武理工材料工艺与设备教案

武汉理工大学《材料工艺及设备》教案PAGEPAGE5《材料工艺与设备》教案武汉理工大学材料学院

目录绪论1、无机非金属材料的定义与分类2、无机非金属材料的地位和作用3、本课程的设置与作用第一章玻璃的生产工艺及其设备1-1玻璃的定义与特性1-2玻璃的结构1-3玻璃的性质1-4玻璃的生产工艺过程1-5玻璃的热工设备第二章水泥的生产工艺及其设备2-1概述（水泥的分类等）2-2硅酸盐水泥的生产方法2-3硅酸盐水泥熟料的矿物组成2-4硅酸盐水泥的煅烧2-5水泥的生产工艺及设备2-6特性水泥和专用水泥2-7粉磨工艺第三章陶瓷的生产工艺及其设备3-1陶瓷的定义、分类与结构3-2生产陶瓷的原料3-3陶瓷的成型工艺3-4陶瓷的干燥及烧成设备第四章纳米技术及其应用前景4-1纳米材料的特性4-2纳米材料的应用前景

绪论本门所指的材料主要是指无机非金属材料。一、无机非金属材料的定义与分类1．定义什么是无机金属材料？无机金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硫化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料，是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。这只是个定义，我们暂时把它放在这里。无机非金属材料是20世纪40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的，是与有机高分子材料和金属并列的三大材料之一。从晶体结构上看，无机非金属材料的元素结合力主要为离子键、共价键或离子—共价混合键。对于混合键主要是指极性共价键，共中离子键或共价键各多少可能由公式根据元素的电负性求出。Example：A、B两元素离子键性%=1-exp[-(xA-xB)2/4]2、特点不论是离子键还是共价键，它们的特点是什么，①键能高，高键强赋于这一大类材料以②高燃点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损，高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的③导电性、④隔热性、⑤透光性及良好的⑥铁电性、铁磁性和压电性。这些特点不是共性的。3、分类无机非金属材料品种和名目极其繁多，用途各异，因此，还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的（传统的）和先进的（新型的）无机非金属材料两大类。传统的无机非多金属材料是工业和基本建设所必须的基础材料。如水泥是一种重要的建筑材料；耐火材料与高温技术，尤其与钢铁工业的发展关系密切，许多钢铁公司都有自己的耐火材料厂；各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与我们的生活休戚相关。以上的材料产量大、用途广。其他产品如搪瓷、磨料（氧化铝、碳化硅）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也都属于传统的无机非金属材料。新型无机非金属材料是指20世纪中期以后发展起来的、具有特殊性能和用途的材料。它们是现代新技术，新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。主要有先进陶瓷（advancedceramics）、非晶态材料（noncrystalmaterial）、人晶体（artificialcrystal）、无机涂层（inorganiccoating）、无机纤维（inorganicfiber）等。目前“无机非金属材料”一词是一个广意的概念，不能简单地认为是什么水泥、玻璃、陶瓷，而是包括了传统的和新型的。除了金属和高分子材料以外的材料。在国际上因陶瓷历史最悠久，且应用广泛，故常沿用广义的陶瓷（ceramics）来表示无机非金属材料。