第三章--耐火材料生产工艺及主要设备

第三章耐火材料生产工艺及主要设备3.1耐火材料生产工艺概述3.2原料的加工3.3坯料的制备3.4耐火材料成型工艺3.5砖坯干燥3.6耐火制品的烧成3.1耐火材料生产工艺概述：耐火材料是为高温技术服务的重要的基础材料。随着高温窑炉技术，要求耐火材料满足日益苛刻的使用条件及要求，品种繁多、性质各异的耐火材料制品。所用原料以及对产品质量要求的不同，不同类型耐火材料的生产方法也各有特点。耐火材料的生产方法随其品种而异。耐火材料的生产是有共性的。生产工序：原料的煅烧、破粉碎、细磨、筛分、配料、混合、成型、干燥、烧成主要工序。耐火材料生产工艺及主要设备－概述耐火材料生产工艺及主要设备－概述3.2原料的加工1.原料的煅烧大多数原生矿石不能直接用来制砖，在高温作用下发生物理化学反应(分解、化合和烧结等)，高温作用下重量和体积都会发生变化，引起砖坯的体积变化，甚至会出现大量的变形和开裂的废品。在原料煅烧时完成(或基本完成)，保证获得符合一定质量要求的成品。原料煅烧目的:达到烧结，原料煅烧基本原理:在表面张力作用下，通过物质迁移煅烧设备:竖窑和回转窑，耐火材料生产工艺及主要设备－原料加工几种原料在煅烧时的分解反应原料组成分解产物重量损失％要求煅烧温度℃耐火粘土高铝矾土菱镁石白云石石灰石A12O3·2SiO2·2H2OA12O3·2H2O+A12O3·2SiO2·2H2OMgCO3CaMg(CO3)2CaCO33A12O3·2SiO2、SiO2、H2O3A12O3·2SiO2、A12O3、SiO2、H2OMgO、CO2CaO、MgO、CO2CaO、CO214约155247.7441300~14001450~15501600~16501600~16501200~1300耐火材料生产工艺及主要设备－原料加工注：石灰石只达到完全分解，不需要烧结实际煅烧中，纯净的物料是很难烧结的对煅烧设备的使用寿命不利并需消耗大量能源。高纯白云石1700℃的高温烧结高纯镁砂1900~2000℃烧结。纯净原料的煅烧方法:a增加物料的比表面积的方法降低烧结温度靠单纯的降低物料粒度增加比表面积是有一定限度的，磨粉的能耗很大。耐火材料生产工艺及主要设备－原料加工b轻烧活化解决纯净的物料难烧结的问题。轻烧活化:将物料在一定温度下进行轻烧。使晶格缺陷增加。活性提高，再进行死烧，轻烧－压球或压块－死烧，也称二步煅烧法。在1600℃以下，制成高纯度，高密度的烧结镁砂，MgO含量高达99.9％，密度可达3.4g／cm3。物料纯度不高，杂质含量大于4％的镁砂，不采用二步煅烧法有些矿物，硅石、叶蜡石等在加热过程中体积变化很小，不必预先煅烧而直接用于制砖。耐火材料生产工艺及主要设备－原料加工2.破、粉碎原料的破、粉碎：用机械方法(或其它方法)对原料施以外力(包括压、剪切、弯曲、撞击、研磨等作用力)，克服固体物料各质点间的内聚力，碎成小块或细粉的过程。耐火原料：350mm左右的大块，粉末状的、块料不能直接用于生产耐火制品，需经过破、粉碎处理。破、粉碎的目的：将块状原料制备成具有一定粒度组成的颗粒料或细粉，以便将不同配合的物料混合均匀；增加物料的比表面积，提高其物理化学反应的速度，促进烧结。耐火材料生产工艺及主要设备－原料加工破、粉碎过程：耐火材料生产工艺及主要设备－原料加工粗破碎250～300mm大块碎成40～50mm中块细破碎40～50mm中块粉碎至小于5mm的颗粒一级细磨10mm左右粗粒磨细成小于0.088mm以下的细粉二级破碎耐火材料生产工艺及主要设备－坯料的制备3.3坯料的制备耐火材料制品由粉料颗粒经加工制备而成。耐火材料涉及的颗粒，是指毫米至微米级的颗粒。颗粒的堆积物称粉体，粉体性质取决颗粒的本质及颗粒大小粉料的颗粒组成粒度，mm平均粒度,mm颗粒数量，％物料累积数量，％5.255.25~2.82.8~1.71.7~0.540.54~0.200.20~0.00－4.032.2511.120.370.104.08.310.236.618.222.84.012.322.559.077.2100.01.