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1、5/23/2023材料科学与工程学院1一、耐火原料的一、耐火原料的一、耐火原料的一、耐火原料的选择选择 耐火原料的耐火原料的选择从从两个方面两个方面两个方面两个方面进行考行考虑：（1）化学）化学观点：点：选择具有高熔点的具有高熔点的单质或化合物；或化合物；（2）矿物物观点：点：选择具有高耐火度的具有高耐火度的矿物。物。a)a)元素角度元素角度元素角度元素角度选择选择 门捷列夫元素周期表上，从捷列夫元素周期表上，从H到到V78个元素个元素中（稀土元素除外）熔点高于中（稀土元素除外）熔点高于2000的有的有10个，个，只有碳只有碳只有碳只有碳（熔点（熔点3500，有的，有的书中中为3700100）
2、具有耐火材料生具有耐火材料生产的的实际意意义，其它元素的数量，其它元素的数量不大。不大。第一节第一节 耐火材料的选择与加工耐火材料的选择与加工5/23/2023材料科学与工程学院2 b)b)二元化合物二元化合物二元化合物二元化合物 约有有9200种二元化合物，种二元化合物，约有有10101010种化合物是耐火的。种化合物是耐火的。氧化物中：氧化物中：酸性氧化物熔点最低：如酸性氧化物熔点最低：如SiO21713，TiO21825；中性氧化物次之：中性氧化物次之：如如Al2O3 2050，Cr2O32275；碱性氧化物熔点高：如碱性氧化物熔点高：如MgO2800，CaO2570，BeO2550，S
3、rO2430.c)c)三元化合物三元化合物三元化合物三元化合物 约有有148000种（除固熔体外），可用作耐火原料的种（除固熔体外），可用作耐火原料的约有有27802780种。如莫来石（种。如莫来石（3Al2O3 2SiO2）熔点）熔点为1870；镁铝尖晶石（尖晶石（Al2O3MgO）熔点）熔点为2105；镁铬尖晶石尖晶石（Cr2O3MgO）熔点）熔点为2350。5/23/2023材料科学与工程学院3d)d)四元化合物四元化合物四元化合物四元化合物 估估计可用作耐火原料的有可用作耐火原料的有400400600600种，如：种，如：堇青石（青石（2MgO2 Al2O35 SiO2）。）。合合计可
4、用作耐火原料可用作耐火原料总数数为4000余种，其中常余种，其中常用于工用于工业生生产的耐火原料只有的耐火原料只有100种。种。why?除了考虑熔点外，还要看它在自然界中存在的除了考虑熔点外，还要看它在自然界中存在的数量及分布情况，即作为耐火原料还应该具有数量及分布情况，即作为耐火原料还应该具有来源来源来源来源广，成本低廉广，成本低廉广，成本低廉广，成本低廉。在地球岩石层中，硅酸盐。在地球岩石层中，硅酸盐+铝酸盐数铝酸盐数量最大占量最大占86.5%86.5%。金属。金属PtPt的熔点为的熔点为17721772，可以用作，可以用作耐火原料，但是太昂贵了。耐火原料，但是太昂贵了。5/23/2023
5、材料科学与工程学院4（一）采（一）采矿和和选矿 1、采、采矿考考虑：储量丰富，可量丰富，可稳定的供定的供应原原矿，质量波量波动不大，不大，杂质含量符合技含量符合技 术要求。要求。综合利用（具有开采价合利用（具有开采价 值的要素：品位）的要素：品位）2、选矿：机械、物理、化学等方法将所机械、物理、化学等方法将所选 目目标矿物富集，并按物富集，并按矿物中各种物中各种矿 物的物理性物的物理性质选用合适的用合适的选矿方法。方法。二、耐火原料的加工二、耐火原料的加工5/23/2023材料科学与工程学院53、主要方法：、主要方法：重液法：重液法：利用利用矿物的密度差，在重液中物的密度差，在重液中进行分离；
