华南理工大学材料概论课件第5-1章

材 料 概 论,5.2 陶瓷的生产陶瓷的概念与分类及发展历史普通陶瓷的基本制备工艺特种陶瓷生产的基本工艺过程,5.1 玻璃的生产 玻璃的发展历史(5000年，我国3000年)玻璃的生产工艺,第五章 十种产品生产过程概述,*5.3 水泥的生产 5.4 黑色金属的生产 *5.5 有色金属的生产,5.1 玻璃的生产,玻璃的发展历史 公元1世纪初：古罗马人发明用铁管吹制各种形状的制品 不久懂得了玻璃易加工成型并加以利用 玻璃窗、瓶和望远镜的透镜玻璃发展的第1技术阶段。 1115世纪：制造中心威尼斯800年(1517世纪鼎盛期) 16世纪后：威尼斯玻璃工匠的秘密法、德、英； 17世纪：欧洲玻璃厂开始煤代替木柴，玻璃工业发展。 18世纪末：玻璃制品的皇冠 捷克。捷G艺术品，从17世纪活跃欧洲市场。俄G艺术制品17世纪 也闻名于世。,1790年：瑞士钟表匠搅拌大型均匀的光学G园板 高均匀度 18世纪后期：蒸汽机发明，机械&化学工业不断发展 玻璃制造技术也。1828年，法国工人罗宾 第1台吹瓶机。,19世纪中叶：发生炉煤气和蓄热室池炉玻璃的连续生产。 19世纪末：德国人阿贝和肖特对光学G 系统研究 玻璃科学基础的建立。,20世纪以来：玻璃生产技术，玻璃工艺学专门学科。 20世纪初：G瓶罐需求量各种自动制瓶机机械化。 1905年：英国欧文斯第1台玻璃瓶自动成型机。 1925年：第1台行列式制瓶机。 19世纪把玻璃拉成空心圆筒的机器。筒子切成小段剪成薄板。比利时弗克拉板机几十年的改进引上机，平板玻璃生产皮尔金顿30年研究1959年浮法GG发展史上的又一次重大变革，并且正在不断地取代其他方法。 现已机械化、自动化如平板玻璃、玻璃容器、灯壳、电子管、显像管等。造型复杂、批量小的产品，才手工成型。,1.玻璃生产的工艺流程 2.玻璃的成分及原料制备 3.玻璃熔制 4.玻璃成型 5.玻璃退火 6.玻璃制品的深加工,玻璃的生产工艺,第五章 十种产品生产过程概述,1.玻璃生产的工艺流程,A.玻璃的成分：化学组成，常用各氧化物的wt表示。不同产品de化学成分差异很大。B.原料的选择与制备,2.玻璃的成分及原料制备,表51 几种常见玻璃的主要化学组成（wt）,各种氧化物的作用:,第五章 十种产品生产过程概述,SiO2平板G最主要成份,G的骨架, 能 G液, 结晶倾向,化稳性和热稳定性。硅砂(石英砂)和砂岩,Al2O3能结晶倾向和速度，热稳定性，并化稳性和机械强度。但对玻璃液的影响SiO2。Al2O3V熔化和t澄清,且对玻璃液在锡槽摊平抛光也不利。长石(和一定量的R2O，纯碱用量&成本)和叶蜡石,CaO能加速熔化和澄清过程，并化学稳定性，但也会使结晶倾向。在高温时，能 ，对高速拉引玻璃带有利，含量10%会脆性,不宜太大。,MgO化稳性和机械强度，并结晶倾向。代替CaO，能析晶倾向和V结晶，并热稳定性。1200，9001200，900，%不宜太大。石灰石、方解石、白云石、菱镁石,Na2O助熔剂,能，对玻璃的形成和澄清过程都有很大的影响；含量过多，则会化稳性、热稳定性及机械强度,且易使玻璃发霉和生产成本。纯碱和芒硝,K2O助熔剂，也能，作用稍差。析晶倾向，改善光泽。R2O%一定时，适量K2O会化稳性。,氧化铁(Fe2O3和FeO)杂质着色，常以Fe2O3和FeO存在，FeO青绿色，Fe2O3黄绿色，Fe3O4绿色。着色程度FeOFe2O3。透明度制造平板G必须严格控制。,B.原料的选择与制备 选择 加工 配合料(多种原料混合而成)。