无机非金属材料成型工艺

第六章 无机非金属材料成型工艺本章内容及要求1. 本章共13节，教授课时6学时，通过本章学习，要掌握无机非金属材料主要的成型工艺过程，应用于特点。6.1 概述 6.2 注浆成型6.3 塑性成型6.4 压制成型6.5 喷涂法成型 6.6 缠绕法成型6.7 抄取法成型6.8 层压法成型6.9 薄片挤压成型6.10 纺织工艺法成型6.11 造粒成型 6.12 玻璃熔体成型6.13 成型模具2. 重点：注浆成型、塑性成型、压制成型、玻璃熔体成型的具体工艺过程。 3. 要求： 掌握注浆成型的物理化学过程和对泥浆的要求； 掌握注浆成型的方法，以及加速注浆的方法 掌握塑性成型的工艺原理、成型的方法与工艺过程； 了解影响泥料可塑性的因素； 掌握压制成型的工艺原理、成型过程坯体的变化以及成型方法； 了解造粒成型的方法和作用； 了解玻璃熔体的成型方法； 掌握浮法生产玻璃的原理、工艺要求和如何拉薄玻璃。 第一节 概述一、成型的意义很多无机非金属材料经常需要通过成型的手段，制造出具有特定形状尺寸的个各种功能材料（制品）。成型，实际上不仅是一个形状尺寸的制造过程，而且包括制品的固化及加工等一系列内容。从处理工艺来看，它除了包括材料的物理机械作业之外，还涉及广泛的无机、有机、高分子化学、表面化学、热力学材料工艺学等方面的内容，以及配套的经验与制作技巧。1、成型的概念成型是在规定的模具与/或载体上，通过机械力或其他物理化学力的作用，使原材料的组分均匀地形成规定形状、尺寸及一定强度与密度的加工作业。2. 成型前的作业无论哪一种制品，在成型前必须预先设计好材料的组分配比，制备好成型用的混合料，考虑好成型工艺特点及成型后的初期强度，还要考虑固化方法及固化过程中的化学与物理化学反应，以及由此给最终制品带来的技术物理特性。因此，成型用混合料的制备有着重要意义。按不同类型的制品及生产工艺特点，这些混合料的性能及名称各不相同，常见的有泥浆浇注料、糊料、坯料、悬浮分散状料浆、压塑料、料子、干粉预半料等。此外，有一些成型方法是在成型过程中混合配制各种组分的，例如喷射成型的纤维增强复合材料等。二、成型辅助剂在非金属矿物材料成型工艺中，几乎都要添加成型辅助剂。成型辅助剂有无机和有机的两类。传统的陶瓷材料（陶瓷器），作为基本原料主要大量使用粘土矿物。粘土的粘结性提供了胚料的足够强度及可塑性，因此除少量使用无机的辅助剂外，不必添加有机辅助剂。但是对精细陶瓷、碳素制品以及所有的无机/有机聚合物复合材料，成型辅助剂是必不可少的。1. 成型辅助剂分类按成型辅助剂的成分可分为无机、有机成型辅助剂二类，按其作用可分为粘结剂及外加剂二类（1）粘结剂作用：保证材料具有足够的初期强度和最终机械强度。（2）外加剂作用：帮助复合材料及其粘结剂发挥其强化效应，起到改进材料成型加工时及最终产品的某些性能的作用。它可以是单一物质也可以是复合物质，但均要求掺加量少，有害影响小。常用的有稳定剂、促凝剂、抑制剂、增塑剂、膨胀剂或消泡剂、脱模剂、防水剂等。成型辅助剂的名称，在不同制品部门的称呼常有所区别。成型辅助剂可以是单一物质，也可以是复合物质，要求掺加量少，有害影响小。详细可分为： 稳定剂：某些通过烧结的无机非金属材料在加热过程中由于生成新化合物或晶型转变而引起膨胀。为了阻止或减轻由于热加工中生成新化合物或晶型转变而引起的膨胀，须加入少量稳定剂。如氧化锆制品中加入少量CaO作为稳定剂。 促凝剂：使粘结剂凝结硬化的外加物。以水玻璃为粘结剂时加入少量氟硅酸钠（Na2SiF2）, 以磷酸为粘结剂时加入少量硅性氧化物。 抑制剂：为抑制某些物理化学反应而加入的少量物质。如加入少量草酸可以抑制某些磷酸盐的过快形成及过早硬化。加入少量MgO可以防止刚玉晶体在高温下异常生长。 增塑剂：指能提高泥料可塑性的物质。增塑剂的增塑效果与分散相的颗粒大小、表面张力、分散介质的极化特性有关。陶瓷或耐火材料常用的增塑剂有膨润土、聚乙烯醇、羧甲系纤维、糊精、淀粉等。 减水剂与解胶剂：减水剂：降低拌合料用水量的作用，或用水量不变的情况下，起到增大流动性或可塑性的作用。减水剂用量常为水泥的0.2%1%。普通减水剂有木质素磺酸钠等，高效减水剂有B-萘磺酸甲醛缩合物等。三聚磷酸钠（Na2P3O10）也可作减水剂。解胶剂：起反絮凝的分散作用，无减水稀释效果，并具有成型后的粘结剂。 发泡剂：发泡剂又称起泡剂。它使材料形成稳定的微小泡沫，能使材料具有闭口（或连通）气孔结构。发泡和泡沫稳定的条件是降低液气界面的表面张力，在气泡周围形成坚固的膜，使气泡内的气体不易逃逸，并使气泡不易连结。生产耐火材料时常用松香作发泡剂；水泥轻质制品用铝粉（碱性条件下）作发泡剂；复合材料中多用气泡性能好的表面活性剂。 膨胀剂：膨胀剂能部分消除不定形耐火材料和石墨制品的高温和冷却过程中由于收缩而造成的裂缝或剥落。这类膨胀剂有蓝晶石、石英等，以蓝晶石为佳。蓝晶石的耐火度高，在高温下能不可逆转变为莫来石和SiO2，同时拌有显著的膨胀特性。