6、行分离；磁力法：磁力法：利用不同利用不同矿物具有不同的磁物具有不同的磁导系数；系数；浮浮选法：法：利用利用矿物被液体所物被液体所润湿程度的差湿程度的差别来来进行行 （工（工业脂肪酸的混合物）脂肪酸的混合物）化学法：化学法：利用一系列物理化学反利用一系列物理化学反应使使矿物分离；物分离；电泳法泳法(电渗渗选矿法法)：利用利用悬浮液的浮液的质点点(如黏土、如黏土、高岭土高岭土)带有有电荷荷,电流通流通过悬浮液浮液时,带电的微粒向的微粒向带有相反有相反电荷的荷的电极移极移动,并沉并沉积在其表面上。在其表面上。5/23/2023材料科学与工程学院65/23/2023材料科学与工程学院7三、其它成型方法
7、三、其它成型方法 热压成型热压成型（热塑性、晶界蠕动）（热塑性、晶界蠕动）致密金刚石、炭化硅、赛隆（致密金刚石、炭化硅、赛隆（）、二氧化锆、）、二氧化锆、氧化铝，控制晶粒生长氧化铝，控制晶粒生长 热压注成型热压注成型埋粉排塑埋粉排塑 电熔铸电熔铸 等静压成型等静压成型 振动成型振动成型 3000次次/分钟振动，使颗粒重排分钟振动，使颗粒重排 设备：振动锤、振动台、振动器（耐火混凝土常用）设备：振动锤、振动台、振动器（耐火混凝土常用）5/23/2023材料科学与工程学院85/23/2023材料科学与工程学院95/23/2023材料科学与工程学院10 干燥的重要性干燥的重要性 干燥干燥阶段段 干燥
8、速度与干燥条件的关系干燥速度与干燥条件的关系 干燥干燥过程气孔形成和程气孔形成和应力力产生生第四节第四节 耐火材料的干燥耐火材料的干燥5/23/2023材料科学与工程学院11为什么要进行干燥为什么要进行干燥?*重要工序重要工序 使坯体使坯体获得一定机械得一定机械强度，有利于装度，有利于装窑和保窑和保证烧成初期能成初期能够顺利利进行行;经过干燥干燥的半成品得到初步定型的半成品得到初步定型,可能暴露成型可能暴露成型过程程中造成的缺陷中造成的缺陷,提高成品率提高成品率.举例：例：干干压成型水分多，炸窑成型水分多，炸窑塑性成型水分多，没有塑性成型水分多，没有强度度5/23/2023材料科学与工程学院1
9、2一、干燥阶段一、干燥阶段5/23/2023材料科学与工程学院135/23/2023材料科学与工程学院14 预备阶预备阶段（加段（加段（加段（加热阶热阶段）段）段）段）第一第一第一第一阶阶段（等速段（等速段（等速段（等速阶阶段）段）段）段）:排出大量的水分，等速干燥、水分蒸排出大量的水分，等速干燥、水分蒸发发生生在坯体表面。（在坯体表面。（仅与干燥介与干燥介质的性的性质有关）有关）属于表面蒸属于表面蒸发率速率速过程程 第二第二第二第二阶阶段段段段(降速降速降速降速阶阶段段段段):):干燥速度降低，干燥介干燥速度降低，干燥介质影响影响较小，（与坯小，（与坯体含水量和内部体含水量和内部结构有关）构
10、有关）扩散率速散率速过程程 第三第三第三第三阶阶段（零速段（零速段（零速段（零速阶阶段）段）段）段）:平衡水分保留在坯体内，大小取决于物料性平衡水分保留在坯体内，大小取决于物料性质、颗粒大小、干燥介粒大小、干燥介质的温度与相的温度与相对湿度湿度 5/23/2023材料科学与工程学院15其中，其中，可塑成型三可塑成型三阶段明段明显，不能快速干燥，不能快速干燥;半干法成型的三半干法成型的三阶段不明段不明显，可以提高，可以提高干燥速度干燥速度.概念：概念：平衡水分：平衡水分：干球温度以上水分干球温度以上水分:小于小于100时保留在坯体时保留在坯体中的水分中的水分.当坯体的含水量与外界条件当坯体的含水
