的原料通常分为主要原料和辅助原料。一般玻璃的主要成分包括SiO2、Na2O、CaO、Al2O3、MgO等五种成分为引入上述成分而使用的原料称为主要原料。第3页/共106页作为引入SiO2的原料主要有硅砂和砂岩，也是玻璃原料的主要成分。它能使玻璃具有高的化学稳定性、力学性能、电学性能、热学性能。但是含量过多，会使熔制的玻璃液的粘度增大。引入Na2O的原料主要是纯碱和芒硝；引入MgO的原料主要是白云石；引入CaO的原料主要是石灰石、方解石；引入Al2O3的原料主要是长石和高岭土。第4页/共106页为使玻璃获得其他性质，或为加速玻璃的熔制过程而引入的原料，通常称为辅助原料。例如，氧化砷和氧化
3、锑、硫酸盐类原料(硫酸钠)、氟化物类原料(氟石等)是作为澄清剂，它们能在玻璃熔制过程中分解产生一定量气体，气体的排放对于配合料和玻璃熔体产生搅拌作用，有利于玻璃熔体的澄清和均匀化。除澄清剂以外，还有着色剂、脱色剂、氧化剂、还原剂、乳浊剂等。第5页/共106页(二)配合料的制备 ，将各种原料的粉料按一定比例称量、混合而成的均匀混合物，称为配合料。第6页/共106页(三)玻璃的熔制 将配合料经过高温加热成为均匀的、无可见气泡并符合成形要求的玻璃液的过程，称为玻璃的熔制。第7页/共106页 化学过程：包括固相反应、各种盐类的分解、水化物的分解、化学结合水的排除、组分间的相互作用及硅酸盐的形成。物理化
4、学过程：包括低熔点共熔物的生成、组分和生成物间的相互溶解，玻璃液与炉气介质及气泡间的相互作用，玻璃液与耐火材料间的相互作用等。现以硅酸盐玻璃熔制为例，上述过程大体又可划分为：硅酸盐的形成、玻璃液的形成与澄清、均化与冷却等五个阶段。第8页/共106页(五)浮法成形 所谓浮法成形是指从熔窑中流出的熔融玻璃液，在流入盛有熔融金属锡的锡池后，在其表面上形成平板玻璃的方法。其成形过程如图5-2所示：第9页/共106页图52浮法玻璃生产示意图 1一导流槽 2一玻璃液 3一闸板 4一碹顶 5一锡液 6一槽底 7一拉边器 8一保护气体管道 9一玻璃带 10一过渡辊台由上述过程可知，浮法玻璃的成形是在锡槽中进行
5、的。玻璃液由熔窑经导流槽进入锡槽后，其成形过程包括有自由展薄、抛光、拉引等工艺环节。第10页/共106页图图53玻璃液在玻璃液在锡锡液面上的浮起高度液面上的浮起高度第11页/共106页二、玻璃制品成形加工 (一)玻璃成形加工原理玻璃在玻璃化温度以下处于硬脆状态，一般只能进行机械研磨、抛光处理。当温度高于玻璃化温度时属于热塑性材料，因此玻璃制品的成形一般都是采用热塑成形。第12页/共106页常见的成形方法有：吹制法(如瓶罐等空心玻璃)，压制法(如烟缸、盘子等器皿玻璃)压延法(如压花玻璃等)拉制法(如纤维、管子等)浇铸法(光学玻璃等)离心法(如显像管玻壳、玻璃棉等)喷吹法(玻璃珠、玻璃棉等)焊接法
6、(艺术玻璃、仪器玻璃等)等。第13页/共106页玻璃制品的成形过程包括成形和定形两个阶段：第一阶段是赋于制品以一定的几何形状；第二阶段是把制品的形状固定下来，是在温度降低下进行的。第14页/共106页(二)日用玻璃器件成形 日用玻璃器件主要包括玻璃瓶罐、玻璃器皿等。这类玻璃器件的成形方法有人工成形和机械成形两种。1人工成形 人工成形是一种比较原始的成形方法，这种方法目前最常用的是人工吹制法。具体是由操作工人用一空心吹管，将一端挑起熔制好的玻璃料，然后依次均匀地吹成小泡、吹制、加工等操作而使玻璃制品成形。这种成形方法要求操作工人具有丰富的工作经验和熟练的操作手法。第15页/共106页2机械成形
7、玻璃制品的机械成形起源于19世纪末，其雏形是模仿人工操作的半机械化方法成形。19世纪8090年代发明的压一吹法和吹一吹法，使玻璃制品的成形完全实现了机械化。一般空心制品的成形机，大多数采用压缩空气为动力，推动气缸来带动机器动作。压缩空气容易向各个方向运动，可以灵活地适应操作制度，而且也便于防止制动事故。除压缩空气外，也有一部分空心制品的成形机是采用液压传动的。空心制品的机械成形可以分为供料与成形两大部分：(1)供料如何将玻璃液供给成形机，是机械化成形的主要问题。不同的成形机，要求的供料方法也不同，主要有以下三种：第16页/共106页1)液流供料。利用熔窑中玻璃本身的流动进行连续供料.2）真空吸