石英随温度变化有多种变体，也拌有体积膨胀。 分散剂：分散剂是能促使固体粒子的絮凝团或液滴分散为单体微粒子，并悬浮于 液体之中。它是通过降低固体粒子间的吸附力，防止絮凝和附聚。如硅酸钠、六偏磷酸钠、单宁、木质素（璜化木质素、氯化木质素等）乳化性能优良的表面活性剂在无机/有机复合材料中也常用作分散剂。 消泡剂：排除各种混合料中的气泡可使用真空搅拌混料的方法（例如陶瓷工业），但在其他成型工业中常使用消泡剂。消泡剂是一类疏水性有机物，大多数油、脂类都有消泡功能。常用的消泡剂有各类中性油、有机硅消泡剂，事实上各种油状有机硅都具有消泡功能。比如有机硅消泡剂、中性油。 脱模剂：多数消泡剂可用作脱摸剂。优良的脱摸剂有有机硅类脱摸剂，也常使用各类润滑剂、脂肪酸、脂肪酸钠、鳞片石墨、滑石粉等。成型辅助剂及其应用参阅表61。表61 部分成型辅助剂主要成型方法种类作 用挤压、注浆、模压、抄造、辊压等粘合剂提高生胚强度及最终制品强度挤压、模压润滑剂脱模，提高颗粒间的润滑性挤压、注浆、带式成型法增速剂可塑性、挠性注浆，挤压分散剂调整PH值，分散作用注浆，挤压润湿剂降低液体表面张力模压保水剂防止加压时水份渗出模压抗静电剂调整静电注浆消泡剂消除气泡，使原有气泡消失注浆、挤压螯合剂使无用离子处于惰性状态造粒，各类粘土胶体材料杀菌剂防止陈化过程中变质模压、挤压、辊压脱膜剂便于脱模，保证成型体外型光洁完整 2. 成型辅助剂的选择方法不同种类的材料，其组成及结构不同，成型方法也就不同。在选择成型辅助剂的时候应充分考虑各种辅助剂自身的性能以及其对成型效果的影响。第二节注浆成型工艺一、注浆成型概念及基本要求1. 注浆成型概念 注浆法又称为浇注法，是利用石膏模的吸水性，将具有流动性的泥浆注入石膏模内，使泥浆分散地粘附在模壁上，形成和模型相同形状的培泥层，并随着时间的延长而逐渐增厚，当达到一定程度时，经干燥收缩而与模壁脱离，然后脱模取出，坯体制成脱膜后，胚体经修坯后送入下一道工序处理。注浆成型是一种适应性大、生产效率高的成型方法，用于形状复杂或不规则以及薄胎等产品的生产。注浆成型是具有触变性的泥浆浇注成型的方法，它要求料浆浓稠而易流动，为粘性的浆状体。将粉状粘土调成含水40%左右的泥浆，并用解胶剂（反絮凝剂或称分散剂）使粘土均匀地悬浮在水中。常用的粘土制品解胶剂为硅酸钠，也可用磷酸盐及碳酸盐等。以上过程是利用粘土悬浮液的内聚和反絮凝原理，利用粘土的离子交换性、粘土的胶体性与可塑性。注浆法是生产陶瓷器的基本方法之一。非粘土矿物泥浆的调制，一般希望是浓稠而容易流动、有粘性的，脱模时间要短，脱模后坯料强度要大。2. 泥料的性能要求（1）原料粉要有适当的微细颗粒，可形成高密度接触表面积的堆砌；（2）泥浆密度要大，粘度要小；（3）配料要混合均匀并呈分散状态；（4）反絮凝剂的种类和加入量要适当，通常为原料的0.2%-0.3%；（5）泥浆中不允许含气泡，必要时要在真空中搅拌脱泡；（6）泥浆的温度要保持在20-40度。注浆法除用于陶瓷器的生产外，还常用与生产薄壁中空的高级耐火材料及特种制品，如热电偶套管、高温炉管，以及坩埚等，在精细陶瓷上有广泛用途。泥浆的浇注有空心浇注与实心浇注两种。空心浇注使用于薄胎制品的成型，如烧杯、盘皿、保护管等。使用的泥浆要有较好的流动性，密度为1.651.80g/cm3。实心浇注适用于厚胎制品或大件的耐火材料，泥浆要浓稠，密度1.8g/cm3以上。厚胎制品是使用双面膜浇注，浓稠的泥浆因为有触蚀性，在浇注前有进行强烈的搅拌，浇注后静止一小时即可固结。非粘土质颗粒矿物采用注模成型时，必须添加成型辅助剂，特别是粘结剂。3. 注浆成型的工艺原理（1）影响因素 泥浆中固相的含量、颗粒大小和形状的影响 泥浆温度的影响 粘土及泥浆处理方法的影响 稀释剂的影响及选用（2）注浆成型时的物理化学变化采用石膏模注浆成型时，既发生物理脱水过程，又发生化学凝聚过程。泥浆注入石膏模型后，在毛细管力的作用下，泥浆中的水沿着毛细管排出后被吸入石膏模毛细管内。可以认为毛细管力是泥浆脱水过程的推动力。注浆开始时，模型的阻力起主要作用。随着吸浆过程不断进行，胚体厚度继续增加胚体所产生的阻力起主导作用。此时物理脱水占主导作用。泥浆与石膏接触时，在其接触表面上溶有一定数量的CaSO4，它与泥浆中的NA粘土和水玻璃发生离子交换反应，使得靠近石膏模表面的一层NA粘土变成CA粘土，泥浆由悬浮状态转变为聚沉。石膏起到絮凝剂的作用，促进泥浆絮凝硬化，缩短了成坏时间。（3）增大吸浆速度、减少模型的阻力、提高吸浆过程的推动力。4. 注浆成型对石膏模具的要求（1）模型设计要合理，易于脱模，各部位吸水要均匀，能保证坯体各部位干燥收缩一致，即坯体的密度一致。（2）模型的孔隙率大，吸水性能好。其次孔隙率要求在本世纪内3040%。使用时石膏模不宜太大，其含水量一般控制在46%，过干会引起制品干裂、气泡、针眼等缺陷，同时模子使用寿命缩短。过湿会延长成坯时间，甚至难于成型。（3）翻制模型时，应严格控制石膏于水的比例，以保证有一定的吸水性和机械强度，并使模型质量稳定。