二、无机非金属材料的地位和作用无机非金属材料是国家建设和人民生活中不可缺少的重要物质基础。人类发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来的巨大的变化，把人类物质文明和精神文明向前推进一步。Example1：半导体材料的出现，对电子工业的产生和发展具有巨大的推动作用。计算机的小型化和功能的提高靠的是什么，是与锗、硅等半导体材料密切相关的。Example2：钢铁冶炼发展过程中的每一次重大演变都有赖于耐火材料新品种的开发。碱性空气转炉成功的关键之一是由于开发了白云石耐火材料；平炉成功的一个重要因素是生产了具有高荷重软化温度的硅砖，即优质硅砖的出现。Example3：大型浮法玻璃的出现，主要是依赖于两种主要耐火材料，优质硅砖和锆刚玉砖的出现。这两种砖的出现，就使得浮法能够生产出高质量的玻璃来。主要原因是熔化温度的大幅度提高。由原来的1480℃→1580℃。玻璃中原有的熔化不透的砂，排不出的气泡都大幅度消失。Exapmle4：光导纤维的出现，改变了整个通信体系，使“信息高速公路”的设想成为现实；现在大家都“上网”，上网的过程中出现了“网络堵塞、信息传输很慢，既费时间，又多花钱。光导纤维的出现使得信息产业发生了很大的变化。光导纤维可以讲它的主要的东西是我们无机非金属材料。没有光导纤维可以讲“信息高速公路”就很难实现。无机非金属材料工业在国民经济中占有重要的先行地位，具有超前特性，其发展速度通常高于国民经济总的发展速度。可以说无机非金属材料工业是整个国民经济兴衰的“晴雨表”，与人类的文明生活和国民经济的发展息息相关。三、本课程的设置与作用这门课从总体的课程思路上来讲，是一门工艺和工程内容的课—材料工艺与设备。对于我们这个班来讲，大多数的课属于Ⅰ级学科，从开设的课程来看大多是理论性很强的课程。如：固体物理、材料化学、结构缺陷等都是偏理的课程。这门课的开设就是要让大家了解一些工学方面的知识。了解无机非金属材料的工艺和有关的设备。至少要对有关材料的生产工艺过程与有关设备作一定的了解，以扩大同学们的知识面。有关的材料工学，在其它的班级（与你们平行的班级）要讲90个学时，而我们只有28个学时，所以我们的学时是十分紧张的。所要讲的内容很多。只有拣重要的给大家讲。讲一些基本概念。使大家对工程的东西了解一些。另外既然是工程类型的课，我们要增加一些设计的内容，计算机辅助设计CAD。要求能够利用CAD作设计。CAD可能有的同学接触过，有的同学没有接触过，不要紧，通过我们的学习使大家对其有所了解和掌握，当然CAD属于计算机中的一个应用软件，只有多用、多炼才能熟练掌握。在今后的学习工作中我想肯定会用得着的。讲授的内容主要包括玻璃、水泥、陶瓷、光纤、纳米材料等，根据我们的时间，主要介绍一些相关材料的基本概念，基本的生产工艺与性质、特点。有关CAD的应用，至少要会用，知道相关的命令，常用的命令，并绘制图纸。课本，我们没有合适的课本，以课堂讲解为主，笔记为主。但可参考相关工艺书，都可以看。《玻璃工艺》、《水泥工艺》、《陶瓷工艺》以及相关的杂志关于本课程的考核平时：20分考试：60分CAD：20

第一章玻璃生产工艺与设备首先来看一下玻璃的品种分类：日用玻璃：瓶罐、器皿、保温瓶、工艺美术品窗玻璃：平板玻璃、空心玻璃砖、饰面板和隔声、隔热的泡沫玻璃，钢化玻璃，夹层玻璃电真空玻璃：电子管、显像象、电灯光学玻璃：显微镜、照相机、眼镜、望远镜（最著名的是哈佛望远镜，直径3m多、一个镜头的制造要进行精密退火，退火达半年（几个月）镜头中不能有应力。）仪器玻璃：化学、生物学、物理学中所必备的实验用具。玻璃纤维：绝缘布，过滤布，制玻璃钢生物玻璃：与生物陶瓷很相近，也可用于骨材料等。微晶玻璃：微波炉里的用具，建筑用装饰微晶玻璃，变色眼镜（）（着色）光导纤维：目前通信中最有效的信号传送媒介。容量大、速度快。此外，还有玻璃微珠、玻璃棉等。