主要原料(引入主要成分)：,硅砂(石英砂)和砂岩SiO2； 长石Al2O3和一定量的R2O，纯碱用量&成本； 叶蜡石(Al2O34SiO2H2O)：无硼无碱GAl2O3； 石灰石、方解石、白云石、菱镁石CaO&MgO； 纯碱和芒硝(Na2SO4)Na2O； 锂辉石(Li2OAl2O34SiO2)、锂云母(LiFKFAl2O33SiO2) orLi2CO3Li2O； 硼酸(H3BO3)、硼砂(Na2O2B2O310H2O)or含硼矿物(硬硼酸钙、硼镁石、硅钙硼石等) B2O3； BaCO3、BaSO4BaO，光学G有时也用Ba(NO3)2或Ba(OH)2,芒硝：澄清剂； 碳粉：还原剂； 萤石：助熔剂； 化学脱色剂：白砒、Sb2O3、硝酸盐、氟化合物等， 物理脱色剂：MnO2、硒等； 着色剂：蓝色CoO，茶色CoO、氧化铁和硒等。 回收碎G：一般为配合料的2530%较好，加速G熔制(熔化和澄清)、 热耗(T熔制)、性能、加工性和大窑生产率等。钠钙硅G： 50%G质量(发脆，强度)；高硅和高硼G：可高达70-100,辅助原料(为工艺上某种需要or使玻璃具有某种特性而加入)：,很重要的环节：许多缺陷都是在熔制过程中造成的。 非常复杂的过程，包括一系列物理的、化学的、物理化学的现象和反应，使各原料的机械混合物复杂的熔融物即G液。,3.玻璃熔制 A.熔制过程配合料G熔融池窑14501650C熔化透明、纯净、均匀、无气泡(气泡、条纹和结石等到容许限度)、适合于成型要求的G液。可分为5个阶段：,硅酸盐形成 玻璃液形成 玻璃液澄清 玻璃液的均化 玻璃液冷却,硅酸盐形成阶段：很大程度是在固态下进行，各种原料在8001000下反应生成烧结状态的硅酸盐及熔融物，其中含大量石英砂粒、气泡和条纹。,第三章 材料的制备方法,G形成阶段：烧结物连续加热时即开始熔融。普通G在12001250完成。易熔的低共熔混合物先熔化，同时发生硅酸盐和剩余石英砂粒的互溶。此阶段结束时，石英砂颗粒已完全熔化，烧结物含大量可见气泡和条纹、在T和化学成分上不够均匀的透明G液。与硅酸盐形成阶段间无明显界限，实际熔制时，前者尚未结束，后者已开始。,G液澄清阶段：G液继续加热T，气泡大量去除可见气泡，但还有条纹，T也不均匀。钠钙硅G一般在14001500结束。,第三章 材料的制备方法,G液的均化阶段：G液长时间处于高温下，化学组成一致，即通过G液的扩散、对流和搅拌作用消除条纹和热不均匀性。均化可T澄清完成，此时太小，不适合成型要求。,G液冷却阶段：将经澄清均化后的G液通过合理的冷却 T200300，成型。此过程应不损坏G液的质量。,B.玻璃熔窑的构造 热工设备(各种耐火材料砌筑成)玻璃厂的“心脏”。结构、砌筑、操作维护的好坏熔窑的使用周期，且对玻璃的产量、质量、燃耗、成本影响极大。 大型:蓄热室浮法横火焰池窑、蓄热室马蹄焰池窑；小型：电熔窑和坩埚窑等。浮法横火焰池窑见图5-2,1加料口 2熔化部 3小炉 4蓄热室 5卡脖 6冷却部 7溢流口 8耳池 9锡槽,一定T范围才能成型，G液除作机械运动外，还与周围介质热传递。冷却和硬化，粘性可塑态脆性固态。 可塑状态下的成型可分为: 成型阶段具有所需的外形，模子中吹制与压制等。 定型阶段：固定已成形的外形 采用冷却 硬化。 均以为基础，成型为104107PaS。不同方法初始成型不同，如喷棉的T成型拉丝的T成型。,4.玻璃成型,成型方法: (1)人工：包括部分半机械成型，多高级器皿、艺术G及特殊形状制品。 (2)机械：按形状和大小选择最方便和最经济成型方法: 吹制法(空心G等)，压制法(烟缸等器皿)，压延法(压花G等)、浇铸法(光学G等)、拉制法(窗用G等)、离心法(G棉等)、烧结法(泡沫G等)、喷吹法(G珠等)、浮法(板G等)。