11、量与外界条件(周围空气周围空气)达到平衡时所含的水分达到平衡时所含的水分;5/23/2023材料科学与工程学院16二、干燥速度与干燥条件的关系二、干燥速度与干燥条件的关系 温度温度 湿度湿度 流流动速度（干燥介速度（干燥介质）（等速干燥影响（等速干燥影响较为明明显（表面（表面过程）程）5/23/2023材料科学与工程学院175/23/2023材料科学与工程学院18三、干燥过程气孔形成和应力产生三、干燥过程气孔形成和应力产生对坯体水分坯体水分认识：可塑水：可塑水：产生最大塑性所需水分，形成生最大塑性所需水分，形成润 滑水膜滑水膜 收收缩水：湿坯干燥达最大收水：湿坯干燥达最大收缩所排出水分所排出水
12、分 气孔水：收气孔水：收缩水排出后水排出后连续蒸蒸发时排出水排出水 分（分（刚性体不性体不发生收生收缩）5/23/2023材料科学与工程学院191 1、气孔形成（粘土砖为例）、气孔形成（粘土砖为例）、气孔形成（粘土砖为例）、气孔形成（粘土砖为例）曲线为粘土的收缩曲线；曲线为水分的排出曲线；点：收缩与排出水分体积相等；点以后：排出水分大于收缩体积，所以产生气孔。5/23/2023材料科学与工程学院20 干燥时，内部水分不等，干燥时，内部水分不等，存在水分梯度，导致坯体干存在水分梯度，导致坯体干燥不均匀，使得坯体内部产燥不均匀，使得坯体内部产生应力；生应力；等速干燥阶段：干燥曲等速干燥阶段：干燥曲
13、线平行（线平行（5%以上）某一点以上）某一点时，曲线急剧弯曲使表面含时，曲线急剧弯曲使表面含水量和中心处不等，表面含水量和中心处不等，表面含水了量等于零，产生不均匀水了量等于零，产生不均匀收缩，导致内部产生应力收缩，导致内部产生应力 2、内部应力的产生、内部应力的产生5/23/2023材料科学与工程学院21 应力力产生表生表现：干燥干燥变形形 干燥裂干燥裂纹 应力克服措施：力克服措施：减速干燥减速干燥阶段，采取温度梯度干燥；段，采取温度梯度干燥；控制干燥速度控制干燥速度5/23/2023材料科学与工程学院22四、干燥制度四、干燥制度 砖坯坯进行干燥行干燥时，控制条件的，控制条件的总和，包和，包
14、括：干燥括：干燥时间，进入和排出干燥入和排出干燥剂的温度，的温度，相相对湿度，坯体干燥前后的水分；湿度，坯体干燥前后的水分；干燥干燥时间关系到正确关系到正确选择干燥干燥设备，保，保证正常生正常生产与与经济性，是重要参数。性，是重要参数。5/23/2023材料科学与工程学院23 1、影响干燥、影响干燥时间因素（干燥速度）因素（干燥速度）物料性物料性质与与结构（构（结合粘土量、熟料合粘土量、熟料颗粒粒组成：粗成：粗细）坯体的形状和大小坯体的形状和大小砖坯最初含水量与干燥后的残余水分坯最初含水量与干燥后的残余水分干燥介干燥介质的温度、湿度和流速的温度、湿度和流速干燥介干燥介质在干燥器中的温度降在干燥
15、器中的温度降干燥器的密封情况。干燥器的密封情况。5/23/2023材料科学与工程学院24 2、干燥后残余水分的确定、干燥后残余水分的确定 足足够的机械的机械强度（装窑，太低水分度（装窑，太低水分砖坯脆）坯脆）烧成期成期间能快速升温（降低不必要的能快速升温（降低不必要的热工工消耗）消耗）砖坯厚度大小决定残余水分量坯厚度大小决定残余水分量 不同窑型不同窑型/不同不同砖种也决定残余水分含量种也决定残余水分含量（举例）例）5/23/2023材料科学与工程学院25 回转窑：含水量低（推车制度决定）；回转窑：含水量低（推车制度决定）；其他窑：其他窑：水分可以提高。水分可以提高。粘土砖：粘土砖：23%硅砖：
16、硅砖：12%镁砖：镁砖：0.61.0%（防止水化）（防止水化）5/23/2023材料科学与工程学院264 4、干燥设备、干燥设备、干燥设备、干燥设备 隧道干燥器、室式干燥器、其它（利用隧道窑隧道干燥器、室式干燥器、其它（利用隧道窑的热烟气）的热烟气）3、具体干燥制度、具体干燥制度5/23/2023材料科学与工程学院27定定义：对坯体坯体进行加行加热处理，使其达到理，使其达到烧 结的的过程。程。目的：目的：耐火制品（陶瓷）制品的一种耐火制品（陶瓷）制品的一种热处理理 过程，伴随着一系列物理化学程，伴随着一系列物理化学变化，使化，使 坯体气孔率降低（多孔制品例外），体坯体气孔率降低（多孔制品例外）
