耐火材料工艺学-第三章硅酸铝质耐火材料-硅酸铝质耐火材料PPT课件

,耐火材料工艺学,耐火材料工艺学,ProcessesofRefractory,安徽工业大学材料科学与工程学院冒爱琴mail：maoaiqinmaq,30.04.2020,-,2,第三章硅酸铝系耐火材料RefractoriesofAl2O3-SiO2system,本章重点：Al2O3-SiO2二元系统结晶效应杂质对Al2O3-SiO2二元系统的影响玻璃效应Al2O3-SiO2系制品的生产工艺Al2O3-SiO2系制品的性能,30.04.2020,-,3,概况,Al2O3-SiO2系耐火材料:硅质、硅酸铝质、氧化铝质。硅质SiO2：SiO293%硅酸铝质Al2O3,SiO2半硅质：Al2O3:1530%，酸性，略有膨胀（不定型耐火材料的膨胀剂）;粘土质：Al2O3:3046%（我国为48%），具有较高的高温性能，适应性强；陶瓷的主要原料;高铝质：Al2O3:46%，（又可分为I、II、III等三等，耐火度和热震性随A3S2、Al2O3量变化；氧化铝质Al2O3：Al2O395%,30.04.2020,-,4,按晶相组成可以分为：莫来石质、刚玉、刚玉-莫来石质。应用：冶金工业（高炉、热风炉、蓄热室、加热炉、均热炉、退火炉及铸锭系统等）、建材工业、机械工业、石油化工工业、动力工业以及轻工业等。,30.04.2020,-,5,7278%,可分为两个子二元系：-Al2O3-A3S2A3S2-SiO2,3.1Al2O3-SiO2系相组成情况,一、Al2O3-SiO2二元系的情况,30.04.2020,-,6,1、Al2O3/SiO2的连续变化，可以生产出刚玉质、I、II、III等高铝质，粘土质、半硅质、硅质耐火材料；2、莫来石组成为产品种类明显变化的分界线；莫来石组成：Al2O3：71.8%,SiO2：28.2%熔点：1850实际上,莫来石组成不固定,Al2O3：72-78%3、Al2O3/SiO2莫来石组成的高铝砖（特等、一等和高二等）、刚玉砖基本晶相组成为：莫来石、刚玉或刚玉。Al2O3/SiO2Na2OFeOCaOFe3O4MgOTiO2莫来石-Al2O3组合Na2OK2OFeOFe3O4CaOMgOTiO2,30.04.2020,-,34,二、一般原则,Al2O3含量提高，高温性能提高；当熔剂含量增加，高温性能降低；因此，应设法减少熔剂成分。,30.04.2020,-,35,3.3.3粘土质耐火材料,2007-5-20,30.04.2020,-,36,简介：,粘土质耐火材料：用天然产的各种粘土作原料，将一部分粘土预先煅烧成熟料，并与部分生粘土配合制成Al2O3含量在3046%的耐火制品。天然粘土：熟料：焦宝石结合粘土（水曲柳）,30.04.2020,-,37,一、粘土原料,1、定义：沉积矿床或铝硅酸盐岩石风化土状矿物。耐火粘土：耐火度1580按耐火度分：特级、一级、二级、三级耐火材料中所使用的粘土:以高岭石为主粘土矿，Al2O3+TiO2不小于30%，Fe2O3不大于2.5%。,30.04.2020,-,38,2、种类（可塑性）,1)硬质粘土沉积矿床（时间长）、致密水中不分散，可塑性差熟料耐火度17701790，煅烧后作为骨料山东淄博地区的硬质粘土含有较低的杂质成分焦宝石2)软质粘土（半软质粘土、可塑粘土）沉积矿床（时间短）、松散水中分散，可塑性好结合剂,30.04.2020,-,39,我国部分地区硬质粘土技术标准:,30.04.2020,-,40,软质粘土和半软质粘土的技术指标：,30.04.2020,-,41,3、粘土的基本性质,主要化学成分：Al2O3、SiO2主矿物（主晶相）：高岭石（高岭石族、蒙脱石族、叶腊石族、水云母族）次矿物（次晶相）：石英、铁化合物、有机物等Al2O3含量及Al2O3/SiO2比值愈接近高岭石矿物的理论值粘土纯度，质量。