（4）模型工作表面应光洁、无空洞、无润滑油迹或肥皂膜。新模第一次使用前，应用2%的碳酸钠溶液擦拭内壁，以除去残留涂料，也可用细砂将模内表面轻轻擦去一层。二、注浆成型方法（一）基本注浆法1. 空心注浆（单面注浆） 该方法用的石膏模没有型芯。操作时，泥浆注满模型经过一定时间后，模型内壁粘附着具有一定厚度的坯体。然后，将多余泥浆倒出，坯体形状在模型内固定下来，空心注浆所用的泥浆密度较小，否则倒浆后坯体表面有泥缕和不光滑现象。坯体的厚度决定于时间、模型的湿度和温度，也和泥浆性质有关。2. 实心注浆（双面注浆）实心注浆是将泥浆注入石膏外模与模芯之间，坯体的内部形状由型芯决定。注浆后，不需倒出余浆。实心注浆常用较浓的泥浆。（二）加速注浆的方法为缩短模型吸浆时间，提高注浆坯体的质量，常采用下列几种注浆成型方法。1. 压力注浆 一般增大泥浆压力的方法是提高浆桶的高度，利用泥浆本身的重力从模型底部进浆，也可用压缩空气将泥浆注入模型内。2. 离心注浆 该方法是在模型旋转运动的情况下，将泥浆注入模型中。由于离心力的作用，泥浆紧靠模壁脱水后形成坯体。离心注浆时，浆料中的气泡较轻，在模型旋转时，多集中中部，最后破裂消失。这种方法得到的坯体厚度较均匀，变形较少。3. 真空注浆在石膏模外面抽取真空，增大模型内外压力差，或在真空室中全部处于负压下注浆。真空注浆可减少坯体中的气孔和针眼，提高坯体强度。三、注浆成型操作注意事项（1）新制成的泥浆应至少存放（陈腐）一天以上再使用，用前须继续搅拌510min。（2）泥浆温度应不低于1012度；冬天泥浆过冷，影响泥浆的流动性；故在冬天注浆车间应有暖气设备，维持室内温度在2025度。（3）石膏模应按顺序轮换使用，使模型湿度保持一致。对于空心注浆每次注坯后，泥浆在模中的停留时间须严格控制。（4）泥料注入模型时，应沿着漏斗徐徐而又连续不断的依次注满，使模内的空气充分逸出。注呸是最好模子置于转盘上，一面注，一面用手使之回转，这样可借助离心力的做用，促进泥层的生成和均匀一致，减低坯内气泡，减少烧成变形。在实心注浆时，泥浆注入后应将模型稍微振动，使泥浆流满各处。同时也有利于泥浆流满各处。同时也有利于泥浆内的气泡散逸。（5）石膏模内壁在注浆前最好喷一层薄釉渣或撒一层滑石粉，以防粘模。（6）从空心注浆后倒出来的余浆和修整而得的废浆，既有一些解凝剂，也从模型上混入一些硫酸钙。回收使用时，要先加水搅拌，洗去这些可溶盐类，然后过筛压滤与新浆料配用。（7）注浆坯体脱模后要轻拿轻放，放平、放正、放稳，并防止振动。高足或器型特殊的坯体，最好放在托板上。四、注浆成型常见缺陷分析1. 气孔、针孔产生的主要原因：（1）泥浆水分太少，粘度太大，流动性差，使泥浆中的气泡不易排出。（2）泥浆存放时间太长，泥浆温度过高，致使泥浆发酵；泥浆未经陈腐。（3）电解质的种类及用量不当。（4）搅拌泥浆太剧烈，或注浆速度太快，使泥浆加有空气泡。（5）石膏模中混有杂质，如砂子或碳酸钙等；制模用石膏的颗粒太粗，致使模型的结构不均匀；模型表面沾有灰尘。（6）石膏模过干、过湿，或温度过高。 2. 开裂：产生开裂的注要原因：（1）泥浆中塑性原料用量不当，颗粒过粗。（2）电解质的用量不当，或泥浆未经陈腐，搅拌不匀，流动性差。（3）模型干湿不一，新模型在使用前未清除表面的油污杂质。（4）注浆操作不善，未完全倒净余浆，造成注件厚薄不匀，干燥收缩不一。（5）注件脱模过早、过迟，干燥温度过高。3. 变形产生变形的主要原因：（1）泥浆混合不匀，造成干燥收缩不一。（2）泥浆的水分过多，造成干燥收缩大。（3）倒余浆操作不当，坯体厚薄不匀。（4）模型过湿，或脱模过早，或出模操作不当，湿坯没有放平、放正。4. 泥缕：产生泥缕的主要原因：泥浆的粘度大，流动性差；模型工作面沾有浆滴；倒余浆操作不当。第三节塑性成型工艺方法一、概念塑性成型是利用混合料良好的塑性，在含有适当的水分（20%）的条件下塑制成型的工艺方法。二、成型方法（一）挤压成型挤压成型法，是将可塑配料团经过抽真空挤压成型机的螺旋或活塞挤压向前，再经过机头模具挤压出来达到要求的坯体的形状。各种管状产品（如高温炉管，热电偶套管等），柱形瓷棒，各种形状规格的劈离砖等产品，都可采用挤压成型。1、挤压的压力挤制的压力过小时，要求泥料水分较多才能顺利挤出。这样得到的坯体强度低、收缩大。若压力过大则摩擦阻力大，加重设备工作负荷。挤制压力主要决定于机头喇叭口的锥度，以及模具出口断面尺寸。如果锥角a过小，则挤出泥段或坯体不致密，强度低。如果锥角过大，则阻力大，设备的驱动负荷加重，甚至出现泥料向相反方向退回。根据实践经验，当机嘴出口直径d在职10mm以下时，a角约为12度13度；d在10mm以上时，a角为17度18度较合适。挤制较粗坏体，坯料塑性较强时，a角可增大至20度30度。影响挤制压力的另一个因素是挤嘴出口直径d与机筒直径D之比。2、 速率当挤出压力达到最佳状态时，挤出速率主要决定于主轴转数和加料快慢。