8、料3)滴料供料 (2)成形通常有压制与机械吹制两种方法：第17页/共106页图图5-6玻璃瓶的压玻璃瓶的压-吹生吹生产工序产工序a)压制过程压制过程b)吹制过程吹制过程第18页/共106页 3拉制成形 拉制多用来成形长的玻璃工件，例如薄板玻璃，玻璃棒、管，玻璃纤维等。这些产品都有恒定的截面。图57为玻璃薄板连续拉制工艺示意图。如果能将薄板漂浮通过处于高温的熔化锡浴池，可以更进一步提高其平整度和降低表面粗糙度。第19页/共106页三、玻璃的退火 玻璃及玻璃制品在成形后的冷却过程中，经受激烈的、不均匀的温度变化，产生的热应力会导致大多数制品在存放、加工及使用中自行破裂，所以一般在其成形后均要经过退
9、火，以减少或消除应力。(一)玻璃的热应力 玻璃中的应力一般可分为三类：热应力、结构应力、机械应力。玻璃中由于存在温度差而产生的应力，称为热应力。在玻璃中热应力分为暂时应力和永久应力两种。第20页/共106页1暂时应力 温度低于应变点(对应于为1013.6Pas粘度值)而处于弹性变形温度范围的玻璃，在加热或冷却过程中，即使加热或冷却的速度不是很大，玻璃的内层与外层也会形成一定的温度梯度，从而产生一定的热应力。这种热应力随着温度梯度的存在(或消失)而存在(或消失)，所以称为暂时应力。应该指出，对玻璃中的暂时应力值也必须控制，如果暂时应力超过了玻璃的抗拉强度，玻璃同样会破裂。第21页/共106页 2
10、永久应力 在常温下玻璃内外层温度均衡后，即温度梯度消失后，仍然残留的热应力称为永久应力(也叫做残余应力)。第22页/共106页(二)玻璃退火的原理及工艺 如上所述，玻璃的永久热应力产生于从转变温度附近到退火温度区的结构调整(应力松弛)，因此，为了消除永久应力，也必须将制品加热到质点可移动、调整的温度(此温度下制品应该不变形)。玻璃的退火温度上限与其化学组成有关，大部分器皿玻璃的退火上限为55020，平板玻璃为550570，瓶罐玻璃为550600，而铅玻璃则为460490。在生产中，一般取退火上限为低于转变温度2030。第23页/共106页玻璃的退火工艺按温度和时间的变化，可分为一次退火、二次退
11、火及精密退火(光学玻璃采用)等三种；按退火设备不同又分为间歇退火和连续退火两类。第24页/共106页第25页/共106页第26页/共106页第27页/共106页第28页/共106页第29页/共106页第30页/共106页第31页/共106页第32页/共106页第33页/共106页 第二节普通陶瓷的生产制备 陶瓷，是陶器和瓷器的统称，其渊源可追溯到远古的陶器时代。它是用粘土及其他天然矿物原料经过粉碎加工、成形、烧结等工艺过程而制成。第34页/共106页陶器通常有一定吸水率，断面粗糙无光，不透明，敲击之声音粗哑，有的无釉，有的施釉。瓷器的坯体致密，吸水率很低，有一定的半透明性，通常都施有釉层(某些
12、特种瓷并不施釉，甚至颜色不白，但烧结程度仍相当高)。介于陶器与瓷器之间的一类产品，坯体较致密，吸水率也小，颜色深浅不一，缺乏半透明性。这类产品国外通称为拓器，也有称为半瓷。我国科技文献中提到的烦器、原始瓷器和船瓷均属于这一类。第35页/共106页 陶瓷产品的应用范围遍及国民经济的各个领域。它的生产和发展经历了由简单到复杂、由粗糙到精细、从无釉到施釉、从低温到高温的过程。随着生产力的发展和技术水平的提高，各个历史阶段赋予陶瓷的涵义和范围也不断发生变化。现在习惯上将天然硅酸盐类原料烧结而成的陶瓷称为普通陶瓷或传统陶瓷。第36页/共106页 按照普通陶瓷或传统陶瓷的特性与用途，又可划分为：日用陶瓷、
13、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷、艺术瓷等多种系列各系列中又包括若干种不同特性的品种。英、美和西欧等国则从制品的物理化学性质、坯体的颜色及气孔率等方面来加以分类，见表5-1。第37页/共106页第38页/共106页一、普通陶瓷用原料 普通陶瓷用原料大部分属于天然矿物原料，部分为化工原料与合成原料。分别介绍如下：第39页/共106页(一)天然矿物原料 天然矿物原料主要有粘土类、长石类、石英类、滑石类及硅灰石类原料等。1粘土类原料 粘土是含水、铝硅酸盐多种微细矿物的混合物。它为陶瓷制品成形提供必须的可塑性和悬浮性，并在烧结中起重要作用。在配料中的用量常达到40以上。第40页/共106页 粘土的主要化学成分