,G液在熔融金属液面上浮抛前进, 使其在适当高温下, 保证表面张力充分发挥作用的时间和表面自然光洁平整G。TG液1100C锡槽(氮9296%+氢4%8%)重力与表面张力自然摊平拉引力成型冷却固形上下表面平行光滑、光学质量高、有一定厚度的优质G带退火窑。 优点：质量高(机械磨光)、V拉引快产量大(2mm 0.333m/s，6mm0.111m/s)，品种规格多样化(厚度可为1.730mm，宽可达5.6m以上)，便于生产自动化。,浮法工艺的特点：,图5-3 锡槽示意图 1-安全闸板; 2-流量闸板; 3-拉边辊; 4-拉边器; 5-冷却水管;6-八字砖,消除orG中热应力至允许值的热处理过程。对光学G和某些特种G，退火要求尤为严格。G在生产过程中经受激烈的不均匀T变化热应力制品强度和热稳定性。高温成型or热加工的制品，若不退火令其自然冷却，很可能在冷却、存放及机械加工的过程中自行破裂。此外G制品自高温自然冷却时内部的结构变化不均匀光学性质上的不均匀。可分成2个过程:,5.玻璃退火,内应力的减弱和消失； 防止内应力的重新产生。 G退火是在一段较长的高温加热炉(退火炉)中完成的。整个退火过程有加热均热退火区和风强制对流冷却区。,6.玻璃制品的深加工 冷加工：用机械方法改变G制品外形和表面状态，基本方法有：研磨抛光、切割、喷砂、钻孔和切削。,表面处理：a.G光滑面or散光面的成形:控制G表面的凹凸(器皿G化学蚀刻、灯泡毛蚀及化学抛光)；b.改变G表面的薄层组成:表面性质新的性能(表面着色以及用SO2、SO3处理G表面，化稳性)；c.表面涂层：镜子镀银、表面导电G、憎水G、光学G表面涂膜等。,热加工：器皿、仪器G等复杂形状和特殊要求的制品热加工成型or制品性能及外观质量。原理与成型相似：利用T特性及表面张力与导热系数。主要方法有：烧口、火抛光、火焰切割or钻孔、真空成型(精密内径G管)。还有槽沉、塑形、摊平与灯工等。,表5-2 平板玻璃深加工产品及性能,注：代表具有某种性能；代表某些性能较好。,陶瓷的概念与分类及发展历史 概念与分类：国际上无统一概念，我国及一些欧洲国家，陶瓷仅包括普通和特种陶瓷两大类，而在日本和美国，ceramics则泛指所有无机非金属材料制品，除传统陶瓷外，还包括耐火材料、水泥、玻璃、搪瓷等。广义的陶瓷概念是无机非金属固体材料和产品的通称。 我国陶瓷工业的发展概况,5.2 陶瓷的生产,普通陶瓷的基本制备工艺 特种陶瓷生产的基本工艺过程,陶瓷的概念与分类,1.按制品的性能和用途： 普通陶瓷：生活和生产中最常见和使用的传统陶瓷，又可分为：日用(包括艺术陈设)、建筑卫生、化工、化学瓷、电瓷及其他工业用陶瓷。这类陶瓷制品所用的原料基本相同，生产工艺技术亦相近。 特种陶瓷：新型、精细or精密陶瓷，指普通陶瓷以外的广义陶瓷概念中所涉及的陶瓷材料和制品，用于各种现代工业和尖端科学技术，按性能及用途又可分为：,结构材料用陶瓷：耐磨损、高强度、耐热、耐热冲击、硬质、高刚性、低热膨胀性和隔热等结构材料； 功能陶瓷：电磁功能、光电功能和生物化学功能等陶瓷制品和材料，还有核陶瓷材料和其他功能材料等。,瓷器:已烧结，致密基本不吸水，有一定透明性，敲之声音清脆，断面有贝壳状光泽，按需施各种釉。可再分成： 细瓷：日用细瓷(长石瓷、绢云母瓷、骨灰瓷等)、美术瓷、高压电瓷、高频装置瓷等； 特种陶瓷：高铝质瓷、压电、磁性、金属陶瓷等。,介于陶与瓷之间的一类国际上通称炻器：半瓷质，日用炻器、卫生陶瓷、化工陶瓷、低压电瓷、地砖、锦砖、青瓷等。,2.