3、 压成型的缺陷（1）气孔：主要是练泥时抽真空度不够，或者坯泥料陈腐时间太短等原因造成。（2）弯曲变形：坯料太湿；坯料组成不均匀；模具芯头调整不好，坯体两面厚薄不一；承接坯体的托板不光滑等原因造成。（3）表面不光滑：挤坯时压力不稳定；坯料中大颗粒过大等原因造成。（二）车坯成型外形复杂的圆柱形陶瓷产品常将挤出的泥段再经车坯成型。尺寸精度要求较高的产品多采用干车成型。该法是将经过真空练泥机挤出的圆柱形泥段，再干燥到含6%11%的水分，然后固定在立式或卧式车坯机上加工而成。该成型方法在生产高压电瓷厂家用的较多。（三）旋坯成型旋坯是利用型刀（又叫样板刀）将置入石膏模内坯泥料进行旋压成型。模内的泥片受型刀的压挤和剪切作用，紧贴在石膏模上，形成所需要形状的坯体。（四）滚压成型滚压成型是由旋坯法发展而得的新工艺。这种方法是把扁平的型刀改变成尖锥形或圆柱形的回转体滚压头。成型时，盛放着坯泥料的模型和滚压头分别绕自已的轴线以一定速度旋转。滚压头面转动面压紧泥料。这种方法广泛用于日用陶瓷的成型。滚压成型又分为阳模滚压和阴模滚压。前者是指用滚压头来决定坯体外表面的形状和大小，所以又叫外滚；后者系指用滚压头形成坯体的内表面，又叫内滚。另外，根据滚压头是否通电加热，又分冷滚压成型与热滚压成型。外滚压一般适用于盘、碟等扁平器皿或内表面饰有花纹的制品成型；内滚压一般适用于碗、杯等深腔制品的成型。滚压成型对泥料的要求：要求泥料有好的可塑性和较低的含水率。1、 滚压过程的要求：在实际生产中，尽管每件制品滚压成型时间很短，但还是分阶段进行的。在各个阶段中，对滚头的压泥要求也是不同的。滚头下降至开始接触泥料时，动作要轻，速度要适宜。一般以67mm/s为宜。如动作太重和速度太快，则易压坏模型；若下压速度太慢，易引起坯料粘滚头。当滚头将泥料压至要求的厚度，余泥不断排出时，为使坯体表面光滑，要求滚头的动作重而平稳，泥料受压的时间亦要适当，一般以23s为宜。最后，滚头宜轻捷地抬离坯体，若离坯太快，则易产生泥缕、鱼尾等缺陷。2、 石膏模型的要求：由于滚压成型对坯泥料所加的压力比旋压成型大，故易引起石膏破损。为了延长石膏模型的使用次数，可采取如下措施：（1）适当调整石膏与水的比例；或掺入适量的水泥；或在介质（水）中配入少量的鞣型减水剂、硼砂等以提高石膏模型的机械强度。（2）增加石膏模型底部和边部的厚度，以提高其强度。（3）将石膏模型的重心降低，以防止模型甩出。（4）模型与模座的衔口要紧密配合，使模型平稳在固定在模座上。3、常见缺陷的分类（1）粘滚头 主要原因：泥料的可塑性过强或水分过多；滚头的转速太快；滚头过于光滑或下压速度太慢。滚头的倾斜角过大也易引起卷泥。（2）坯体开裂 主要原因：泥料的可塑性太差，水分太少或不匀；热滚压头的滚头温度太高，使坯体表面水分蒸发过快，而引起坯体的内应力增大。（3）鱼尾 主要原因：凸轮的曲线设计不合理，滚头抬离坯体太快；刀架摆动也会产生此种缺陷。（4）刀花 主要原因：凸轮表面不平，模座轴承、滚头轴承和刀架支座松动；模型在模座中固定不好。（5）底部上凸 主要原因：滚头造型设计不当，角度不适合，或因滚头顶部磨损。如滚头超过坯体中心过多或未对准坯体中心，或泥料水分过低，也易引起坯体底部上凸。（6）花底 主要原因：石膏模过干、过热，或泥料的水分过低，或投泥过早；车速太快，滚头中心部位的温度过高，滚头下压时接触泥料过猛；新石膏模如有油污也产生花底。（五）湿压成型 湿压成型是把水分为20%左右的可塑坯泥料放在模型内，用金属摸头加压成型一种方法。第四节压制成型一、模压成型1. 模压成型概念及用途模压成型是把预制好的压塑料、坯料、干粉预拌料或预先造粒的颗粒混合料等，放入具有精确尺寸形状的钢模具内，沿单轴方向加压成型。模压成型应用很广，模压方式也很多，例如有干法、半干法（或称湿法），有单向压模和双向压模，有冷压法热压法及温压法等。生产石棉摩擦材料制品常使用模压工艺。由于摩擦材料的基体粘结剂主要是热固性树脂，因此必须使用热压成型的方法，使增强纤维、填料及树脂预先制备成压塑料，再在150210度条件下粘结固化。为了提高热成型的效率，改善制品质量，经常在热压前进行预成型。预成型实际上是一种冷压成型的方法，它的任务是制备成重量、形状和大小都近似成品的半成品。压塑料的工艺性能包括流动性、挥发物含量、固化速度、细度和均匀度、比容、压缩率、压坯性等。在热压成型过程中主要控制的参数是成型压力、温度及升温速度，以及制品在磨具内停留时间，加压、排气次数和持续时间等。云母或石棉、蛭石的树脂绝热制品（石棉、矿棉板）及用胶凝材料粘结的绝热或建材制品也常采用模压工艺。由于模压工艺的压塑料或粉料与金属模具之间的摩擦，往往不能将施加的压力均匀的传递到成型内部（图6-3），从而造成填充密度不均匀，固化时（或烧结固化时）各部位收缩率也就不同，严重时会产生翘曲变形，因此，一般只适用于生产扁平状或较薄的制品。使用两面顶的方法可以改善材料在钢模内的流动性，并使填充密度均匀。造粒的料粒除含粘结剂、反絮凝剂外，通常还含有硬脂酸作为润滑剂，可减少摩擦力。