17、，体 积密度增大，密度增大，变为一种具有一定尺寸、一种具有一定尺寸、形状和形状和结构构强度制品，它是耐火材料制度制品，它是耐火材料制 品生品生产中最后一道工序。中最后一道工序。第五节第五节 耐火材料的烧成耐火材料的烧成5/23/2023材料科学与工程学院28（一）烧成过程中的物理、化学变化（一）烧成过程中的物理、化学变化 1、坯体排出水分、坯体排出水分过程（室温程（室温200）为残余水分排出，残余水分排出，该过程完成程完成较快快 5/23/2023材料科学与工程学院29 排出结晶水，分解，有机物氧化；排出结晶水，分解，有机物氧化；同时有少量晶型转变和低熔液相产生（粘土制品同时有少量晶型转变和低
18、熔液相产生（粘土制品中的玻璃相）；中的玻璃相）；（气体体积增大，一（气体体积增大，一般为氧化气氛）。般为氧化气氛）。特征：特征：特征：特征：该阶段坯体减轻，气孔率增大，强度有所下该阶段坯体减轻，气孔率增大，强度有所下 降（原因：氢键消失；由于晶型转变，密堆降（原因：氢键消失；由于晶型转变，密堆 结构被改变。结构被改变。2 2、分解氧化阶段（、分解氧化阶段（、分解氧化阶段（、分解氧化阶段（20010002001000）5/23/2023材料科学与工程学院30 3、液相与耐火相合成（、液相与耐火相合成（1000以上）以上）特征：致密化、特征：致密化、强度增大、体度增大、体积缩小、小、气孔率降低。气
19、孔率降低。将将发生生质点的点的扩散、粘滞流散、粘滞流动、溶解、溶解沉淀沉淀传质，液体的表面，液体的表面张力使力使颗粒之粒之间紧密接触密接触 5/23/2023材料科学与工程学院31 4、烧结、烧结 液相、固相、反应烧结，气孔进一步消失或变小，液相、固相、反应烧结，气孔进一步消失或变小，是致密化的最重要的物理化学过程。是致密化的最重要的物理化学过程。5、冷却、冷却 耐火相析晶、晶型转变、玻璃相固化耐火相析晶、晶型转变、玻璃相固化 使坯体强度、密度、体积依品种不同都有相应变化使坯体强度、密度、体积依品种不同都有相应变化 举例：举例：举例：举例：质耐火材料将发生：质耐火材料将发生：（粉化）（粉化）陶
20、瓷将发生立方向四方和单斜晶体结构的转陶瓷将发生立方向四方和单斜晶体结构的转化。化。5/23/2023材料科学与工程学院32二、烧结二、烧结1、定、定义：物料物料经高温作用，高温作用，变成具有一定成具有一定强度和气孔率很低（或无气孔）的致密石状物度和气孔率很低（或无气孔）的致密石状物的工的工艺过程。程。烧结模型模型 烧结传质的的动力力 迁移机制迁移机制5/23/2023材料科学与工程学院33烧结系数：系数：式中，为烧结前后的气孔率；烧结前后的强度；系数（多孔材料例外）2 2、衡量烧结强度的方法、衡量烧结强度的方法、衡量烧结强度的方法、衡量烧结强度的方法 灼减、相对密度、体积密度、吸水率、晶体粒径
21、、灼减、相对密度、体积密度、吸水率、晶体粒径、水化强度（碱土金属氧化物制备耐火材料易水化，致水化强度（碱土金属氧化物制备耐火材料易水化，致密时，水化程度减小。密时，水化程度减小。5/23/2023材料科学与工程学院34热态接触：接触：质点点间接触增加，接触增加，边界保留；界保留；开始开始阶段：段：质点点间边界消失，新气孔尚未界消失，新气孔尚未形成；形成；形成封形成封闭气孔气孔阶段；段；烧结过程中物理性能程中物理性能变化（制品尺寸、体化（制品尺寸、体积密度、气孔率）密度、气孔率）3、耐火材料的烧结过程、耐火材料的烧结过程5/23/2023材料科学与工程学院354、影响烧结的因素、影响烧结的因素