§1-1玻璃的定义与特性一、定义有关玻璃的定义有很多种，时间不同定义的内容也不尽相同。每一位玻璃方面的科学家、专家，对玻璃的定义也不相同。但比较有代表性的说法有以下四种。1、20世纪20～30年代人们对玻璃的定义是玻璃是无定形的固体，质点的排列是杂乱无章的。2、美国材料试验协会玻璃是一种在凝固时基本不结晶的无机熔融物。3、从物理化学的角度上说玻璃是凝固的过冷液体。4、当前的定义：玻璃是非晶态固体中最重要的一族，其结构特点是近程有序，而远程无序。上上四种说法都有一定的道理。现在提得较多的是第4种。它是从更加广义的角度来解释，它包括用其它方法获得的以结构无序为主要特征的固体物质，这里的其它方法主要包括（除传统熔融法之外）气相沉积方法溶胶-凝胶方法（低温合成）辐射的方法、辐射→物质结构发生变化。二、玻璃的通性（或特性）1、各向同性：向是方向的意思这个特征有一个必要条件就是玻璃中不存在应力。玻璃的物理性质如：硬度、弹性模量、折射率、热膨胀系数等在各个方向都是相同的。这个特性反映了玻璃内部质点缺乏远程有序。而有统计均匀分布的特点。是玻璃内部质点的统计均质结构的外在表现。玻璃透明（1.各向均匀；2.低的吸收）的重要原因。2、无固定熔点玻璃态物质由固体转变为液体是在一定温度区域（软化温度范围）内进行的，它与结晶态物质不同，没有确定的熔点。这个性质非常有特点，在熔融法生产玻璃的工艺中，包括平板、瓶罐、器皿等等玻璃制品，都很好地利用了这一性质。体现在工艺品的制造上，陶瓷是在常温下成型的，然后进行烧制。而玻璃是在高温下成型的，没有这一特性作保证，生产是不可能实现的。熔点不是点而是区域。3、介稳性（或亚稳性）亚稳是相对稳定状态而言的。在自然界的固体物质中存在着晶态和非晶态两种物质状态。晶态是一种非常稳定的状态，其系统的内能处于最低值。而非晶态质点排列不规则，结晶潜热没有释放出来。造成亚稳性的原因：在冷却过程中粘度急剧增加，质点来不及作有规则排列。但条件允许时（玻璃→晶体glass→crytal）：T．t．PT．t．Pgc因此有这样一种说法：结论：玻璃具有较高的内能（U），热力学不稳定。玻璃在常温下粘度（η）高，不可能析晶，动力学稳定。4、性质变化的连续和可逆性玻璃态物质的熔融状态冷却（或相反加热）过程中，其物理化学性质产生逐渐和连续的变化，而且是可逆的。可重复出现。书P110，图2-2-1就很能说明这一点晶体是突变的，而玻璃是连续渐变的。另外一种性质连续变化，在一定的范围内，性质随成分发生连续和逐渐的变化。在氧化物玻璃中有许多性质随成分的变化而变化，变化是连续的。如比容、热膨胀率、密度等。几乎可以将玻璃看作是各组分的简单的混合物。正因如此才有了部分性质的加和法计算。单独给整体性质产生影响，可用加和法：……式中A是某种性质Ci各氧化物的重量分数或分子分数；Xi各组分对性质所起的作用

§1-2玻璃结构假说前面我们给出了玻璃的定义，对于玻璃的结构是怎样的也是众说纷云。正确地理解玻璃态的内部结构，有益于根据所需的玻璃性质确定玻璃成分，调整配方，调整工艺，从而指导玻璃工业的生产实践。“玻璃结构”的概念是指组成玻璃的离子——原子在空间的几何配置。关于这一概念，近代（1930年以来）人们提出了许多玻璃结构学说，其中主要是“晶子学说”和“无规则网络学说”。这两种学说从不同的角度论述了玻璃的结构。当然人们还提出了其它结构学说，但影响最大的是这两种学说。一、晶子学说1、理论的提出1921年，列别捷夫在研究光学玻璃退火过程中，发现在520℃附近，玻璃的折射率发生突然变化。由此推论出折射率的变化和玻璃的结构变化有关。提出玻璃是由无数“晶子”所组成。←→β石英α石英在此温度（573℃←→β石英α石英在玻璃中有很多1～1.5nm的类似于石英晶体的“微晶”，他称之为“晶子”。并提出了“晶子”学说的要点。2、学说要点a.玻璃是由极微细的有序区域——“晶子”组成。b.晶子分散在无序区域当中，由晶子——到无序区域的过渡是逐步的，没有严格的界限。c.晶子不同于一般微晶，它是尺寸小的晶格极度变形的有序排列的区域。d.晶子中心部份，有序程度最高。e.晶子大小7～20A2～4个[SiO4][SiO4]玻璃结构单元f.