这些方法在生产精细陶瓷制品时经常采用。硅酸盐制品的模压工艺完全不同。增强纤维（如石棉等）与水泥或石灰、石英砂等，或渗加少量聚乙烯类氧化物外加剂的与拌料在压力成型过程中脱水，模板的一面或两面是具有脱水功能的载体材料，经过压滤及真空过滤脱水，以取得制品的初期强度，而最终成品的固化则是经养护水化而完成的。就加压方法而言，对于非常薄的制品，可以采用单轴方向（从上方）加压的方法；对于其他制品，为减小成型体内的密度差，应从上下两面加压。成型压强通常为50100Mpa，但有些场合为确保精度，可能使用更高的压强。可见模压成型工艺所需要的成型的模具具有高强度、高精度、耐高温的特性。模压成型方法的生产效率高，制品尺寸准确，表面光洁，适于大批量生产。结构复杂的制品的一次成型，无须进行有损与制品性能的辅助加工。模压工艺主要缺点是模具设计与制造复杂，初期投资较高，易受设备限制，只宜生产中、小型制品。压机是模压成型的主要设备。这种设备带有下配置或上配置的主传动装置。图6-4所示为带有上配置主传动装置的四柱液压力机，最大压力为5106N 模压工艺只适用于生产扁平状或较薄的制品，这是由于压力传递不均匀、填充密度不均匀、固化时各部门收缩率也就不同，就会产生翘曲变形。改进方法：双向压模、冷压、热压、温压法等。模压成型工艺所需成形压力高，模具与效果的要求。模压成型的优点、缺点2. 压制成型的工艺原理 坯很细或很粗的粉料在一定压力下被压紧成型的能力较差。表现在相同压力下坯体的密度和强度相差很大。此外，细粉加压成型时，颗粒间分布着的大量空气会沿着与加压方向垂直的平面逸出，产生层裂。而含有不同粒度的粉料成型后密度和强度均高。若采用一定粒度粉料堆积，则小球料可能填到等径大球料的空隙中去。因此，采用一定粒度分布的粉料可减少其气隙，提高粉料自由堆积的密度，有利于提高压制成型的质量。（1） 粉料的工艺性能粒度及其分布、含水率、流动性、拱桥效应。（2） 压制过程中坯体的变化坯体中不同部位受压不同，因而坯体各部位的密度也存在差异。密度变化：分三个阶段：第一个阶段，密度急剧增加，迅速形成坯体；第二阶段中压力继续增加时，坯体密度增加缓慢，第三阶段压力超过某一数值后，坯体密度又随压力增大而提高。 强度变化：与三个阶段相对应，第一阶段压力较低，由于粉料颗粒位移，填充孔隙，坯体空隙减小，强度主要来自于颗粒之间的机械咬合作用，此时颗粒间接触面积还小，所以坯体强度并不大。第二阶段是成型压力增加，不仅颗粒位移和填充孔隙继续进行，而且能使颗粒发生变形，颗粒间接触面积大大增加，出现原子间力的相互作用，这时坯体强度直线增加。压力增大至第三阶段，坯体孔隙和密度变化不明显，强度变化也较平坦。坯体中压力的分布：坯体各部分压力不均匀的原因是：粉料颗粒移动和重新排列时，颗粒之间产生内摩擦力，颗粒与模壁之间产生外摩擦力，这二种摩擦力妨碍了压制压力的传递。（3） 加压制度及压制成型操作对坯体质量的影响填料方式与填料操作：使粉料在模具内得到均匀的填充厚度和密度。A. 型压力的确定：P=P1+P2其中：P1克服粉料的阻力、净压力P2克服粉料对模壁摩擦所消耗的力B加压方式和加压操作：多次加压、一轻、二重、慢提起。（4） 压制成型方法： 摩擦式压砖机：原理、性能要求 自动式压砖机：原理、性能要求（5） 压制成型常见缺陷及分析其原因： 规格尺寸不符合要求最常见的尺寸偏差是偏薄偏厚；四角厚薄不一；上凸或下凹以及扭斜；大小头。 a. 偏薄偏厚：砖坯厚度公差超过要求。产生原因是填料不均匀，过薄或过厚；料层密度不一，钢模不平。b. 斜度大：原因是填料不均匀、料层一边厚一边薄或者一边疏松一边紧密，四角料层密度不一。钢模安装不平、模腔一边深一边浅，机台加压螺杆或滑架晃动，粉料受压情况不一致。c. 砖面中心凸起（上凸）；砖面中心下凹（下凹）。 d. 钢模不平：上模板过薄、安装时变形；安装钢模时，垫纸过多造成钢模变形； e. 砖坯结构不匀：正反两面密度相差大，脱模时上模离开太快，砖坯两面膨胀不一；在干燥和烧成过程中收缩不一。 裂纹层裂（夹层）：压制时排气不良，在压力作用下气体烟与加压方向垂直的平面分布，当压力撤除后，气体膨胀形成层状裂纹。 原因：操作不当；粉料含水率太高，排气性能不良；风料含水率太低，坯体强度不好，不足以克服少量残留气体膨胀产生的应力；坯粉级配不好；压制压力过大，残留气体因过分压缩，而膨胀较大引起。角裂原因：角部填料太松，引起砖坯角部强度太差；砖坯外形设计不合理，在码坯、装钵和搬运时，受到冲击应力。膨胀裂：边部垂直砖面的微小裂纹。原因主要是脱模时模套下降太快，砖坯迅速膨胀，产生了较大的应力造成。大口裂素烧后出现在砖边部的大裂纹。原因是压制成型后的坯体强度不足以克服水分蒸发及坯体收缩而产生的应力，由此产生的裂纹规律性强，基本上出现在坯体较疏松上；装钵方法不合理，使坯体局部受拉应力；素烧升温太快。硬裂出现在砖坯中部的裂纹。产生原因：操作不当致使砖坯各处密度不一样；传统工艺制备的粉料中有大硬块；坯粉水分不均匀，坯料陈腐时间太短；素烧预热阶段升温过快。