14、为SiO2和A12O3，还有少量碱金属氧化物(K2O、Na2O，碱土金属氧化物(CaO、MgO)，着色氧化物(Fe2O3、TiO2)和灼烧减量(机械结合水、化合水、有机物、碳酸盐、硫酸盐等)。粘土按其主要粘土矿物的不同可分为高岭石、蒙脱石和伊利石三大类别。一般蒙脱石、伊利石类粘土比高岭石类粘土细小。粘土的颗粒越细，可塑性越强，干坯强度、干燥收缩也越大。第41页/共106页粘土-水混合物所具有的可塑性，使陶瓷坯体得以成形，在成形后保持其形状，并且在干燥和烧成过程中能保持其形状和强度，这种能力是独特的。另外，粘土在某一范围内熔融，使坯体在一定温度下，靠其表面张力的拉紧作用而变得密实、坚硬，又不失去
15、其外形。同时，粘土中含有较高的Al2O3，它和SiO2在高温下生成莫来石晶体(3 Al2O32SiO2)，使陶瓷具有良好的抗热震性和机械强度等。第42页/共106页2长石类原料 长石是地壳上分布广泛的造岩矿物。化学组成是碱金属或碱土金属的铝硅酸盐，呈架状硅酸盐结构。自然界中长石的种类很多，根据架状硅酸盐的结构特点，长石主要有四种基本类型：钾长石(K2OAl2O3SiO2)、钠长石(Na2OAl2O36SiO2)、钙长石(CaOA12O32SiO2)和钡长石(BaOAl2O32SiO2)o第43页/共106页长石是陶瓷坯料的熔剂原料，熔融的长石形成粘稠的玻璃体，在高温下熔解部分高岭土分解物和石英
16、颗粒，促使成瓷反应进行，降低陶瓷产品的烧成温度；同时，促进莫来石晶体的发育生长，赋予坯体机械强度和化学稳定性；高温下长石熔体具有的粘度，起了高温热塑作用和胶结作用，防止了高温变形；长石熔体冷却后，构成了瓷的玻璃基质，增加了透明度，用作釉料的组分可提高釉面光泽和使用性能，所以也是良好的釉用原料。此外，长石作为瘠性(非塑性)原料，可提高坯体的干燥速度，减小坯体的干燥收缩和变形等。第44页/共106页3石英类原料 石英是自然界构成地壳的主要矿物。石英的化学成分为SiO2。它有脉石英、石英岩、砂岩、石英砂及蛋白石等类型。SiO2有许多结晶型态和一个玻璃态。最常见的晶态是：-石英、-石英、-鳞石英、-鳞
17、石英、-鳞石英、一方石英和-方石英。这些晶态在一定的温度和其他条件下，型态、结构会互相转化。第45页/共106页在陶瓷坯体中，石英起“骨架”作用。石英作为釉料使用，有利于使釉面形成半透明的玻璃体，提高白度。石英是非可塑性原料，可减小坯体的干燥收缩和缩短干燥时问，防止坯体变形。在陶瓷产品烧成过程中，二氧化硅的体积膨胀可以起着补偿坯体收缩的作用。第46页/共106页 4滑石类原料 滑石是天然的含水硅酸镁矿物。它的化学通式为：3MgO4SiO2H2O，其结晶构造式为Mg3Si4O10(OH)2。其理论化学组成(质量分数)为：MgO31.89，SiO263.36，H2O 4.75o 第47页/共106
18、页 滑石是制造滑石瓷、镁橄榄石瓷的主要原料。釉面砖也可用它配料。坯体中加入少量滑石，可降低烧成温度，在较低的温度下形成液相，加速莫来石晶体的生成，同时扩大烧结范围，提高白度、透明度、机械强度和热稳定性。釉料中加入滑石，可改善釉层的弹性、热稳定性、加宽熔融范围等。第48页/共106页5硅灰石类原料 硅灰石是偏硅酸钙类矿物。它的化学通式为CaOSiO2，理论化学组成为(质量分数)CaO48.25，SiO251.75。硅灰石本身不含有机物和结晶水，硅灰石颗粒为针状晶体，而且干燥收缩和烧成收缩很小，因此，可快速干燥和快速烧成。第49页/共106页硅灰石有助熔作用，可降低坯体烧结温度。硅灰石中加入Al2
19、O3、ZrO2、SiO2等，可提高坯体液相的粘度，扩大烧结范围。它还具有低的介电损耗，人工合成的硅灰石在100下的介电损耗tan为(0.84)10-4适于制造低损耗瓷件。第50页/共106页(二)化工原料化工原料包括氧化物(Al2O3、ZrO2、MgO、BeO、MoO3、CuO、CO2O3、3SiO2、Cr2O3、TiO2、CeO2、La2O3等)、金属盐(BaCO3、MgCO3、CaCO3、Ca3(PO)2、Na2Br4O710H2O等)、卤化物(CaF、NH4Cl、SnCl2、NaCI等)以及其他化工原料(Al(OH)3、B2O33H2O、H2MOO4H2O、2PhCO3Pb(OH)2等)
