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无机非金属材料工学1无机非金属材料工学期末总结1概述水泥生产过程：P-H-P水泥制品生产过程：H-P-F玻璃生产过程：P-H-F陶瓷生产过程：P-F-H2原料与燃料2.1钙质原料陶瓷工业中使用的钙质原料主要有纯度要求更高的方解石，石灰石和硅灰石等，其目的主要是增加坯体及釉料中熔剂型矿物的含量降低产品的烧成温度。生产1t水泥熟料通常需要1.2~1.3t石灰石干原料。2.2黏土类原料生产1t水泥熟料需要0.2~0.3t黏土类原料。2.2.2粘土的组成由于粘土主要由含水的铝硅酸盐组成，因而其主要化学成分为SiO2和Al2O3，还有少量的碱金属氧化物，碱土金属氧化物，着色氧化物等，除此之外就是部分结晶水。矿物组成：粘土按其主导粘土矿物的不同分为高岭石类、蒙脱石类和伊利石类三大类别。高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）1:1型层状结构硅酸盐，Si-O四面体层和Al-(O,OH)八面体层通过共用氧原子联系成双层结构，构成结构单元层。层间以氢键相连，结合力较小，所以晶体解理完全并缺乏膨胀性。——高岭土蒙脱石（Al2O3·4SiO2·nH2O，n＞2）是2:1型层状结构，两端[SiO4]四面体，中间夹一无机非金属材料工学2个[AlO6]八面体，构成单元层。单元层间靠氧相连，结合力较小，水分子及其它极性分子易进入晶层中间形成层间水，层间水的数量是可变的。——膨润土伊利石（K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O·nH2O）——水云母类矿物（云母水解成高岭石的中间产物）伴生矿物（处理方法：淘选、磁选）测定粘土颗粒级配：筛分法（0.06mm以上）与沉降法（1~50μm）2.2.3粘土的工艺性质（1）可塑性：粘土—水系统形成泥团，在外力作用下泥团发生变形，形变过程中坯泥不开裂，外力解除后，能维持形变，不因自重和振动再发生形变，这种现象称为可塑性。表示方法：可塑性指数、可塑性指标可塑性指数（w）：W=W2-W1W降低—泥浆触变厚化度大，渗水性强，便于压滤榨泥。W1塑限：粘土或（坯料）由粉末状态进入塑性状态时的含水量。W2液限：粘土或（坯料）由粉末状态进入流动状态时的含水量。可塑性指标：在工作水分下，粘土（或坯料）受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积，也可以以这时的相应含水率表示。（2）离子交换性：粘土颗粒因表面层断键和晶格内部离子的不等价置换而带电，能吸附其他异号离子，在水溶液中这种离子又可被其他相同电荷的离子置换。交换发生在粘土粒子表面，不影响硅铝酸盐晶体结构。表示方法：离子交换能力用交换容量来表示，100g粘土所吸附能够交换的阳离子或阴离子的量，单位：mol×10／g。（3）触变性：粘土泥浆或可塑泥团在静置会变稠或凝固，若此时受到搅动或振动，则可使其粘度降低而流动性增加，再放置一段时间后又能恢复至原来的状态，这种性质称为触变性。无机非金属材料工学3原因：粘土颗粒表面带电荷，来源于Si4+被Al３+，Fe２+等置换以及边缘断键，而出现负电荷。触变性大小常用厚化度来表示。泥浆厚化度：泥浆放置30min和30s后相对粘度之比泥团厚化度：静置一段时间后，球体或锥体压入泥团达一定深度时剪切强度增加的百分数。（4）膨化性：粘土加水后发生体积膨胀的性质。膨化性的大小可用膨胀容来表示，膨胀容通常是指1g干粘土吸水膨胀后的体积（5）收缩性：粘土经110℃干燥后，由于自由水及吸附水排出所引起的颗粒间距离减小而产生的体积收缩，称为干燥收缩（原始长度为基准）。干燥后的粘土经高温煅烧，而随之发生的结晶水脱水、分解、熔化等一系列的物理化学变化而导致的体积进一步收缩，称为烧成收缩（干燥后的长度为基准）。两种收缩之和即为粘土的总收缩。S烧=S总−S干100−S干∗100%（6）烧结性能烧结温度:随着液相量出现并不断增加，气孔率也降至最低，达到最大收缩率时，其对应的温度称为烧结温度T2。