麻面（粘模）由于坯料粘在钢模上，而使砖坯表面形成的凹凸不平。产生原因：坯料太湿或干湿不匀；坯粉料温度太高；电热模具温度太低；钢模内面光洁度不够；擦模次数太少；喷雾干燥制备坯粉可溶性盐类及电解质残留在颗粒表面。坯脏砖坯中夹有杂质或脏物，能使制品出现斑点、熔洞、裂纹、变色。产生原因：坯粉制备过程中混进杂物或除铁、过筛不严；坯粉运输过程中混进杂物；压制成型过程中混进杂质；粘有机油的坯料、砖坯上掉下的硬块、维修机台及换钢模掉下的铁屑、铁锈等物。坯粉（粘粉）砖坯表面粘有粉料。产生原因：压制好的砖坯推出时，由于摩擦易粘上残留于模套上的坯粉，而在装钵前或码垛前没有清扫干净，经烧后粘在砖坯上。掉边、掉角砖坯边角掉落。产生原因：操作不当；钢摸开口宽度、深度不当或精度不够；模具使用时间太长，造成边角部位疏松、粗糙。二、等静压成型该法优点：等静压成型法又称橡皮模加压成型法或胶袋成型法。它是为了克服一般模压法成型体内密度不均匀的缺点而研制的。由于粉料受到的是静水压（各向同性压力），成型体内不存在密度差，因此密度均匀，并且具有不易产生不规则变形的特点，广泛用于火花塞、高压钠蒸汽灯用发光灯管等的成型。湿法：是从成型体整个表面施加静水压，是最理想的加压法。干法：是使用预先放在高压容器内的具有一定的形状的橡皮模具的成型方法。粉料的填充、加压，直至取出成型体的所有工序都可以自动化，因而这种方法适用于大量生产一定形状的产品。但是这种方法成型时，上端及下端部分粉料并没有受到静水压的做用，因而在成型后要将两部分切掉。图6-5 等静压成型 图6-6 等张机示意图三、辊压成型它是采用对辊挤压的方式生产板状制品的方法，也可单辊压制成型。辊压机辊压设备成张机，其结构示意图 见图6-6成张机工作过程：成型机是一种双辊的滚压设备。在成张机基础1上，装有两座架14，其上端有横梁相连，机架开口处安装下滚筒4的轴承，轴承座固定在机架上。上辊筒轴承与两个移动机构10的调节螺丝相连。借助于这些机构，上辊筒轴承座可沿着机架上的导向轨进行竖向移动。适用范围：石棉橡胶板，制动器衬片，其它密封材料，成张机技术特性：石棉橡胶板料子经过给料器和料仓沿下料管进入喂料板。喂料板倾斜的安装在上下滚筒之间的工作空间附近。料子有旋转的下滚筒表面带动，被卷入上、下滚筒间隙中，在下热滚表面形成薄层板坯。在生产过程中辊距逐渐增大。同时，上辊筒可用不同的速度向上提升，由此就可以改变下辊筒转一圈所形成的单层板坯的厚度。图6-6 成张机示意图四、挤压成型挤压成型是将拌合料在压力作用下，通过规定形状的模具窗口连续挤出的成型工艺，也称挤出成型法。常用于断面形状较复杂的工程结构件制品，例如一些硅酸盐制品或塑料制品，也可生产摩擦材料、碳素材料（石墨电极等）。在挤压过程中，拌合料的配合比设计很重要，要避免拌合料泌水或粘结模具，产生堵塞现象。附加振动可促使拌合料流动，振动频率20003000次/分，振幅13mm。合理调整振动及挤压方式能使产品内的增强纤维具有合理的取向分布。挤压机有油压机和水压机。挤压机示意图见图6-7。第五节喷涂法成型一、 工作原理常用的有直接喷涂法及喷射-抽吸法。直接喷涂法是将基体材料制备成浆状糊料，并添加适量外加剂。例如将粒状岩相或膨胀珍珠岩糊料喷涂附着于建筑墙体部位及保温工程设施上。也常采用辊式振捣，以保证制品与模板形状一致，并排除镶入的空气。采用这种方法生产硅酸盐板材容重达17502000kg/m3，比喷射-抽吸制品容重（20002100kg/m3）稍低（图6-8）。喷射-抽吸法用于玻璃钢工业，也用于纤维水泥板、管的生产。将石棉纤维嗨哟玻纤短切纤维（1050mm）同时与水泥浆一起高速喷在有过滤板的成型表面，多余的水靠真空吸走，纤维水泥板可制成所需厚度，并能立即脱模。这种工艺优点是制品未硬化时就具有足够的强度，可弯成圆角及多种形状的产品，如波形板、折叠板、管道、导管等。也可表面涂抹彩色细集料，形成装饰墙面。该方法易于实现自动化操作。喷射抽吸（脱水）法自动化生产线为水泥平板或波形板的主要工艺。二、适用范围保温涂料、纤维增强水泥薄板、波形板、管道、装饰墙面等。第六节缠绕法成型一、原理缠绕法是用连续纤维为增强材料并缠绕成型，同时采用喷涂层压等方法与结合剂复合的工艺。图6-9表示缠绕法生产管道的主要原理。如果将未硬化的管状材料割开或重新成型，这种方法也可生产板材开口断面制品。连续的玻璃纤维无捻纱在一水泥槽内用水泥浆浸渍，然后按预定的角度和螺距绕在卷筒上，在缠绕过程中将水泥浆及短纤维喷在卷筒上，然后用辊压机碾压，并靠抽吸出去多余的水泥浆及水。纤维体积量大于15%，因此强度高，也易于实现生产过程自动化。汽车离合器面片也有用缠绕法生产的，其过程是用专用缠绕机（如图6-10、6-11）将连续纤维（可用石棉-金属丝线，玻璃纤维或其他连续纤维）按预定的轨迹绕成圆环形或绕成特殊的椭圆形轨迹组合成的圆环形。通常连续纤维是经过预浸渍、吸附胶乳，树脂或活性材料的预浸渍材料，经缠绕后制成的坯体再经加压、成型、固化等工序而制成离合器面片。