按坯体结构所标志的坯体致密度的不同： 陶器:未烧结or部分烧结、有一定吸水率、断面粗糙无光、不透明、敲之声音粗哑、有无釉和施釉。可进一步分为: 粗陶器：盆、罐、砖瓦、各种陶管等； 精陶器：日用精陶、美术陶器、釉面砖等。,我国陶瓷工业的发展概况,“china”据考证是中国景德镇在宋朝前的古名昌南镇的音译。陶器(瓷器)距今800010000年前，是人类最早的手工业制品，标志着开始从游牧生活转向定居务农生活。,我国陶器起源于何时?随着新石器时代文化遗址的不断发现而众说纷纭，目前，最早的陶器在北方和南方都有发现，大都是泥质和夹砂红陶、灰陶和夹炭黑陶。,陶器新石器晚期已发展到以彩陶(既仰韶文化距今6400年)和黑陶(即龙山文化公元前2000年青铜时代)为特色的史前文化(3500年前)。,“陶瓷的发展过程”，李家治等曾科学地指出：我国陶瓷发展史上有： 3个重大突破：原料的选择和精制、窑炉的改进及烧成温度的提高、釉的发现和使用； 3个重要阶段：陶器原始瓷器瓷器。,5.2.2 普通陶瓷的基本制备工艺 普通陶瓷材料的基本生产工艺过程见图5-4。,第五章 十种产品生产过程概述,1.主要原料 2.配料 3.坯料的制备 4.陶瓷的成型 5.生坯的干燥 6.施釉、装饰 7.烧成 8.烧后冷加工,各种制品的生产工艺过程不尽相同，基本上可分为： 一次烧成：工艺简单，设备投资小，生产周期短，但工艺难度较大； 二次烧成：坯体先经一次素烧，再施釉入窑烧成，国内外多用于一些高档瓷器及精陶制品。,图5-4普通陶瓷生产基本工艺过程图,普通陶瓷生产所用的主要原料,1). 可塑性的粘土类：日用细瓷用量4060%，在陶器和炻瓷中还可；釉面砖40%，除软质粘土外，还采用大量叶蜡石、硬质高岭土等硬质粘土。 2). 非可塑性的石英类：坯体主要组分之一，脉石英、砂岩、石英岩、石英砂、硅藻土、燧石等。作用可概括为,A.天然原料：制品多晶结构原料及生产工艺过程，如：高岭土or粘土莫来石晶相；石英石英晶相；长石、滑石等熔剂原料结构中产生玻璃相。利用可塑性及非可塑性成型性能及干燥和烧成收缩较好的工艺性能去适应陶瓷烧成。,普通陶瓷生产所用的主要原料,1).是瘠性原料，可调节泥料的可塑性，坯体的干燥收缩，缩短干燥时间并防止坯体变形；,2).烧成时，加热膨胀可部分补偿坯体收缩，高温时部分地溶解于液相中熔体 ，未溶解的石英颗粒构成坯体的骨架，可防止坯体发生变形和开裂；,3).改善瓷器的白度和透光度；,4).SiO2是釉料中玻璃质的主要组分，釉中石英的含量可釉的T熔融温度及，并釉的，同时还可赋予釉以较高的机械强度、硬度、耐磨性及耐化学侵蚀性。,3).长石类：最常用的熔剂性原料(坯料、釉料、色料)，陶瓷de三大原料之一。,第五章 十种产品生产过程概述,4).其他矿物原料： 滑石、蛇纹石镁的含水硅酸盐矿物镁质瓷、釉面砖、地砖、炻器、耐酸陶器、匣钵等； 硅灰石和透辉石坯体烧成后的弯曲变形及产品尺寸公差小。 骨灰、磷灰石骨灰瓷50， Ca3(PO4)2的主要来源。 碳酸盐类矿物除碱金属矿物外常用的熔剂原料。 叶蜡石尺寸精确、热稳定性好的产品，日用细瓷及釉面砖等 工业废渣及废料：近十几年来采用较多高炉矿渣、磷矿渣、萤石矿渣等。除釉面砖、墙地砖外，还卫生和日用陶瓷。一些建材厂用部分煤矸石、粉煤灰代替昂贵的叶蜡石成本。,C.原料的预处理：硬质原料的水洗，软质原料(软质粘土)的风化、淘洗or拣选尽量清除有害杂质，原料纯度，保证质量。,第五章 十种产品生产过程概述,B.化工原料：釉的乳浊剂、助熔剂ZnO、SnO2、CeO2、Pb3O4、H3BO3(硼酸)、Na2B4O710H2O(硼砂)、Na2CO3、CaCO3、KNO3等和着色剂(多为化合物)等，坯料加工过程中有时也少量加入作助剂。