坯料的颗粒组成坯料的颗粒组成对坯体的致密度有很大影响。在不考虑颗粒本身变形的前提下，从粉料制成坯体的总收缩，等于原始气孔的体积。符合紧密堆积的颗粒组成，才有得到致密坯体的可能。耐火材料生产工艺及主要设备－坯料的制备①尺寸相同的圆球堆积颗粒间的相互结合，遵循着内能最低的原则相同尺寸的球，有五种堆积方式:耐火材料生产工艺及主要设备－坯料的制备对单一尺寸的圆球来说，其堆积密度、气孔率与圆球尺寸大小，材料性质无关，按六方型以配位数为8的方式堆积。在任何情况下，其气孔率均为38±1％。序号堆积方式配位数气孔率，％12345立方六方型复六方型角锥型四面体型6810121247.6439.5530.2025.7525.95单一颗粒的堆积方式与气孔率耐火材料生产工艺及主要设备－坯料的制备耐火材料生产工艺及主要设备－坯料的制备②尺寸不同的圆球体堆积大颗粒的组成中加入一定数目尺寸较小的颗粒，填充于大颗粒的间隙，则堆积物间空隙可进一步降低。假如向第一组球内引入第二组球，其尺寸比第一组球小，第二组球在空隙内也能以配位数为8的方式堆积，则混合物的空隙下降为14.4％。再加入体积更小的第三、第四组球，空隙还会进一步下降当三组分球作最紧密堆积时，气孔率下降显著，当组分大于3时，则气孔率下降不明显。耐火材料生产工艺及主要设备－坯料的制备多组分球体堆积特征球体组分球体体积，％气孔率，％气孔率下降，％123456285.694.698.099.23814.45.42.00.8－23.69.03.41.2耐火材料生产工艺及主要设备－坯料的制备理想的堆积: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，1)采用单一的颗粒不能达到紧密堆积，2)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4～5倍以上效果方显著耐火材料生产工艺及主要设备－坯料的制备3)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，该数量取决于颗粒的形状和填充方式。当有两种组分时，粗细颗粒的数量比为7:3，当有三种组分时7:1:2；4)增加组分的数目可提高堆积密度，使它接近于最紧密堆积,当组分大于3时，实际意义不大5)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。耐火材料生产工艺及主要设备－坯料的制备在耐火材料生产中通常多采取三种组分颗粒配合粗颗粒中颗粒细颗粒细颗粒，从0到0.2mm(或0.1mm)中颗粒：从0.2(或0.1)mm到0.5mm粗颗粒:从0.5mm到3～4mm，2配料1．配料的组成配料的组成：按规定比例配合的各种原料是和同一原料的各不同颗粒组成的粉料。它随制品的类型和性能要求、所用原料的性质及工艺条件而改变。耐火材料生产工艺及主要设备－配料这一句话的如何理解？(1)从化学组成方面看，配料的化学组成必须能满足制品的要求，并且应比制品的指标要求高此。(2)现在生产中一般采用半干压制法，它要求的坯料具有足够的结合性，在配料中应含有结合成分。有时结合作用可由配料中的主体原料来承担，但有时主体原料是瘠性的，则要由具有粘结能力的结合剂来完成，如纸浆废液、结合粘土和石灰乳等。(3)原料中含有水分和灼减成分时，使得原料、配料和制品的化学组成之间出现换算关系。耐火材料生产工艺及主要设备－配料耐火材料生产工艺及主要设备－配料颗粒mm成分2.0～0.50.5～00.075合计堇青石(wt%)2661345莫来石(wt%)154625结合剂(wt%)3030结合剂的化学矿物组成组成堇青石－莫来石耐火材料配料结合剂各种原料的组成滑石高岭土铝矾土Al2O3合计堇青石基38.4％×30％47％×30％10.6％×30％4％×30％30莫来石基20％10％30颗粒mm成分2.0～0.50.5～00.075合计堇青石(wt%)2661345莫来石(wt%)1546251结合剂(wt%)滑石11.52％高岭土14.1％铝矾土3.18％Al2O31