二、工艺过程连续纤维作为增强材料并缠绕成型（经过浸渍）喷水泥浆及短纤维在卷筒上辊压机碾压脱水产品适用范围：水泥管材、离合器面片、板材等。第七节抄取成型一、工艺原理此法源于古代发明家蔡伦的手工造纸方法。基本过程：经充分松解的矿物纤维与其它填充材料及无机和有机粘结剂一起，经混料打浆制成比较稳定的悬浮体，送入抄取机中抄造成张。料浆在抄取机的网箱上均匀、定向沉积，并初步滤水、挤压，再被转移到毡状（或网状）毛布带上，经进一步真实抽吸脱水、压滤后，再次转移到成型筒上，进一步压实即制得料坯。料坯 达到规定厚度后切割下坯，即成湿态的板状半成品。当生产管状产品时，抽出成型筒即可。抄取的湿坯再经压型、养护、干燥或因化定型、后处理等工序，可分别制取纸状、板状或毡状，以及板状的变形制品（管及其他异形制品），也可进一步作饰面加工。易于实现自动化操作。抄取的湿坯再经压型、养护、干燥或固化定型，后处理等工序，可分别制取纸状、板状或毡状的变形制品。分长网抄取及圆网抄取二大类。石棉胶乳板、膨胀蛭石纸、板等制品、制动器衬片。按抄取机湿部结构及主机型式的不同，可分为长网抄取（单长网、双长网及多长网）及圆网抄取（单网箱、双网箱及多网箱）两大类。 圆网抄取机广泛用于生产石棉水泥制品（瓦、管、板、脊瓦等），石棉保温板、石棉纸、吸音板、硅酸钙板、石棉乳胶板、云母纸、板及膨胀蛭石纸、板等制品。国外汽车制动器衬片的连续生产工艺也有采用抄取工艺的。长网抄取主要用于生产岩棉或矿渣毡状产品，以及矿棉吸音板等建筑与绝热隔音材料。抄取机组成：金属网箱、搅拌器、中空多孔的网轮二、工艺过程1. 料层抄取原理（1）轮上纤维水泥的初步形成 ：网轮和网箱示意图如图6-12。料浆沿溜槽流入网箱，用隔板阻流，防止料浆直接冲向网轮。隔板按网箱全长安装，底部可以与箱内料浆相通。网箱底部设有搅拌器，使箱内料浆不至沉降，保持混合均匀。料浆在轮上形成液浆层的原理是：a.网箱中的料浆浆面与网轮内液面有高度差,促使料浆有通过网布进入网轮的趋势。b.铜网的过滤能力是形成料层的主要原因。铜网包在网轮表面，网孔的大小为60目或多或65目。这样的网孔，不能使纤维自由通过。在刚进入浆液时，水压差较小，网孔因没有拦住纤维，对水的阻力较小，水带着短纤维和水泥细颗粒可以自由流入筒内。随着网轮旋转，网孔浸入料浆内液面越深，液面压差越大，网孔拦住的纤维也多。封住纤维水泥粒子的网孔通过的纤维和水泥粒子越来越微细，不断充实到料层中间，最后使网孔内外形成一个固定的压强差。见图6-12。网箱中纤维水泥凝聚物的运动状态，会影响料层的形成。料浆是不稳定的悬浮液体。如果沉降速度大于过滤速度，则不能形成初层，这就是增加箱底搅拌的液面压差的原因之一。（2）初层的传递：沉积在圆网上的料层，随着网轮的转动，料层开始接触毛布，这时毛布含水较多，未被拉紧，对料层没有吸附能力，如图6-13中a点。料层向b点旋转时，受毛布的压力逐渐增加，水分不断被挤出，料层被压实。挤出的水一部分通过网孔流到网轮内腔，一部分向后流而又被料层带起继续被挤出，在从b点向o点过滤时，毛布中水分同时被大量挤出，逐渐形成伏辊、毛布、料层和网轮紧密接触的联合体。水随压力的增加被挤出更多，料层被压得更密实。从o点过滤到c点，复辊对网轮的压力逐渐减弱，网轮上的料层逐渐脱离网轮被毛布吸附，达到c点已完全脱离网轮而圈地毛布上。因为网轮是多孔的，可透过空气，而复辊、毛布和料层之间比较密实，没有通过空气，所以，料层更易脱离网轮粘到毛布上。这样就完成了初层的传递过程。在生产实际中，当网轮局部被堵塞或被油污染后，毛布上就会出现“秃面”。网轮堵塞部位空气不能通过，该处料浆水分挤出的少，与毛布粘结不够紧密，所以不能转移料层。沾有油污的网，料层粘附松弛，易于在网轮出水时料层脱落。此外，压出的水较多（料层过厚）时，沿网轮运转反向急速流动，会冲掉料层，即“冲料”。当铜网透水性差或料层过厚，冲料现象就越严重。（3）真空箱脱水：真空箱在真空泵的作用下，产生负压。当毛布吸附着料层通过真空箱上的多孔真空板时，料层表面的空气迅速透过料层，吸附料层中的部分水分。料层中含水约50%，从成型筒上扯下的料坯含水应在30%左右，甚至更低，使用真空箱就可以达到这一要求。（4）料坯成型：毛布上的料层最后传递给成型筒，经过成型筒的缠绕挤压，形成坯料。料层传递过程就是料坯形成的过程，其原理与初层的传递相同。毛布托着料层绕胸辊运转，与成型筒接触。成型筒紧压在毛布上，压力由小到大，又由大到小（见图6-13中的曲线）。挤出料层中的水时，形成成型筒、料层、毛布和胸辊紧密接触的整体。当成型筒与毛布逐渐脱离时，紧密的接触面形成真空负压而吸进空气，只有毛布能透过空气降低负压。所以料层脱离毛布吸附到成型筒上，连续挤压缠卷，制成了有一定厚度并含水量较低、结构紧密的料坯。如果毛布沾有油污或板结，透气性不好，对水的阻力大，从料层中挤出的水便不能在瞬间通过毛布。因此在料层中会产生较大的流体压力，破坏石棉水泥料坯的结构，使产品质量下降。 