,2.配料 使用要求和性能不同，制品烧结程度差异大，加上各地原料组成和工艺性能差别，不同产品坯料组成也不同。,第五章 十种产品生产过程概述,长石质瓷： “长石石英高岭土”三组分系统，长石为熔剂，国内外日用陶瓷普遍采用。,绢云母质瓷： “绢云母石英高岭土”三组分系统瓷，绢云母为熔剂，我国传统的日用瓷质之一。,磷酸盐质瓷：骨灰瓷， “磷酸盐高岭土石英长石”系统瓷，磷酸钙作熔剂。,滑石瓷： “滑石粘土长石”高级日用器皿及高频电绝缘陶瓷。 表5-3列出了这4种陶瓷的主要化学组成。,表5-3 普通陶瓷的化学组成,第五章 十种产品生产过程概述,坯料原料经粉碎和适当的加工后能满足成型工艺要求的均匀混合物。按成型方法不同分为： (1)可塑料：含水约18%25%； (2)干压料：3%7%干压料，8%15%半干压料； (3)注浆料：含水28%35% 。 由完全不具可塑性的瘠性原料配成的坯料，往往需要加入一些有机塑化剂后才能成型。,3种坯料的制备原料细碎。细碎工艺有干法(轮碾式磨机or称雷蒙磨机)和湿法(球磨机)2种。各制品对坯料的细度要求也不同，一般均0.050.07mm。,3.坯料的制备,可塑成型是最常见的1种方法，典型的可塑坯料制备流程:,挑选,配料,喷雾干燥,注浆坯料的制备：含水量尽量低，流动性、悬浮性与稳定性、均匀性等良好。应用最广的2种基本流程:,B.球磨、压滤、泥段化浆工艺：真空练泥前同可塑坯料，特点是用制好的塑性坯料化浆制得，泥浆稳定性较好: 原料精选球磨振动过筛浆池除铁过筛压滤粗练陈腐(3d)真空练泥泥段入搅拌池化浆过筛除铁泥浆池备用注浆。陈腐水份分布均匀，粘土颗粒裂解完全，气体，流动性和可注性，坯体强度，含水量及烧成缺陷 。,A.球磨化浆工艺：细碎前的工序和可塑坯料大致相同。经球磨(研磨、混合、化浆)直接制备，不需压滤等工序，较基本和简单的，但泥浆稳定性不够好： 经粗碎、中碎的硬质和软质料球磨搅拌池过滤除铁浆桶注浆成型；,第五章 十种产品生产过程概述,压制坯料的制备：,含水量低，对可塑性要求不高，但要求粉料有较好的结合性及流动性须将坯料造粒, 即： 在已磨细的粉料中添加粘合剂适当的干压流动性好的颗粒。常用的造粒方法有3种： 普通造粒法、加压造粒法和喷雾造粒法。,4.陶瓷的成型,第五章 十种产品生产过程概述,坯料一定形状大小的坯体。又须满足烧成对生坯干燥强度&入窑含水率、坯体致密度、器形规整度等要求。,可塑成型：旋压、滚压、塑压、注射及轧膜法等大多数日用陶瓷、电瓷、美术瓷等。见p1584.4.2陶瓷挤压成型,注浆成型：应用广许多日用、美术、卫生&工业陶瓷。见p1394.2.3陶瓷注浆成型,5.生坯的干燥 依靠蒸发使坯体脱水的过程。含水分(尤其是可塑和注浆坯体还呈可塑状态，水分较高)强度低，很易变形or破损。必须干燥坯体强度，生坯的变形和破损，坯体的吸水率(便于施釉)。此外，干燥好的坯体在烧成初期可较快地升温而不致开裂， 燃料消耗，烧成周期。,第五章 十种产品生产过程概述,干燥过程中:水分收缩一定的收缩应力，若收缩过程不当坯体变形和开裂。 干燥方法根据提供Q的热源不同分为：自然、热风(对流、快速对流)、电热(工频电、高频电、微波)、红外线、复合干燥等。,6.施釉、装饰 釉：熔融在陶瓷制品表面上一层很薄的玻璃态物质，厚度只有0.10.3mm。外观:有色or无色，透明、半透明or不透明。釉层表面质量，机电性能、热稳定性。艺术釉艺术性、附加值。,第五章 十种产品生产过程概述,品种(复杂多样)按制备方法可分为：生料釉(制备过程基本上同与注浆坯料)、熔块釉(预制熔块和磨制釉浆)和挥发釉(盐釉)。