20、。第51页/共106页 二、生产工艺过程 普通陶瓷种类繁多，但其生产制备工艺过程一般均由坯料制备、成形加工、烧成等主要工序组成。(一)坯料制备 坯料是指将陶瓷原料经拣选、质破碎等工序后进行配料，再经混合、细磨等工序后得到的具有成形性能的多组分混合物。第52页/共106页其制备过程可大体划分为下述两段：1第一阶段原料处理 原料的处理主要包括预烧和精选两个环节。预烧即对原料进行的预先烧制，其作用在于帮助碎化原料，如石英硬度高，不易粉碎，需利用晶格重构时产生的体积突变将其粉碎。具体方法是将石英加热至相变温度以上保温，然后急冷使其发生逆相变产生较大的相变内应力，导致原料变脆并散裂成小块。精选是指对原料
21、进行分离、提纯，除去原料中的各种杂质(尤是含铁杂质)，使之在化学组成、矿物组成、颗粒尺寸等方面更符合对原料的质量要求。通常用分级(水选、风选、筛选等)、磁选、超声波选等方法去除原料中的粗粒杂质(如砂砾、硫铁矿、草根、树皮等)。第53页/共106页2第二阶段混合制备 混合制备又分几个工艺环节：(1)细粉碎对于普通陶瓷的生产，国内采用万孔筛(250目、61m)来控制坯料粒度；国外要求的更细，一般过325目筛(44vm)。(2)泥浆的脱水采用湿法粉碎得到的泥浆，含水量约水为60，不能直接用于成形，需脱水。采用机械脱水可得到含水量水为2025的坯料，热风脱水可得到含水量水在8以下的坯料。第54页/共1
22、06页机械脱水可采用压滤机，也称榨泥机。压滤时，水通过泥层和滤布滤出。热风脱水(喷雾干燥)指泥浆经一定的雾化装置分散成雾状细滴，在干燥塔内经热交换，将雾滴中的水分蒸发，得到含水量水8具有一定粒度的球形粉料过程。采用热风脱水可兼有造粒的功能，故在陶瓷生产中应用很广。(3)造粒这里所指的造粒是将微细陶瓷粉料制备成具有一定粒度的坯料用粉体，使其适于干压或半干压成形工艺。具体方法在第二章中已有详细介绍。第55页/共106页(4)陈腐(陈化)又俗称困料指将泥坯放在阴暗而湿度大的室内(2030)贮存一段时问，以改善其性能的措施。坯泥经陈腐后，水分因扩散而分布得更加均匀，且在水和电解质的作用下粘土颗粒充分水
23、化和离子交换，非可塑性矿物发生水解，变为粘土物质；在细菌的作用下，有机物发酵或腐烂，变成腐植酸类物质，一些氧化还原反应产生的气体扩散，促使泥料松散均匀，提高可塑性，减少由挤泥机中挤压出时产生的层裂，因而降低坯件在成形及干燥时的破损率。第56页/共106页(5)练泥及真空处理练泥是指捏练泥料以改善其性质的方法。从压滤机上得到的泥饼，外硬内软，泥料中的各组分混合也不均匀，必须经过练泥。练泥可分为两个步骤：第一步是用捏练机或简单的卧式双滚轴练泥机(不抽真空)先将泥料进行捏练；第二步才放到真空练泥机中再排除空气。也有用一种既将泥料捏练均匀又将空气排除的真空练泥机，通过螺旋杆搅拌挤制泥料并真空脱气。经真
24、空脱气处理后，可提高制品强度1520。第57页/共106页(二)坯体成形 陶瓷产品的成形是将泥坯料加工成所要求的形状和尺寸的均质坯体。陶瓷产品的品种很多，形状相差悬殊，不同种类的陶瓷产品其坯料性能和制备工艺也不相同，因此应根据制品形状和要求选择最佳的成形方法。普通陶瓷制品按坯料的性能及其成形方法可分为三类：第58页/共106页 (1)注浆成形是将含水量水为3045的坯体浆料在石膏模中浇注成形。用石蜡调成的瘠性料浆，则需加热加压注浆成形。(2)可塑成形是将含水量水为1625的塑性坯泥料，通过各种成形机械进行挤制、湿压、滚压或轧膜等方法使之成为具有一定规格的坯体。(3)压制成形将含水量水为68的粉
25、状坯料，在较高的压力下于金属模具中压制成形。第59页/共106页(三)坯体干燥 (1)热气干燥 (2)电热干燥(3)高频干燥 (4)微波干燥 (5)近红外与远红外干燥 第60页/共106页(四)烧成 陶瓷工艺的最终目的是制成有足够机械强度的制品。经过成形及于燥过程后，生坯中颗粒之间只有很小的附着力，因而强度相当低。要使颗粒相互结合使坯体形成较高的强度，只有在无液相或有液相的烧结温度下才能实现。第61页/共106页因此，烧成是通过高温处理，使坯体发生一系列物理化学变化。形成预期的矿物组成和显微结构，从而达到固定外形并获得所要求性能的工序。不适当的烧成不但影响产品质量，甚至还将造成难以回收的废品。