Al2O3/SiO2比值，粘土耐火度，粘土烧结熔融范围越宽。分布：河南、山西、山东、辽宁、内蒙等地的粘土资源贮量很大，并且品种齐全；在江西、湖南、广西、江苏、浙江等地也有优质的高岭土矿物。,（1）化学矿物组成,30.04.2020,-,42,2007-5-20,42,粘土可能有的矿物组成,30.04.2020,-,43,粘土的基本性质,30.04.2020,-,44,30.04.2020,-,45,(2)耐火粘土的工艺特性,粘土的矿物组成和颗粒组成。,分散性可塑性结合性烧结性,30.04.2020,-,46,分散程度：粘土矿物为极小颗粒(颗粒组成或比表面积)粘土属于高分散性物质，一般不大于10m;粘土的工艺性质主要取决于小于2m颗粒数量.粘土的分散度等级与在水中的分散性,1)分散性,30.04.2020,-,47,a、定义：物料受外力作用后发生变形而不破裂，在所施加使其变形的外力撤除后，变形的形态仍保留而不恢复原状，这种性质称为可塑性。,2)可塑性,b、表示方法：塑性指数和塑性指标塑性指数法：粘土显可塑状态时的水量上限和下限之差(含水量变化的范围)的间接指数值来衡量其强弱的方法。塑性指标法：采用一定直径的泥球，当外力作用后发生变形并开始产生裂纹，以应力(变形力)与应变(变形的程度)的乘积来。,30.04.2020,-,48,表示其可塑性程度的一种方法,30.04.2020,-,49,C、增加粘土可塑性的方法：除去如石英等非可塑性的杂质矿物；细磨以增加其分散度；加入适量塑性物质结合剂（如亚硫酸纸浆废液等）；真空处理；困料。,30.04.2020,-,50,粘土分散程度，比表面积，结合性。在实际生产中，通常都以粘土的可塑性来判断其结合性能的强弱。氢键、堆积的毛细管力，分散性越好，结合性能越高；,3)结合性,30.04.2020,-,51,（方石英）,（无定形）,（均为无定型）,4)烧结性,液相烧结（加速气孔消失、气孔率较低,高岭石的加热变化,（450550）,（结晶型）（930960）,一次莫来石,30.04.2020,-,52,a、加热的矿相变化：最终的产物为莫来石和方石英。莫来石的得率6090%，1200生成完毕。1200主要为莫来石长大，至15001600结结束，方石英成玻璃相。,30.04.2020,-,53,高岭石为主体的粘土加热变化特性曲线（共性）,2007-5-20,53,30.04.2020,-,54,*热分析的重要性：鉴定矿物制定合理热工制度确定是否煅烧完全（选择骨料和结合剂的依据）,30.04.2020,-,55,b、加热收缩：1000左右收缩较大可塑性强，收缩率大（软质、半软质）多，收缩小，硬质粘土，方石英膨胀c、粘土的烧结性评价方法：吸水率（显气孔率）体积密度、加热收缩反映出烧结性能是一致的。,30.04.2020,-,56,30.04.2020,-,57,开始烧结温度粘土加热到最大密度时的温度最大烧结收缩温度范围(迅速烧结)烧结温度范围是保证粘土获得最大烧结程度的安全加热温度范围所以，耐火粘土按其烧结性可区分为低烧结粘土和高温烧结粘土；宽烧结范围粘土和窄烧结范围粘土等,30.04.2020,-,58,杂质的影响熔剂作用Fe2O3、TiO2促进莫来石化；CaO、R2O抑制莫来石化、分解。杂质数量和种类决定烧结机制液相烧结（粘滞流动烧结）高硅玻璃硬质粘土A，T软质粘土A，T如R2O，T煤质粘土或含有机物较多，孔隙多，烧结困难。,30.04.2020,-,59,59,在未出现液相莫来石结晶初期，莫来石晶体大小、形状不仅取决于煅烧温度，更受升温速度所控制,30.04.2020,-,60,硬质粘土熟料技术要求（YB221182）,30.04.2020,-,61,小结：粘土的烧结性对制品的生产工艺和制品的性能,如热震稳定性、抗渣性、荷重软化温度、密度和强度等均有影响。