,施釉方法：喷、浇(淋)、浸、甩、滚、涂(刷)釉等； 装饰方法：雕塑、色釉装饰、艺术釉装饰、釉上彩饰、釉下彩饰等。,烧成过程一系列物理化学变化预期的矿物组成和显微结构预期性能。,窑炉种类：很多，结构各有特点，基本要求相同实现优质、高产、低能耗。大体分为2大类： 连续式窑：隧道窑、辊道窑、推板窑等； 间隙式窑：倒焰窑、梭式窑、钟罩窑等。,生坯高温焙烧产品(烧结)。目的去除坯体内溶剂、粘结剂、增塑剂等，气孔，颗粒间结合强度。,7.烧成,烧成质量合理的烧成工艺制度，严格控制：V升温、T烧成、t保温、V冷却、气氛及浓度、T气氛转换及P窑内分布等。,第三章 材料的制备方法,坯体空隙度大的内表面，烧结过程的推动力来自内表面积的倾向。可将烧成过程分成45个阶段：,(1)低温阶段(300)：排除残余水分，不发生化学反应。固体颗粒紧密靠拢，将使坯体产生少量收缩。,(2)氧化分解阶段(300950)：烧成的关键。 a.氧化反应：碳素及有机物 gas；硫化铁800完毕； b.分解反应：结构水的排除，T脱水：高岭石类 400600、蒙脱石类550750，伊利石类550650、叶蜡石600750、瓷石600700、滑石800900；碳酸盐类1000基本结束；晶型转变及液相的形成。,(3)高温阶段(950最高T烧成)：1050前，继续未完成的氧化分解反应；硫酸盐分解和高价铁还原与分解； 大量液相和莫来石晶体；新相的重结晶和坯体的瓷化。,(4)冷却阶段(T烧成常温)：发生的主要物理化学变化有： 液相析晶，液相过冷为玻璃相，残余石英发生晶型转变，坯体的强度、硬度及光泽继续增大等。 如长石质瓷烧成过程中的主要物相变化情况可概括为图322。,8.烧后冷加工 电瓷烧成后要装金属附件； 化工陶瓷需配合的表面和密封面等都要进行机械磨削加工表面光洁度和尺寸精度达到设计要求。 日用、多数建筑和部分普通工业陶瓷均不需要。,图322 长石质瓷在烧成时各相的变化p126书上有误,高岭土,石英,长石,高岭土团粒中的鳞片or粒状 一次莫来石,*虚线框内的物相为过渡状态，在烧成过程中暂时存在,第五章 十种产品生产过程概述,5.2.3 特种陶瓷生产的基本工艺过程,多数基本上仍沿袭普通陶瓷的生产模式，但有其显著特征：原料的高度精选，材料组成的精确调配和生产过程的控制更加严格。主要制备工艺是：粉末制备、成型和烧结，见图5-6 特种陶瓷生产基本工艺过程图。,烧结,成品,第五章 十种产品生产过程概述,1.粉料制备or预处理配料：纯度高；颗粒细小；助熔剂与可塑性的添加剂很少or不加。制粉方法有2种：,2.坯料制备：仍分为可塑、注浆和压制坯料种。,a.粉碎法：粗细粉，机械气流粉碎，1m微粉料； b.合成法：原子/分子/离子反应、成核和生长、收集、后处理等粉体：颗粒微细，均匀性好，且纯度、细度可控，可实现颗粒在分子级水平上的复合、均化。 液相法和气相法往往是制取超细粉的主要方法。,第五章 十种产品生产过程概述,3.成型,可塑法(管、棒和薄片状)：挤压和轧膜成型； 注浆法(大型、形状复杂、薄壁)：石膏模、热压铸成型(形状复杂、尺寸精度高的中、小型)和带式流延法(厚度0.05mm、表面光洁陶瓷薄膜，集成电路基片和其他小型轻量的电子元件) ; 压制成型：粘合剂%较低(78%)，不经干燥可直接焙烧，收缩小，可自动化生产干压和等静压成型(静水压成型利用液体介质不可压缩和均匀传递压力性)。,4.烧成,第五章 十种产品生产过程概述,5.烧后处理 主要指需进行表面机械加工、上电极or极化处理等场合。