若继续升温试样将因液相量过多而发生变形，其对应的最低温度称为软化温度T3。T3与T2的温度差即为烧结温度范围（大小取决于粘土中熔剂型矿物的种类和数量）。（7）耐火度：材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度耐火度检测：将一定细度的截头三角锥（高30mm，下底边长8mm，上底边长2mm），在一定的升温制度下，测出三角锥顶端软化下弯至锥底平面时的温度，即粘土原料的耐火度。2.3石英类原料无机非金属材料工学4自然界中的SiO2结晶矿物统称为石英2.3.2石英晶型的转化横向：重建型转变（高温型转变），特征：转化速度慢，体积变化大。纵向：位移型转变（低温型转变），特征：转化速度快，体积变化小。2.4长石类原料长石是一类最为常见的造岩矿物，约占地壳总质量的60%，为架状结构的碱金属或碱土金属的铝硅酸盐，在火成岩、变质岩和沉积岩中均可出现，但以火成岩为主。2.5.4Na2O质原料Na2O在玻璃熔制过程中能提供游离氧，使结构中的O/Si比值增加，降低玻璃液浓度，是良好的助熔剂。2.5.4.2芒硝（Na2SO4）不仅可以代替碱，并且还是玻璃制造常用的澄清剂。2.5.5含硼原料含硼原料主要提供玻璃和陶瓷工业所需的B2O3物质。其作为陶瓷原料的主要作用是降低陶瓷釉料的熔融温度和高温粘度，使釉面光滑平整。而在作为玻璃原料在硼硅酸盐玻璃中B2O3可以【BO】3和【BO】4为结构组元与硅氧四面体共同组成结构网络，降低玻璃的膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性和机械性能，增加玻璃的折射率和玻璃光泽。2.5.6辅助性原料无机非金属材料工学52.5.6.1澄清剂凡在玻璃熔制过程中能分解产生气体，或能降低玻璃液粘度，促使玻璃液中气泡排出的原料称为澄清剂。（1）氧化砷和氧化锑单独使用仅起鼓泡作用，与硝酸盐组合使用时则能在低温时段吸收氧气，高温时段放出氧气而起到澄清作用。（2）硫酸盐类主要是硫酸钠，它在高温时分解逸出气体而起澄清作用。（3）氟化物类主要是萤石（氟化钙）和氟硅酸钠。他们通过降低玻璃液粘度而起到澄清作用。对耐火材料腐蚀大。2.5.6.2着色剂和脱色剂（1）着色剂①离子着色剂②胶体着色剂③化合物着色剂（2）脱色剂①物理脱色：在材料中加入一定数量的能产生互补色的着色剂，使颜色互补而消色。②化学脱色：借助于脱色剂的氧化作用，使玻璃等被有机物沾染的黄色去除，或使着色能力强的低价铁氧化物转变为着色能力较弱的三价铁氧化物，以便进一步使用物理脱色法去除，使玻璃透光性增加。2.5.6.4乳浊剂：使熔体降温时析出的晶体、气体或分散粒子出现折射率的差别，在光线反射和衍射作用下，引起光线散射从而产生乳浊现象的物质，称为乳浊剂。（1）悬浮乳浊剂无机非金属材料工学6（2）析出式乳浊剂（3）胶体乳浊剂2.6燃料2.6.2燃料组成及其换算（1）元素分析法：碳（C）氢（H）氧（O）氮（N）硫（S）灰分（A）水分（M）（2）工业分析法（实用分析）：挥发分（V），固定碳（C），灰分（A）及水分（M）收到基（ar）空气干燥基（ad）干燥基（d）干燥无灰基（daf）2.6.3发热量与标准燃料发热量：单位质量固体或液体燃料或单位体积气体燃料完全燃烧，且当燃烧产物冷却到燃烧前的温度时所放出的热量。（1）高位发热量：燃料完全燃烧且燃烧产物中的水蒸气全部冷凝为水时所放出的热量。（2）低位发热量：燃料完全燃烧且燃烧产物中的水蒸气仍为气态时所放出的热量。3粉粒体制备3.1.1粉碎的定义与分类以外力克服固体物料质点间结合力而使物料几何尺寸减小的过程称为破碎粒体（毫米级以上尺寸）粉体（数百微米以下尺寸）3.1.2物料的硬度、脆性及强度（1）硬度：莫氏硬度指数划分（滑石为1，金刚石为10）（2）脆性和韧性无机非金属材料工学7脆性指数=硬度/韧性值3.1.4粉碎的施力方式压碎（压力）、击碎（冲击力）、磨剥（摩擦力）、弯折（弯曲力）和劈碎（劈力）3.2破碎破碎机分为挤压式和冲击式两大类。