26、第62页/共106页1烧成工艺 普通陶瓷的生产流程有一次烧成和二次烧成之分。一次烧成是指经成形、干燥或施釉后的生坯，在烧成窑内一次烧成陶瓷产品的工艺路线，又称本烧；二次烧成是指经过成形、干燥的生坯先在素烧窑内进行素烧，而后经检选、施釉等工序后再进入烧釉窑内进行烧釉处理。第63页/共106页2烧成过程中的物理化学变化 (1)低温阶段(由室温至300左右)低温阶段也称干燥阶段。2)中温阶段(300950左右)中温阶段又称分解与氧化阶段。在此阶段坯体中含有结晶水的矿物开始脱水分解，碳酸盐发生分解并放出CO2气体；第64页/共106页(3)高温阶段(950至烧成最高温度)此阶段硫酸盐发生分解放出SO2
27、气体；这一阶段，坯体的气孔率迅速降低，坯体急剧收缩，强度、硬度增大，釉层玻璃化，坯体瓷化烧结。(4)冷却阶段冷却时因熔体粘度增大，抑制了晶核的形成，而且高温熔体中硅含量未达到饱和，故陶瓷在冷却阶段不会有方石英新相析出。第65页/共106页3烧成设备陶瓷烧成的热工设备是窑炉。陶瓷窑炉种类很多，根据所用燃料不同可分为固体燃料炉(如煤烧窑)、液体燃料炉(如重油烧窑及轻柴油烧窑)、气体燃料炉(如煤气、天然气、液化气烧窑)；以电为能源的，可分为电炉、微波炉、高频感应炉、等离子炉等；第66页/共106页(五)釉料及制备 釉是附着在陶瓷坯体表面上的一层很薄的玻璃体。第67页/共106页 第三节耐火材料的生产
28、 耐火材料一般是指耐火度不低于1580 的无机非金属材料。另外，使用温度在1000以上的工业窑炉用材料也可看作是耐火材料。一、烧结耐火材料 烧结耐火材料的基本生产工艺过程如图5-8所示。图5-8烧结制品的基本生产工艺过程原料加工配料成形干燥烧结第68页/共106页(一)原料及加工与配料 烧结耐火材料用原料大部分为天然矿物，如耐火粘土、高铝矾土、硅石、铬矿、菱镁矿、白云石、镁橄榄石、锆英石、蓝晶石、硅线石、红柱石、石墨等。近几十年来，使用工业加工和人工合成的原料也在增加，如工业氧化铝、碳化硅、合成莫来石、合成尖晶石、人造耐火纤维、人造耐火空心球等。第69页/共106页(二)成形与干燥 (三)烧结
29、 烧结是耐火制品生产中的最后一道工序。第70页/共106页二、熔铸耐火材料 熔铸耐火材料指原料及配料经高温熔化后浇注成一定形状的制品。配料的熔融方法有电熔法和铝热法两种。电熔法即在电弧炉或电阻炉中熔化配料。铝热法是利用铝热反应放出的热量将配料熔化。电熔法是目前生产熔铸耐火材料的主要方法。其生产工艺流程如图5-9所示。原料配料电炉熔化浇注铸件退火制品加工原料第71页/共106页将具有一定化学组成的耐火材料配料，在2500左右温度下用电弧炉熔化。熔体在与该耐火材料相适应的温度下浇入铸模内，再放到有保温填料的保温箱内或隧道窑中进行缓慢地冷却，以形成能保证铸件具有最佳性能的显微结构；用带金刚石刀具和磨
30、具的设备对铸件进行机械加工，确保制品具有精确的几何形状和低的粗糙度表面，从而提高电熔耐火材料制品的质量及延长使用寿命。第72页/共106页由于熔铸耐火材料生产方法特殊，与烧结法生产的耐火材料相比有以下特点：1)制品致密，气孔少，且为闭口气孔。2)机械强度和高温结构强度大。3)具有高的导热性和抗渣性。第73页/共106页4)组成相完全由成分决定，质量控制简单，产品稳定性好。5)耗电高，每生产It电熔锆刚玉(AZS)耐火砖，需耗电1450kWh。电熔耐火材料的化学组成，对它的物理化学性能和使用性能有着重要的影响，例如AZS电熔耐火材料主要由(质量分数)SiO2(1018)，Al2O3(4054)和
31、ZrO2(3040)组成，其余的氧化物(B2O3，Na2O)数量不大，是以夹杂物或专门添加物的形式存在的。第74页/共106页 三、不定形耐火材料生产 不定形耐火材料也称散状耐火材料，是由合理级配的耐火原料粒状和粉状物料与结合剂组成，不经成形和烧结而直接使用的耐火材料。不定形耐火材料可制成浆状、泥膏状或松散状。用这种材料可构成无接缝的整体构筑物，故又称为整体性耐火材料。不定形耐火材料主要有：耐火混凝土、耐火可塑料、耐火投射料、耐火喷涂料与耐火涂抹料等。不定形耐火材料的关键是结合剂。1918年法国首先应用了高铝水泥，开始了以铝酸盐水泥(也包括低温用硅酸盐水泥)作为结合剂的耐火混凝土的应用。第75