2、测流上浆抄取机适用范围：低密度纤维纸、板等影响抄取成型的因素：共五个方面。第八节层压法成型经过浸渍的连续无捻纱或乱向纤维，与无机或有机粘结剂基体在液体介质中充分混合，置于模具中，依靠碾动或加压排出液体介质，促使粘结剂向纤维材料中渗透并胶结成型。适用范围：各种形状复杂的材料产品。第九节 薄片挤压法成型它是干法物料通过挤压和辊压生产薄片状纸板的工艺方法。使用范围：柔性石墨石墨纸各种密封材料。第十节 纺织工艺法成型用可纺性纤物，运用棉毛纺织工艺来制造纺织制品。如石棉纱、线、布、绳、带。法既可用于绝热保温、防火、隔音、过滤、吸附、绝缘、净化、防毒气等工业部门，也可用来生产各类摩阻材料、密封材料等。第十一节 造粒成型法一、概述造粒，即颗粒团聚的方法。是将细小的粉体颗粒加工成适当大小的较大实体的工艺方法。造粒能使颗粒的整体性能得到改善。造粒的目的通常可分两类：一类是生产颗粒（或异形状）产品，例如很多活性吸附材料、催化剂载体、过滤材料、矿物饲料等；另一类是用于生产成型体之前预先制成粒状体中间材料，以利于进一步自动或模压成型，提高最终制品的堆积密度及生产能力。除此之外，从环保角度减少粉尘污染及泥浆聚凝团聚等，也可称为广义的造粒工艺。造粒的产品是团粒，一般这些团粒仍保持原始细粉粒子的基本性能。通常都是坚固稳定的物质颗粒，但有时只需十分微弱和瞬时粘结性，其强度可满足后继工序需要即可。二、造粒方法选择矿物加工中造粒的基本方法有：搅拌法-滚动造粒；搅拌法-混合器造粒；压力成型（挤出成型）造粒；热成型法；喷雾和分散法（离心喷雾、压力嘴喷雾）；在液相中造粒（聚凝团聚、油成型、冻结干燥法等）。对不同用途、性能的团粒，要确定一种适宜而又简单的造粒方法，具体应考虑如下因素： 给料特性：如用滚筒造粒，挤压时物料粒度对塑性的影响。如果物料是浆状、膏状时，其浓度及粘度等能否在喷雾造粒中进行泵送和雾化。有热敏性物料要排除某些热成型方法等。 所用造粒工艺与生产能力的关系：有很多方法，生产能力大时不宜使用。 团粒的粒度及粒级分配：喷雾干燥、粉末团化等方法只能得到较小的颗粒，而其它一些方法如压制法可得到较大的团块。 团粒的形状：混合机造粒、流化床造粒和烧结，得到的是不规则颗粒，不同形状颗粒对后继工序及用途是主要考虑因素。 团粒强度：由粉末团化、喷雾造粒所得到的颗粒，其机械强度较弱；热硬化法、挤压法及应用粘结剂等可得到高强度的颗粒。 团粒的孔隙率和密度：它们与强度的关系密切，而有些用途的颗粒对孔隙率及密度有较严格的要求，一些挤压法可适应这方面的要求。 湿法与干法：干法易产生粉尘，不适于处理有毒材料及其它有危险的物料；湿法常需要昂贵的溶剂，并需进行后干燥。1. 搅拌法滚动造粒将液体掺入细粉末中并适当搅拌，细粉末就易成粒状物，液体和固相互相密切接触，产生粘结力而形成团粒。最常用的润湿相是水，或者能在团粒中形成毛细粘结力的水溶液。由于各种粘性液态、固态、范德瓦尔和其他粘结机理的开发，润湿相也可采用其他液体和粘结剂。常用的搅拌方法是通过圆盘、锥形或筒形转鼓回转时的翻动、滚动及帘式垂落运动。（1）团粒的核化和成长湿法造粒时，起初加进的湿物料是分散而松软的小粒，这些小粒在搅拌过程初期形成团粒的核。形成这类核的动力是粘结液体的表面张力。由于物系总表面自由能的下降及气液界面的减少，核心可由很细的粉末（例如小于325目）形成，并可促使团粒直径增大至12mm。 核形成之后，物料的粒度变化过程有许多种情况，影响粒度变化过程的主要因素有进料粉末粒度及固体的其他性质、液体表面张力、粘度用生产方式（间歇或连续）。核形成之后，粒度增大主要途径为凝聚。凝聚是指已有团块碎料（粉碎、压碎或破碎、磨碎）中细粉或粉末包层。一般凝聚与包层同时进行，但以一种方式为主。间歇生产时，直径为26mm的不太结实的团粒先破碎为细粉末，然后再在较大细粒上包层为团粒。平均直径大于70um，粒度均匀的粉粒就是以水为液相在滚动转鼓中按照上述方式进行造粒的典型例子。反之，粒度分布范围宽，表面积大的粉粒（例如小于325目），则适于按照凝聚的方式造粒。用这样的粉粒结成团块后不易破碎。其原因不仅是因为它的强度较高，还由于聚集后要经历一个压实阶段，使多余的液体被挤到团块表面上，作为团块之间的桥连剂，同时还使团块表面具有塑性。但是团块直径较大时（例如直径5mm或6mm），因为在粘结的同时也发生团块的分裂，使粘结的效率有所下降，因此，当团块粒度增加时，团块的粘结速度自然减慢。连续生产时，以新鲜的进料粉末粘结成的小颗粒或循环的小团块作为核心，进料为细粉末与种子粘结就比较牢固，而粉末互相之间的粘结力则较差。当进料的粉末是一层一层地直接包在核上形成团粒时，粉末间相互粘结而成的团粒就相应减少了。鉴别团粒是粘结而成还是包层而成，通常采用观察方法，包层而成的团块表面光滑呈球形，而内部横截面则呈现一层包一层的“洋葱皮”结构；粘结而成的团块则呈不规则而粗糙的球状。（2）设备 斜式转盘造粒机：是一个回转圆盘，周围镶有挡圈