挤压式破碎机（颚式破碎机，旋回式，圆锥式，辊式）冲击式破碎机（锤式破碎机（篦条筛：自带分级），反击式破碎机）3.2粉磨磨剥、冲击、挤压4输送、混合和均化4.1.1气力输送分类与特性气力输送按工作压力分为正压输送（一个位置取料多个位置出料），负压输送（多个位置取料，一个位置出料）和混合输送。按气固浓度分类：稀相输送：适用于质量和粒度较小、干燥和易流动物料，且输送距离不大。密相输送：输送速度慢，能有效减少管道磨损和物料的破碎，且耗气量，能耗相对较低，使输出终端的气固分离比较容易。4.2连续输送机械胶带输送机，螺旋输送机，斗式提升机，链式输送机和振动输送机。4.3供料与给料装置满足的要求包括：具有均匀而稳定的流量；给料流量便于在一定幅度内调节，最好采用自动化控制系统；料流形状能符合生产工艺要求，且可根据需要调整；给料部件磨损小，无机非金属材料工学8不易沾料、堵塞；扬料小，不漏料。4.4混合两种或两种以上的粉粒料，通过搅拌使其成为均匀分布的混合体，称为混合。4.4.1混合状态表征对流混合：颗粒在较大范围内做位置的相互交换移动，混合速度快使物料趋于宏观均匀剪切混合：颗粒因移动速度或方向的差异，在滑移面之间做错位移动。扩散混合：颗粒因密度，尺寸，形状等差异，在相邻颗粒之间做穿插掺和移动，混合速度慢，使混合料趋于微观均匀。4.5均化均化是材料制造过程中，通过采用一定的工艺和装置措施，使原、燃料的化学成分波动幅度减小，而趋于均匀一致的过程。预均化堆场布置形式：矩形和圆形4.5.1.2堆取料方式堆料方式：人字形（易产生颗粒离析），波浪形（设备昂贵）、水平层、横向倾斜层，纵向倾斜层取料方式：端面取料，侧部取料和底部取料4.5.2生料的均化粉磨后的生料通过合理搭配或搅拌等方式，使其成分进一步趋于均匀一致的过程称为生料的均化（水泥生产的最后一道均化环节）。其主要功能是：消除出磨生料的波动，使生料满足入窑成分的均齐性要求，以稳定烧成的热工制度，提高熟料产量、质量和窑系统的安全运转率，降低能耗。5熔化和相变无机非金属材料工学95.1熔化影响熔化过程的因素：①配合料的化学组成；②配合料的物理状态，包括原料品种、颗粒尺寸大小、形状和级配；③配合料中熟料引入量；④配合料的均匀度；⑤加料方式；⑥熔窑温度制度；⑦耐火材料性质；⑧加速剂的应用玻璃的分相机理：①成核生长机理②亚稳分解机理微晶玻璃基本生产过程：熔制和成型、结晶化前加工，结晶化热处理、晶化后加工四个阶段，晶化热处理是关键。热处理时，玻璃中先后发生分相、晶核形成、晶核生长、二次结晶生长等过程。6成型6.1概述成型是将配合料制成的浆体、可塑泥团、半干粉料、熔融体或胶态体系等，经适当的手段和设备变成一定形状制品的过程。6.2混凝土浆体的密实成型振动密实成型、压制密实成型和离心脱水密实成型。无机非金属材料工学106.2.2陶瓷浆体密实成型注浆成型：空心注浆，实心注浆陶瓷泥浆触变性：在一定的剪切速率下，浆料的黏度随时间增加而减少；还有一种情况，料浆的粘度随时间的增加而增加。前者称为正触变性，后者称为负触变性。泥浆具有触变性原因：黏土类矿物大多由板状结构颗粒组成，在板面上往往带有负电荷，而端面处则带有一定的正电荷，端—板面相互吸引，形成“棚架”结构。很多水被包围在棚架中不能自由流动，所以泥浆流动性差。这种结构随着搅动逐步打开，一旦静置使又渐渐恢复。作为稀释剂的电解质条件：（1）具有水化能力大的一价阳离子，如Na+（2）能直接离解或水解，提供足够的OH-（3）他的阴离子与黏土中有害的离子形成难溶盐或稳定的络合物注浆成型：多孔模具的脱水作用实现（石膏或树脂）6.3玻璃熔体的成型与退火6.3.1黏度长性玻璃：一般将在102~108Pa·s黏度范围内温度范围大的玻璃称之为长性玻璃，长性玻璃在相同的冷却速度下有较长的操作时间，反之称之为短性玻璃。表面张力弹性比热、热导率、热膨胀系数、表面辐射强度、透热性。6.3.3~6.3.4吹制成型、拉制成型6.3.5浮法生产平板玻璃无机非金属材料工学11浮法是指玻璃液漂浮在熔融金属表面上生产平板玻璃的方法。浮法玻璃的成型原理：让处于高温熔融状态的玻璃液浮在比它重的金属液表面上，受表面张力作用使玻璃具有光洁平整的表面，并在其后的冷却硬化