晶子占玻璃10～20%二、无规则网络学说1、理论的提出←→←→晶体非晶体2、学说要点a.玻璃中的键状态或结构单元和晶体相似。如石英玻璃，[SiO4]四面体构成三维网络，但缺乏周期性和相对称性。b.氧化物成玻有四个条件△一个氧原子不能够和两个以上的阳离子结合，O的配位数不能大于2。△中心阳离子周围的氧离子数不能过多，一般是3～4。△网络中氧配位多面体之间，只以顶角相连，不能共棱，更不能共面。△网络当中每个氧配位多面体至少有三个顶角共用。当然以上四个成玻条件，是后人（笛采尔，孙观汉，阿本等人）以无规则网络学说为基础从结构化学的角度总结出来的。结构学说很多，人们还提出了：过冷液体假说胶体假说构子理论玻璃结构聚集假说玻璃理论等影响最大的还是“晶子”和无规则网络学说。三、“晶子”学说和“无规则网络”学说的比较相同点玻璃中的链状态或结构单元与晶体相似，都是由四面体构成三维网络，连接式是顶角相连。不同点晶子学说比较强调玻璃的微观均匀性与有序性；而不规则网络学说着重说明玻璃结构的连续性，统计排列性与均匀性。总的来讲，目前比较习惯将两者合并说成：玻璃的结构近程有序，而远程无序。

§1-3玻璃的其它性质玻璃除了前面所提到的四大通性以外，还具有其它的一些性质。例如，玻璃的粘度、玻璃的表面张力、玻璃的密度、玻璃的力学性质、玻璃的热学性质、玻璃的化学稳定性、玻璃的光学性质等。我们着重讲一下玻璃的粘度。一、概述物理定义：粘度是指面积为S的两平行液层以一定的速度梯度dυ/dx移动时需克服的内摩擦力f：f=ηsdυ\dx其中η——粘度或粘度不数（Pa·S）从工艺的角度讲，在生产中人们控制的是温度，温度与粘度是对应的。粘度是玻璃的性质，而温度不是玻璃的性能。二、温度——粘度关系质点移动（流动），要克服势垒，这个势垒是周围键力的作用，也就是周围质点与要移动质点之间有一定的键力作用。可流动的质点按波尔兹曼分布律，有的关系可移动的质点数：因式中——质量的粘程话化能（质点移动活化能）A——与组分有关的常数K——波尔兹曼常数（1.381×10-23焦/开）T——绝对温度从这个关系式可以看出随着温度的升高粘度逐渐降低。在粘度的变化过程中没有凝固点而一个渐变过程。成分不同，在温度变化过程中，η变化的速度是不一致的。引出了料性的概念。粘性不一样，主要是指玻璃的硬化速度不一样，引起这种变化的因素，主要是玻璃的成分不同。相同的粘度变化范围内，温度的变化情况不一样。温度变化大，料性长。温度变化小，料性短。反之：相同的温度变化范围。粘度变化大，料性短粘度变化小，料性长（大家看课本，P112-114，课本里的几个公式，粘度的计算方法都是由变化而得到的。）Example灯泡厂里，灯泡的生产中手工吹的灯泡，料性希望长一些。制作玻璃手工艺品时，要在其上制作各种花纹、图案，希望料性长一些。Example显像管的前壳的料性要求短，在成型时，冲压头最好抬起时，玻壳就固化。当前的电视玻壳要求越来越大，因此料滴比较大，在固型后，不能发生形变，以免造成次品。所以料性要比较短。以有利于机械成型。对粘度的要求，机械成型和手工成型的不同。（课本P112有几个粘度考点，是几个玻璃在熔化、成型、退火时所要求达到的粘度。）三、玻璃粘度与成分的关系（参看课本P112（自学），自学时要结合氧化物在玻璃结构中的作用，加以解释。）