32、页/共106页 四、轻质耐火材料 轻质耐火材料是指体积密度小、热导率低，因而具有隔热性能的一类耐火材料。用轻质隔热耐火材料砌筑窑炉，可节约砌筑材料，减少窑墙厚度，降低燃料消耗。轻质耐火材料主要有耐火砖与纤维。(一)轻质耐火砖 降低耐火材料导热性的有效方法是在其中造成大量的气孔，在耐火砖中引入气孔的方法通常分为可燃加入物法和泡沫法。第76页/共106页(1)可燃加入物法是在泥料中加入适量可燃尽加人物，如锯末、粉碎的木炭、无烟煤、焦炭及木质素等。配料中加入部分致密熟料和结合粘土。(2)泡沫法是以表面张力小的物质(如松香皂)加入泥浆中使之起泡沫，注人模型，再同模型一起干燥，然后在一定温度下烧结，经过
33、加工整形即为成品。第77页/共106页(二)耐火纤维 耐火纤维是纤维状的耐火材料，它既具有一般纤维的特性，如柔软、高强等，又具有普通纤维所没有的耐高温、耐腐蚀的性能，并且大部分耐火纤维抗氧化。耐火纤维在高温区的热导率很低，在1000时的热导率仅为轻质粘土砖的38。耐火纤维的容积密度小，仅为轻质粘土砖的15l10。用耐火纤维代替耐火砖等作炉衬，质量可降低80以上，厚度可减少50以上。另外，耐火纤维具有耐火砖无法比拟的良好热震稳定性。第78页/共106页 耐火纤维的生产方法有多种，最常用的为熔融喷吹法，即把耐火物料在高温炉内熔融，形成稳定的流股，然后用空气或蒸气进行喷吹冷却成形。目前，常用的耐火纡
34、维通常为非晶质硅酸铝纤维和结晶质的氧化铝纤维。为了简化施工和满足使用要求，耐火纤维可被加工成纤维毡等制品。第79页/共106页 第四节 水泥的生产 通常将经细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，统称为水泥。按照水泥的用途和性能，可分为通用水泥、专用水泥及特性水泥三大类；按照水泥成分中起主导作用的水硬性矿物的不同，水泥又分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及少熟料和无熟料水泥等。第80页/共106页 一、硅酸盐水泥 硅酸盐水泥是使用量最大的一类，它是以硅酸钙为主要成分的熟料所制得水泥的
35、总称，包含多种品类。国标规定的判定区分方法是：硅酸盐水泥专指一种不掺任何混合材料的水泥品种；如掺有少量混合材料，为普通硅酸盐水泥；若掺加混合材料达到一定数量时，则在前面冠以混合材料的名称，如矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。当适当调整熟料矿物组成、石膏掺加量、水泥粉磨细度或掺加少量外加剂，使水泥具有某种特殊性质或特殊用途时，则在名称前冠以特殊性质或用途，如低热硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥等。第81页/共106页(一)原料 生产硅酸盐水泥的主要原料为石灰质原料(主要提供氧化钙)、粘土质原料(主要提供氧化硅和氧化铝及部分氧化铁)和铁质校正原料。当粘土中氧化硅含量不足时，可用高
36、硅原料如砂岩、砂子等进行校正。当粘土中氧化铝含量偏低时，可掺入高铝原料如煤渣、粉煤灰、煤矸石等进行校正。为了改善易烧性，有时要加入少量氟(萤)石、石膏、重晶石尾矿等作为矿化剂(催化剂)。第82页/共106页(二)生产过程与原理 1生产过程 硅酸盐水泥的生产流程如图5-10所示。第83页/共106页第84页/共106页第85页/共106页第86页/共106页第87页/共106页硅酸盐水泥的生产过程大致分为三个阶段：生料制备、熟料煅烧和水泥制成。(1)生料制备是石灰质原料、粘土质原料与少量校正原料经过破碎后，按照一定的比例进行配料，然后粉磨到一定的细度，调配为成分合适、质量均匀的生料。(2)熟料煅
37、烧是指一定成分的生料在煅烧设备内煅烧至部分熔融，并发生一系列物理化学变化，得到具有一定矿物成分的熟料。(3)水泥制成是把煅烧得到的熟料加入适量的石膏，有时加入适量的混合材料或外加剂，粉磨到一定细度，制得合格的水泥产品。第88页/共106页 2熟料煅烧过程中的物理和化学变化 物料在水泥窑中的煅烧过程虽因窑型不同而存在差异，但基本反应是相同的。简单来说，熟料的形成过程，就是生料在水泥窑中被连续加热使其经过一系列复杂的物理化学反应变成熟料的过程。(1)干燥与脱水物料干燥即物料中自由水的蒸发逸出，而物料脱水则是粘土矿物分解放出化合水。生料中的自由水含量因生产方法和窑型的差异而不同。自由水的蒸发温度为1