,除普通的常压烧结外，还有许多特殊的烧结法如： 热压烧结：在高温下加压促使坯体加速烧结； 气氛烧结：使处于适当的气氛下； 热等静压烧结：加热时对物料从各方向施加相等压力； 活化烧结和真空烧结等。,5.4.1 黑色金属的概况 黑色金属的分类及作用 史前的和早期的黑色金属冶炼 5.4.2 炼铁的主要原料 5.4.3 高炉炼铁工艺流程与基本原理 5.4.4 钢冶炼概述 *5.4.5 氧气顶吹转炉炼钢法,5.4 黑色金属的生产,第五章 十种产品生产过程概述,人类使用金属中铁钢90。制造机身、机座和一些受不到冲击和拉力的零件都铸铁。铁锅、铁铲、火炉、水管、铁窗、铁门、铁架等铁。火车、汽车、拖拉机、轮船、机器和枪炮等都离不开钢。把钢轧成各种形状的板、管、型材，大到盖厂房，造桥梁，铺铁路等，小到手表的游丝、钢笔尖和注射针头，无处不用钢材。 但随着科学技术朝着核能、高速、高温、高压及自动化和遥控等，钢铁的质量、品种和性能需求，需加入铬、镍、钨、钛、钒等有色金属元素各种合金钢，可使钢材某一特殊性能。,1.黑色金属的分类及作用,2.史前的和早期的黑色金属冶炼,铁需求炼铁炉大 高，T炉内 ，而且铁在炉内发生渗碳作用熔点液态生铁近代高炉的雏形。高炉炼铁600年历史。18世纪来，已经历了若干重要发展阶段：焦炭取代木炭，蒸气鼓风机的使用，预热鼓风，采用封闭式炉顶以利用高炉煤气，自熔性烧结矿的应用，喷吹技术等。,1.铁矿石：性能的好坏技术经济指标。Fe%30%有开采价值。磁铁矿50% 、赤铁矿48% 、褐铁矿45%及菱铁矿(和自熔性矿石) 40%四种富矿破碎后直接入炉冶炼。45%矿石 选矿和烧结 入炉冶炼。评价指标： 铁%品位； 杂质%：有害S、P和As；有益Mn和Ti、Cr、V、Mo等合金元素； 脉石：以酸性(SiO2)、碱性(CaO、MgO)和中性脉石(Al2O3)%评价好坏，碱性脉石较多时称自熔性or半自熔性矿石高炉冶炼，熔剂%，即使Fe%不太高也可直接冶炼； 粒度：大小均匀2030mm。,5.4.2 炼铁的主要原料,2.焦炭：燃料&还原剂。发热值，硫、磷，适当机械强度(保证料柱透气性，并足以在炉料不产生粉末阻碍煤气流的合理分布)。作用有3方面：还原剂、载热体和使熔融铁增碳的媒介。,第五章 十种产品生产过程概述,3.石灰石(&白云石)：熔剂之一 。T冶炼、保证脉石和焦炭灰分能熔化造渣还原铁与脉石&灰分很好地分离合格生铁。它们在炉内分解CaO/MgO和脉石&灰分相熔硅酸钙/镁与铝硅酸钙/镁组成的液渣，密度为1.52.2铁水，浮在铁水上，定期从排渣口排出经急冷粒状颗粒粒化高炉矿渣。石灰石的粒度不宜过大(80mm)，硫、磷要低。白云石能作熔剂，所含MgO能炉渣的物理性质。,第五章 十种产品生产过程概述,4.锰矿石：90%用于钢铁工业。锰作为炼钢的脱氧剂和脱硫剂。高炉冶炼含12.5%锰的生铁时，作辅助原料。冶炼含120%锰的镜铁、硅铁和含锰80%的锰铁时，则作高炉的主要原料。,5.铁矿石的代用品：钢铁企业和其他工业部门中含铁的废弃物，又称2次资源。主要有：高炉炉尘、转炉炉尘、轧钢皮、硫酸渣、废铁和机械加工工业中的铁屑及有色金属矿经过选矿后剩下的高铁尾矿和冶金炉渣等。,第五章 十种产品生产过程概述,1.高炉炼铁工艺流程和设备高炉炼铁厂主体设备，按容积分大(850m3)、中(100850m3)、小(100m3)3种。工艺流程见图5-13。现代炼铁厂的设备：(1)高炉炉体 (2)炉顶装料 (3)热风机和鼓风机 (4)高炉煤气除尘 (5)渣铁处理设备。 (1)高炉炉体构造：5段式炉型较合理，见图5-14,第五章 十种产品生产过程概述,图5-14 高炉冶炼原理示意图,图3-18高炉中铁矿石的还原,固体物料由上部加入并； 气体(CO/CO2,N2)从下高炉煤气； 预热空气下部焦炭燃烧Q+ CO(还原所需)； Q熔化并分离所产生的铁，也使T矿石-焦炭混合物还原反应动力学上得以实现；,2.高炉炼铁基本原理,高炉冶炼是1个复杂的物理化学反应过程，炉料(物源)与煤气作相对运动，煤气流能源(热能、化学能)。,第五章 十种产品生产过程概述,(1)煤气流和炉料运动,(2)脱水、挥发及碳酸盐分解,(3)各种元素的还原反应：铁矿石中铁、锰、硅、磷等氧化物组成元素生铁,(4).造渣过程,(5).脱硫和渗碳,第五章 十种产品生产过程概述,(1)煤气流和炉料运动：铁矿石、焦炭、熔剂等。焦炭燃烧V炉料。燃烧带(氧化) 大小冶炼：燃烧带大炉料愈顺。合理的煤气流分布炉墙与高炉中心维持“两条通路”状况，既保持炉况顺行，又保证煤气能量合理利用。炉料在炉内停留47h。,(2)脱水、挥发及碳酸盐分解：吸附水可在高炉上部蒸发完。结晶水褐铁矿(2Fe2O33H2O)和脉石高岭土(Al2O32SiO23H2O) 250300 400500(高岭土8001000)。挥发物400 8001000挥发完。CaCO3(最主要)、FeCO3、MnCO3和MgCO3(其次)等碳酸盐分解出CO2要Q ，部分T9501000才分解完。,第五章 十种产品生产过程概述,(3)各种元素的还原反应：铁矿石中铁、锰、硅、磷等氧化物组成元素生铁。高炉内除风口带有小部分是氧化区域外，都是还原过程。铁氧化物的还原是逐级的：高价低价金属铁。570，按Fe2O3 Fe3O4 Fe，此时FeO不稳定，Fe3O4可直接还原Fe；T570，按Fe2O3 Fe3O4 FeOFe。还原方式有2种：,间接还原：CO做“R”，还原矿石中的氧化物， CO2，并少量Q。焦炭自上到风口前燃烧大量CO，过程与矿石接触，还原铁的氧化物。,第五章 十种产品生产过程概述,直接还原：消耗固体炭CO，并吸收大量Q，只能在高温下进行(高炉下部)。高炉内氧化物和固体炭接触面有限，矿石表面生成物的薄层后反应就停止，主要通过CO进行。T，V直接还原，完全。,炉身中上部间接还原区； 炉身下部到炉腰上部间接还原、直接还原并存区； 炉腰下部至炉腹直接还原区。 锰化学性质与铁相似，可组成一系列氧化物，还原顺序为：MnO2Mn2O3Mn3O4MnOMn。,第五章 十种产品生产过程概述,(5).脱硫和渗碳：脱S优质生铁的首要问题，国标中生铁S%0.07%。S%主要是炉渣的脱S能力。生铁脱S是铁水滴到炉缸穿越渣层时，在渣铁界面上进行： FeS+(CaO)+C=Fe+(CaS)+CO。,5.4.4 钢冶炼概述 钢最基本且用途极广泛的金属材料。 生铁除Mn、Si、P、S外，含4.3%C，凝固时生成65%(V%)的渗碳体(Fe3C)脆性的。钢C%1.0%。生铁钢，C% 0.1%，同时其他有害杂质。,为抑制沸腾应采用“镇定”钢生产工艺，铸造前借Al、Si的脱氧反应钢水溶解氧固态Al2O3或液态SiO2。是1种迭代过程，被精炼铁水C%，杂质和O%钢。,第五章 十种产品生产过程概述,矿 石 富氧的氧化物,生 铁 饱和C 无 O,镇静钢 含C低 无O,非镇静钢 含C低 富O,控制炉中生铁、熟铁和废钢混合物的氧化反应除碳。 炼钢炉：碱性氧化转炉、平炉和电弧炉。炼钢过程中，除碳时or除碳后，可添加1种元素Cr、Mn、Ni和Mo等合金钢。当代的所有炼钢方法，都形成液体钢水达到预定成分，即可注入盛钢桶再浇到锭模中。,2.氧气顶吹转炉炼钢主要化学反应 3.氧气顶吹转炉炼钢工艺流程,5.4.5 氧气顶吹转炉