.2％2结合剂(wt%)高岭土20％Al2O310％30耐火材料生产工艺及主要设备－配料碳化硅细颗粒对碳化硅粘土质砖坯密度的影响泥料组成，％气孔率，％耐压强度MPa碳化硅颗粒，mm砖坯制品粘土0.6～0.50.3～0.250.15~0.1250.0610101010101050504040303010101020102030－－－－－304030504023.617.017.016.117.417.5－15.316.215.616.216.7－9901130100015001100耐火材料生产工艺及主要设备－配料配料组成，％碳化硅颗粒组成1.4～0.5mm0.3mm碳化硅粘土数量，％(100％碳化硅)97908031020405060605040耐火材料生产工艺及主要设备－配料SiC粒度wt/%12～30目3020～36目260.5～0mm20325F24编号SiCSiO2微粉Si微粉V2O5CaOA11004000A210041.500A31004020A41004001A510041.521耐火材料生产工艺及主要设备－配料2．配料方法容积配料法和重量配料法。重量配料法应用得较普遍，重量配料设备的结构虽较容积配料设备复杂，但配料准确度高，配料误差一般不超过2％。在实际生产中采用重量配料法时，应注意原料含水量波动带来的影响。容积配料法是按体积比来配料的，各种给料机几乎都能适应作为容积配料的设备，工厂中常用的有带式、板式、槽式、圆盘式、格式、螺旋式和振动式给料机等。容积配料设备结构简单，易于调节，可连续配料，有的密封性好，有利于防尘措施的实施，但配料的精确度较差一些。耐火材料生产工艺及主要设备－坯料的制备3.2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。耐火材料的混练是混合的一种方式，伴随有一定程度的挤压、捏和、排气过程在内。坯料混合的目的：使坯料中成分和性质均匀，即在单位质量或体积内具有同样的成分和颗粒组成。耐火材料生产工艺及主要设备－混练混练质量好时的坯料：1)各个成分应该是均匀分布的(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）配料的结合性应得到充分的发挥3）空气充分排除4）再粉碎程度小。耐火材料生产工艺及主要设备－混练混合机理：1)对流混合(亦称移动混合)，颗粒成团的移动，2)扩散混合，颗粒分散到新出现的粉料面上，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在混合过程中，三种机理不能截然分开，主要以混合设备的不同，取主导地位的混合机理各异。耐火材料生产工艺及主要设备－混练混合过程：1）快速混合阶段，不同成分，不同粒度的颗粒移动，均匀度提高很快，2）扩散混合阶段：混合达一定程度后，有的颗粒扩散到新出现的物料上，这阶段表现为均匀程度的增加比上一阶段小3）后期混合阶段(或称逆混合过程)两种作用，①颗粒偏析主要由重力、离心力作用，大颗粒偏离析出，②团聚、捏合由于较长时间的混合，受以下四种力的作用，物料产生团聚，捏合，均匀度波动在一定范围内。四种力为a液体架桥和毛细管引力，b粘结剂附着力，c范德华引力；d机械捏合力。耐火材料生产工艺及主要设备－混练混练时的加料顺序：混料时的加料顺序对于泥料混合的均匀性影响很大。先加入粗颗粒料，加水或泥浆、纸浆废液，混合1～2min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”。但能否执行上述加料顺序，还受配料方式的限制。如果采用配料车配料，按配料比分别称量好各组分的料后，一次同时加入湿碾机中混合，经一段时间干混后再润湿颗粒，加水润湿时，以喷雾状加入混合质量最好。耐火材料生产工艺及主要设备－混练坯料的塑化处理：耐火材料的配料中瘠性料所占比例很大，所以提高泥料的可塑性，改善其成型性能是很重要的。简单可行的塑化处理方法之一是困料。困料：将混练后或经过挤泥处理的坯料，在一定的温度和湿度的环境中贮放一定时间。困料方