我们以浮法玻璃组分为例，解释成分对粘度的作用。浮法玻璃Na2O—CaO—SiO2系统，组成如下：组成SiO2Al2O3CaOMgOK2O+Na2OFe2O30%721.58.4414<0.151、SiO2是网络形成体，玻璃的粘度随着SiO2含量的增加，网络的连接程度增加而增加。（连接增加，移动困难。SiO2含量高，熔化温度高）2、R2O（Na2O、K2O、Li2O）含量变化时，对粘度的影响比较明显。R2O起着助熔的作用，单键能Si-O106kcal/克分子，Na-O为20kcal/克分子，Na+的配位娄得6。随着温度的升高，Na2CO3→Na2O+CO2↑温度继续升高Na—O—Na发生断裂Na—O—Na→2Na++O2-从而出现了游离氧，而中心阳离子要尽可能多地占有氧离子。R2O的加入，使SiO键发生松驰、断裂、断裂后η↓。3、RO(MgO·CaO)RO和R2O作用是一样的，但它们的作用有其自身的特点。单键强度Mg—O37kcad/克分子Ca—O32kcad/克分子4、Al2O3作用Al2O3的作用既可以充当网络形成体，又可以充当网络外体，，这个性质和它们的配位状态有密切的关系。条件：当玻璃中的R2O的分子数与Al2O3分子数相比>1Al3+形成[AlO4]，进入网络，=1网络的连接程度增大，结构紧密。<1Al3+为网络外体进行[AlO6]八面体中和网络外体离子的作用一致。——这种现象称为铝反常。硼常也是如此.例如重新连接起来，使结构趋向紧密。其机械强度。硬度等都会出现报值点。四、玻璃粘度参考点玻璃粘度是玻璃的一个重要性质，它与玻璃的熔化，成型，退火、加工和热处理等都有密切的关系。常用的粘度参考点如下：1、应变点大致相当于粘度为1013.6Pa·S的温度，即应力能在几个小时内消除的温度。此时玻璃结构中，质点可以移动调整，但由于粘度比较大调整的速度很慢。2、转变点（Tg）相当于粘度为1012.4Pa·S的温度。3、退火点大致相当于粘度为1012Pa·S的温度。即应力能在几分钟内消除的温度。该点的温度定义为玻璃的退火上限，就是玻璃开始退火的温度。退火上限温度比下限温度高50～100℃。也就是在退火上下限的范围内，温度降低的速度要非常慢。这100℃左右的退火时间占整个退火时间的1/3强。退火以580℃～600℃～80℃，500℃的区间。4、变形点相当于粘度为1010～1011Pa·S的温度范围。当加热玻璃到这个粘度时玻璃开始变形。例如热弯玻璃，骄车的风挡，就是利用变形点。加热到变形点左右，保温。5、软化温度（Tf）它与玻璃的密度和表面张力有关。相当于（3～15）×106Pa·S之间的温度。这时玻璃已经软化。热处理时不能到这个温度（粘度）。否则尺寸会不合格。6、操作范围相当于成型时玻璃液表面的温度范围。操作范围的粘度一般为103～106.6Pa·S这是一个范围值，不同的玻璃品种所对应的粘度（工作粘度）温度各不相同。玻璃球1250℃～1280℃拉丝1280℃垂直引上980～1050℃浮法1150～600℃7、熔化温度相当于粘度10Pa·S的温度，在此温度下玻璃能以一般要求的速度熔化。粘度10Pa·S对于不同的玻璃要达到此粘度，所要的温度也是不一样的浮法10Pa·S1580℃石英玻璃10Pa·S1700℃以上CaO-Al2O3-SiO2微晶玻璃1530℃拉丝1450℃8、自动供料机供料的粘度102～103Pa·S在自动制灯泡、自动制瓶等等生产中，要求这样的粘度。比手工操作的粘度稍高一点。自动生产线上的冷却、降温的强度要大一些。