,30.04.2020,-,62,二、粘土制品的生产工艺,简介：定义：粘土Al2O33048%分类：普通粘土砖全生料粘土砖多熟料粘土砖高硅粘土砖,2007-5-20,30.04.2020,-,63,30.04.2020,-,64,（1）结合粘土和熟料的比例普通熟料制品：结合粘土不少于20%多熟料制品：结合粘土不超过20%（2）对结合粘土的要求a、应有一定耐火度、较好可塑性和烧结性b、半软质粘土+高可塑性粘土；c、粒度要求：一般越细越好.可塑法：粒度可大些、一般为0.61mm;半干法:不超过0.20.5mm为宜;制备泥浆的结合黏土:25mm,1、配料,30.04.2020,-,65,（3）其它结合剂：亚硫酸盐纸浆废液2%左右（辅助粘结剂）（4）坯料的颗粒组成：两头大，中间小的密堆配料临界颗粒34粘土形成膜包围在骨料表面（要求有足够的结合粘土量）,30.04.2020,-,66,加料顺序：,1)结合粘土熟料干混水混合2)熟料水或泥浆结合粘土混合3)细颗粒熟料结合粘土共磨已润湿的粗粒料混合机压半干泥料水分一般为46%。生坯体积密度2.102.40g/cm3,结合粘土加部分熟料共磨/熟料骨料软质粘土变成泥浆/熟料骨料,30.04.2020,-,67,2、成型,3、干燥,坯体含水量低，可以快速干燥，坯体不发生收缩，残余水分小于2%快速干燥制度:半干法机压成型砖坯在隧道式干燥器内的干燥制度为：1）干燥介质进口温度：标、普型砖150200，异型砖120160；2）废气排出口温度：7080；3）砖坯残余水分：2%；4）干燥时间：1624h,30.04.2020,-,68,粘土制品的烧成大致可划分为四个阶段:第一阶段：常温至200为排除坯体中残余水分的阶段.第二阶段：200900间为中温阶段。结合粘土中的杂质矿物以及有机物等分解和氧化，粘土矿物分解脱水等.第三阶段：温度在900以上至烧成最高温度为烧结阶段，也称高温阶段。是产生熔剂、坯体烧结及莫来石形成长大的阶段。第四阶段：为冷却阶段粘上制品在冷却过程中发生莫来石缓慢析晶，熔体固化变成玻璃态，并有物理热收缩作用。,4、烧成,30.04.2020,-,69,三、粘土制品的性质,抗酸性熔渣侵蚀（SiO2）高温性能差（无A3S2骨架）数量(50%)、结晶大小措施(1)对粘土原料进行选矿纯化处理，降低杂质含量;(2)适当提高烧成温度，使制品具有致密结构；(3)采用高基质（基质中Al2O3含量接近莫来石组成）组成结构特征的配料；(4)采用多熟料配料及混合细磨措施。,30.04.2020,-,70,四、粘土制品在生产过程中可能出现的问题,1、粘土砖成型时产生废品的原因是什么?砖坯尺寸不合格：这是由于模具安装不牢，成型时模板外移所致；如果加料量波动较大，也会引起坯体尺寸发生变化。产生层裂和裂纹：成型操作时，未根据先轻后重原则打砖；初压时空气未排出，再压时产生弹性后效所致；泥料水分过大、混料不均匀、模板不平等都可使坯体产生层裂或裂纹。扭曲：模板使用时间过长、模板变形，因而砖坯变形。泥料水分过大，砖坯产生自然变形，造成坯体扭曲。缺边掉角：由于泥料塑性差、颗粒偏析、加料后边角不实，坯体均能出现缺边掉角现象。偏压：由于模头偏斜或模底不平所致。疏松：由于加料量不足或加压次数不够所致。,30.04.2020,-,71,2、粘土砖坯在干燥过程中为什么会产生废品?由于干燥器进口温度过高，粘土砖坯进入干燥器后，干燥不均匀而产生裂纹；是由于坯体单重大、形状复杂、入窑水分高，且在干燥器内放置不平造成坯体变形，因而产生废品；搬运过程中，由于操作不慎而造成缺边掉角，以至废品串增加。所以，在于燥过程中一定要遵守干燥制度和操作扔程，轻章轻放，摆放平直，才能减少废品。,30.04.2020,-,72,粘土砖在烧成过程中，由于窑内氧化气氛不足，砖坯内的有机物在烧结前未能氧化烧掉，因而使粘土砖内部出现不同程度的黑色或红色。此外砖坯内含有的Fe2O3、TiO2等杂质，在还原气氛下，从高价氧化物还原成低价氧化物，也会使粘土砖内部出现黑色或褐绿色。