38、00150，每千克水蒸发潜热量高达2257kJ，耗热十分巨大。生料中的粘土矿物主要有高岭土、蒙脱石和伊利石,某些粘土中也含有少量长石、云母和石英砂,但大部分粘土属于高岭土类。高岭土(Al2O32SiO22H2O)的脱水温度为500600。高岭土脱水时的吸热量,以水蒸气为基准是1097kJ，但脱水产物在。100左右会由非晶质转变为晶质，反应为放热。第89页/共106页(2)碳酸盐分解生料被继续加热到600左右，其中的碳酸钙和碳酸镁会分解放出二氧化碳，其反应如下：上式反应为可逆反应，受系统温度和周围介质中C2分压的影响较大。当系统CO2，分压达环境压力后，反应才剧烈加速进行。通常，碳酸镁在温度达7
39、50左右时分解剧烈进行，碳酸钙在890时开始快速分解。此外，生料细度和颗粒级配、石灰石的种类和性质、粘土矿物的性质以及悬浮预热器和分解炉中生料的悬浮分散程度等，都是影响碳酸盐分解速度的因素。第90页/共106页 特别需要指出的是，碳酸盐分解反应发生时要吸收大量的热量，是熟料形成过程中消耗能量最多的一个过程，吸热量约占干法窑热耗的一半以上。(3)固相反应在水泥熟料烧成过程中，硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等矿物生成时的温度远低于物料中任一组分的熔化温度，因此，这些矿物的形成反应是以固相反应的方式完成的。从碳酸钙开始分解起，石灰质与粘土质等组分间就进行多级的固相反应，其反应过程大致如下(所示温度为
40、起始反应温度)：800：CaOAl2O3(缩写CA)与CaOSiO2(缩写C2S)开始形成；800900：开始形成12CaO7A12O3(C12A7)；9001100：2CaOA12O3SiO2(C2AS)形成后又分解，开始形成3CaOAl2O3(C3A)和4CaOA12O3Fe2O3(C4AF)所有碳酸钙均分解，游离氧化钙达最高值；11001200：大量形成C3A和C4AF，C2S含量达最大值。第91页/共106页影响上述固相反应的因素很多，主要与原料配比及性质、生料细度、均匀程度以及加热条件(温度及温度梯度单位时间内温度的变化量)有关。生料磨得越细，比表面积越大，则完成反应所需要的时间越短
41、，因为固相反应的速度与参加反应的物料颗粒尺寸的平方成反比。然而，当生料磨细到一定程度后，继续粉磨对反应速度的增加并不明显，而磨机产量却会大大下降，电耗也会急剧增加。故生料细度控制值，应以粉磨和煅烧的综合效益高为适宜。同时，上述反应进行时均放出一定的热量，故它们也称为放热反应。当用石灰石和粘土为主要原料配制生料时，此种生料在煅烧过程中的固相反应放热量约为420500Jg。第92页/共106页(4)硅酸三钙的形成和熟料的烧结在生产条件下，在出现液相之前，主要熟料矿物C3S 一般不会生成。开始出现液相的温度约1300(12501280)，液相的主要组成为C3S、C4AF、MgO及R2O等熔剂矿物。在
42、高温液相的作用下，固相的C2S和CaO逐渐溶解于液相中，相互反应生成硅酸三钙，其反应式如下：这一过程称为石灰吸收过程。随着温度的升高和时间的延长，液相量增加，液相粘度降低，C3S晶核不断形成，小晶体逐渐长大并发育，最终形成几十微米大小的阿利特晶体，完成熟料的烧结过程。未应用矿化剂时，硅酸盐水泥熟料的烧结温度范围一般为13001450。在14501300的降温过程中，阿利特晶体长大、增多，直到物料温度降到1300，液相开始凝固，C3S生成反应也结束。这时，物料中如果还有少量未参与化合反应的氧化钙，则称它为一次游离氧化钙。第93页/共106页在熟料烧结过程中，物料逐渐由疏松转变为色泽灰黑、结构致密
43、的熟料，并伴随有体积收缩。C3S的生成反应与生料的化学组成、烧结温度及反应时间等因素有关。生料化学组成影响液相量和液相粘度，生料中氧化物的组分数还影响到出现液相温度的高低。组分数越多，出现液相的最低温度越低。温度也是影响液相百分含量、液相粘度的重要因素。液相量多，液相粘度低，均有利于C3S的形成，使形成一定量C3S 的时间缩短。但液相量太多或液相粘度太小，会给煅烧操作带来困难，如立窑容易产生炼边(炉窑边壁处大量液化)和结大块，回转窑易产生烧流等。在生产条件下，C3S的形成阶段，所用时间约为2030min，液相量一般为2030，其形成反应一般认为是微吸热反应。第94页/共106页当然，C3S的形