22、1、物料的、物料的结晶化学特性晶化学特性晶格能，晶格能大，晶格能，晶格能大，键力力强，结构牢固，高构牢固，高温下温下质点的可点的可动性小，性小，烧结困困难；阳离子极性：阳离子极性小的离子阳离子极性：阳离子极性小的离子难以以烧结（难以以烧结）晶粒生晶粒生长：长大大50倍，相倍，相对密度密度95%长大大1500倍，相倍，相对密度密度6080%第二相析出，晶粒第二相析出，晶粒长大大50微米，相微米，相对密度不足密度不足90%5/23/2023材料科学与工程学院36 2、物料分散度（粉碎）、物料分散度（粉碎）粉体的表面粉体的表面积越大，越大，质点的可点的可动性越性越强，烧结活性越高活性越高举例：例：就
23、可达到，铝矾土亦同样 5/23/2023材料科学与工程学院37 3、温度和保温、温度和保温时间型关系，型关系，过于提高于提高烧结温度，延温度，延长烧结时间无益。无益。4、坯体的致密情况、坯体的致密情况（加（加强质点点间的接触）的接触）高温下促高温下促进塑性流塑性流动；加快加快质点点间扩散（增多缺陷数量）。散（增多缺陷数量）。5/23/2023材料科学与工程学院38 5、外加、外加剂 作用：作用：固溶体：固溶体：固溶体：固溶体：增加晶格缺陷，活化晶格，提高增加晶格缺陷，活化晶格，提高烧结驱动力力 液相：液相：液相：液相：表面表面张力毛力毛细管力，促使管力，促使颗粒粒紧密接触和致密密接触和致密 重
24、排；重排；化合物：化合物：化合物：化合物：不利于不利于烧结致密致密高耐火高耐火层，阻碍，阻碍烧结的的进行；行；晶型晶型转变的体的体积效效应，增加，增加质点点间迁移距离，阻碍迁移距离，阻碍烧结；外加外加剂析出晶界，阻碍晶界移析出晶界，阻碍晶界移动。5/23/2023材料科学与工程学院396、液相性、液相性质 表面表面张力：直接力：直接结合合 粘度：粘度：传质 润湿：湿：产生毛生毛细管力的前提管力的前提 组成成结构：与晶相构：与晶相类似的核前群越少，越似的核前群越少，越有利于析晶有利于析晶5/23/2023材料科学与工程学院40 7、气相、气相 增加气孔率（增加气孔率（烧结时形成孤立气孔）形成孤立
25、气孔）吸附气相薄膜（阻碍直接接触，影响吸附气相薄膜（阻碍直接接触，影响传质）8、气氛、气氛 气体在固相中溶解度大气体在固相中溶解度大时，能促，能促进烧结，否否则对烧结无益。无益。5/23/2023材料科学与工程学院41三、烧结制度的确定三、烧结制度的确定 升温速度、升温速度、烧成最高温度、保温成最高温度、保温时间、冷却速度和、冷却速度和烧成气氛。成气氛。升稳速度和冷却速度；升稳速度和冷却速度；升稳速度和冷却速度；升稳速度和冷却速度；取决于烧成或冷却时所受的应力作用取决于烧成或冷却时所受的应力作用（温度剃度和热胀冷（温度剃度和热胀冷缩造成的缩造成的“热应力热应力”；制品内部物理化学变化、晶型转变、重结晶和；制品内部物理化学变化、晶型转变、重结晶和晶粒长大等因素造成的晶粒长大等因素造成的“应力应力”。最高烧成温度和保温时间：最高烧成温度和保温时间：最高烧成温度和保温时间：最高烧成温度和保温时间：最高烧成温度依据制品种类、所用原料性质和使用条最高烧成温度依据制品种类、所用原料性质和使用条件下对制品各种性能要求定。件下对制品各种性能要求定。气氛（氧化、还原、中性）气氛（氧化、还原、中性）气氛（氧化、还原、中性）气氛（氧化、还原、中性）硅砖：还原气氛；镁砖：弱氧化气氛；硅砖：还原气氛；镁砖：弱氧化气氛；含碳制品：隔绝空气的还原气氛。含碳制品：隔绝空气的还原气氛。演讲完毕，谢谢观看！