当出现这种情况时，增强窑内的氧化气氛，或在装窑时增大砖坯表面被氧化的面积，使砖坯直接接触火焰的面积增大，从而提高氧化效果。,3、粘土砖烧成后为什么会出现“红心”或“黑心”现象？,30.04.2020,-,73,出窑后的粘土砖经外形检查、理化性能检验合格，以200烘烤2h，在热态下放入预先配制的磷酸中浸渍。在浸渍过程中，磷酸沿砖的开口气孔渗入，与砖中的SiO2、Al2O3、反应，生成磷酸盐化合物，并充填于气孔之中，因面降低了砖的气孔率，提高了耐压强度。（试验结果表明，磷酸浸渍后粘土砖耐压强度比浸渍前提高20以上，气孔率降低5左右）在磷酸浸渍过程中，生成的磷酸盐化合物具有优良的抗碱侵蚀性能，因而提高了粘土砖的抗碱侵蚀能力。抗碱侵蚀试验表明，粘土砖经抗赋侵蚀后耐压强度下降30以上；同样条件下，磷酸浸渍粘土砖碱侵蚀后耐压强度下降15左右。,4、用磷酸浸渍粘土砖有什么好处?,30.04.2020,-,74,简介：定义：高铝矾土熟料结合粘土A12O348%分类：I等：A12O3含量75；II等：A12O3含量6075；III等：A12O3含量4860%。,3.3高铝质耐火材料,30.04.2020,-,75,一、高铝矾土原料,高铝矾土（又称铝土矿、矾土、铝矾土、矾石）分布：山西（阳泉、孝义、太原）；河北（唐山、古冶），河南（巩义、新密、泌阳、登封）以及贵州等地。,30.04.2020,-,76,1）致密状：矿石光滑、细腻，断面均匀；有的组成矿物以水铝石（细晶质到隐晶质）为主，有的以高岭石或叶腊石为主。2）多孔状：多为纯水铝石构成，结构十分疏松。水铝石一般都较粗大，有时在孔洞中填有其它搬运矿物，如金红石或石英等。3）鲕状：结构特别复杂。4）粗糙状：断面粗糙，略显疏松，但均匀。矿石主要成分为水铝石和高岭石，二者含量相近。,（1）矾土矿石构造,30.04.2020,-,77,（2）矾土矿石的化学矿物组成及分类,30.04.2020,-,78,2007-5-20,耐火材料用铝矾土（生料）的等级划分：,30.04.2020,-,79,水铝石高岭石类(D-K型)铝矾土的分类及特征,30.04.2020,-,80,（3）高铝矾土的加热变化,分解阶段（400-600）-Al2O3H2O-Al2O3+H2O(400-600)Al2O32SiO22H2OAl2O32SiO2+2H2O(600左右）3（Al2O32SiO2）3Al2O32SiO2+4SiO2（980左右）,莫来石化阶段3-Al2O3+2SiO23Al2O32SiO2（1200-1500）V+10%二次莫来石化,30.04.2020,-,81,重结晶烧结阶段莫来石和刚玉晶体发育长大，气孔缩小和消失，块料逐渐致密化并烧结。影响烧结的主要因素：二次莫来石化高温下液相组成和数量。为什么二级矾土烧结最困难，且产生比较大的体积膨胀？1）形成莫来石时产生体积增值；2）在二次莫来石化时，由于体积增大导致颗粒间相互推开而产生孔隙，此孔隙很难靠液相来弥合。,30.04.2020,-,82,图矾土烧后莫来石含量与煅烧温度的关系,30.04.2020,-,83,83,30.04.2020,-,84,不同等级铝矾土的烧结情况,30.04.2020,-,85,相同点：不同点：,二、高铝制品生产工艺,高铝制品的生产工艺流程与多熟料粘土质制品生产工艺流程相似。所不同有二次莫来石化反应。,粘土制品与高铝制品工艺区别？,30.04.2020,-,86,减轻二次莫来石化反应措施：（1）熟料的严格拣选分级通常熟料的煅烧温度应达到或略高于矾土的烧结温度，以保证熟料充分烧结和尽可能高的密度，使二次莫来石化和烧结收缩作用在煅烧过程中完成。（2）合理选择结合剂的种类和数量、高铝制品结合粘土尽可能少加（510%），可适当多加（1520%）；用生矾土细粉代替结合粘土，但工艺复杂