44、成也可以通过纯固相反应实现，条件是需要把生料粉磨得很细，并要烧到较高的温度(1650以上)，这在现有的生产条件下是不可能的。(5)熟料的冷却水泥熟料冷却的目的在于：回收熟料带走的热量，预热二次空气，提高窑的热效率；迅速冷却熟料以改善熟料质量与易磨性；降低熟料温度，便于熟料的运输、贮存与粉磨。第95页/共106页 熟料冷却速度对熟料矿物组成有很大的影响。计算表明：对于铝率(所含的铝的氧化物或铝酸盐的含量)高或中等的熟料，快冷所得熟料的C3S含量较慢冷的为高；对于铝率较低的熟料则相反。熟料在冷却时，形成的矿物还会进行相变，其中贝利特晶体转化为r型和阿利特晶体的分解对熟料质量有重要影响。冷却速度快并
45、固溶一些离子等可以阻止上述相变。硅酸三钙在1250以下不稳定，会分解为硅酸二钙和二次游离钙，降低水硬性，但不影响安定性。水泥的安定性受方镁石晶体大小的影响很大，晶体越大，影响越严重。不影响水泥安定性的方镁石晶体的最大尺寸约为58m，而熟料慢冷时，方镁石尺寸可达60m。快速冷却可以使得方镁石结晶细小，从而减轻对安定性的影响。第96页/共106页熟料慢冷将促使熟料矿物晶体长大。阿利特晶体大小不仅影响熟料的易磨性，而且影响水泥的水化速度和活性。煅烧良好和急冷所得熟料中尺寸细小并发育良好的阿利特晶体，可产生较高的强度。熟料急冷也能增强水泥的抗硫酸盐性能，这与熟料急冷时C3S主要呈玻璃体状存在有关。另外
46、，急冷熟料时，玻璃体含量较高，且它的矿物晶体较小，使这种熟料的粉磨比慢冷的熟料要容易得多。第97页/共106页 二、硅酸盐水泥的生产方式 水泥的生产方式按照生料制备的方法不同，有干法和湿法两种。按照烧制设备又有回转窑与立窑之分。采用烘干生料粉，或是原料的粉磨与烘干同时进行，或先烘干后再粉磨，而后煅烧成熟料，再用其生产水泥的方法称为干法生产；而将原料加水粉磨成生料浆后直接煅烧成熟料，再以其生产水泥的方法称为湿法生产；若将生料粉加入适量水分制成生料球、而后煅烧成熟料生产水泥的方法，一般称为半干法；将湿法制成的生料浆脱水后，制成生料块人窑煅烧直接生产水泥的方法，则称之为半湿法生产。第98页/共106
47、页(一)回转窑生产方式 1立波尔窑 这种煅烧设备及工艺的主要特征是：一台较短的回转窑与一台回转式炉蓖子加热机连接工作，其加热机一般分为两室(也可分为三室)。将料球或料块(干生料加水成球，或湿料浆过滤后的滤饼成块)较均匀地铺散在炉蓖子加热机上，料层厚度150200mm。湿料球先在干燥室干燥，然后进入温度较高的余热室，最后已经部分分解的生料加入回转窑内进一步煅烧成熟料，如图5-11。第99页/共106页(二)立窑生产方式 立窑是一种内部填满料球的竖式固定床锻烧设备，内衬耐火材料。它分普通立窑和机械化立窑。机械化立窑是指机械加料和机械卸料的立窑。立窑的主体由上到下包括喂料装置、窑体、卸料装置(含密封
48、系统)三部分构成，其窑体与炼铁高炉的炉体相似。其基本生产过程是，含煤的生料球从窑顶喂人，空气从窑下部用高压风机鼓人，窑内物料借自重自上而下移动；料球在窑内经预热、分解、烧结和冷却等一系列物理、化学变化，形成熟料并从窑底部卸出，废气经窑罩、烟囱排出。立窑具有热耗较低、构造简单、占地面积小、单位投资少、省钢材、建厂较快等优点，适合因地置宜的小规模生产。但是，由于立窑厂规模较小，劳动生产率较低，成本较高，同时因立窑锻烧温度不均，对熟料质量有一定的影响。因此，这种生产方法有被淘汰的趋向。第100页/共106页习 题1试用框图表示浮法生产无机玻璃的生产工艺流程。2玻璃生产常用的原料有哪些?各种原料主要提
49、供哪些氧化物成分?3要制备合格质量的玻璃生产的配合料，应该注意哪些问题?4玻璃的形成过程可以分为哪几个阶段?5玻璃的成形方法有哪几种?简述浮法玻璃的成形过程和应注意的问题。6试说明普通陶瓷有哪些原料组成?各起什么作用?7简述普通陶瓷制品的生产工艺流程。8何为一次烧成、二次烧成，各具什么特点?9什么是釉?釉层是如何形成的?它具有哪些性质710试述烧结耐火制品的主要生产工艺过程11不定形耐火材料的生产过程与烧结耐火材料制品的生产工艺流程有什么不同?12什么是硅酸盐水泥和普通酸盐水泥?13简述硅酸盐水泥的生产过程。14在水泥生产过程中，熟料煅烧过程中发生了哪些物理化学变化?熟料急冷有哪些好15简述立波尔窑、悬浮预热窑、预分解窑及立窑生产水泥的基本原理。第101页/共106页第102页/共106页第103页/共106页第104页/共106页第105页/共106页感谢您的观看。第106页/共106页