§1-4玻璃的生产工艺过程一、玻璃工厂的生产特点1、生产高度的连续性玻璃生产的连续性是由玻璃的生产方式决定的，玻璃成型方式是高温成形。玻璃厂的生产工艺流程为：成分设计→原料加工→配合料制备→池窑熔化→成型→退火窑退火→检验。玻璃的成型是在1300～900℃的范围内成型，此时玻璃是熔融状态，要求有玻璃不断供应→投料的连续性→称量混合的连续性→原料加工破碎的连续性。会引出一系列的连续性。对于玻璃厂来讲，一般的情况下，不出大的事故，生产在一个周期都是连续的，国内的生产周期3～5年，国外6～8年，长的有连续生产9年。而如果玻璃厂中途停产整个玻璃熔窑算是报废了，耐火材料不能再利用，除保温砖外，损失将上千万。小的熔窑损失也要几十万。和玻璃接触的砖不能用。而陶瓷厂停产，设备基本上不损失，还可以重新点火生产。而玻璃厂得重新换砖，砌窑等。要求保证供电、玻璃厂用电量大，且必须是双回路供电。就是电源从两个不同的配电单位引进，而且两个供电线路能够自动切换。随便举个例子氮氢站，在浮法玻璃的生产中，氮气、氢气的要求是非常纯的，5个9，99.999%N2、H2都是这样。如果停电，N2、H2供应不上，锡槽中的锡是通过N2、H2来保护的。目前1吨锡的价格是12万，一座45米长的锡槽中一般熔锡量90吨左右，而且锡的氧化非常快。锡被氧化（吨）20406090损失（万元）240万480万720万1080万这些还不包括，锡槽的直接损失。停电对于玻璃厂来讲，立刻进入“一级戒备”状态。2、能量消耗对于中、大型玻璃厂来讲，燃料一个是重油，一个是发生炉煤气。油重的热值9600kcal/kg，对于一个400吨/天的熔窑耗油120吨左右。对于煤耗量就更大了。目前，我国大多数的玻璃厂，热效率为25%左右，如一些的生产线，热效率可达到35%～40%。3、运输、储存量大对于玻璃、它的原料品种比较多，而且不可能是各种原料都在一个产地，外购的原料量是比较大的。大多数的玻璃厂离主要原料砂岩的产地不是很远。陶瓷厂也是这样，凡是陶瓷厂多的地方，原料一定期很丰富。多数的玻璃厂，原料储存量是很大的，主要是砂岩。各种原料的储存周期一般在2～3个月，有的时间会更长。因此玻璃厂各种原料的储存都很多，以保证生产能够正常进行。4、高温作业玻璃厂的工作环境是高温作业。熔窑的温度区间，1200℃～1580℃，最高温度是热点温度1580℃，冷却部到锡槽的温度为1200℃，锡槽的温度区间1200℃～600℃1200℃～1100℃是入口温度。600℃是出口温度。退火窑的温度是600～90℃。对于垂直引上，引上室采板楼的温度更高，热气流是往上面走的。现在的条件好多了，自动化强度大大提高了，全线的操作在中心控制室即可完成。中心控制室有空调，所以操作环境大大改善，如果不出现大的事故是不会离开中心控制室的。全线有工业电视监控，这样整个生产线上看不到什么人。隔段时间有人到生产线上去走一走看看有什么问题。5、工艺上的“四大稳”对于玻璃的生产在工艺有“四大稳”的要求（1）原料稳要求原料的供应量要保证，满足连续生产。质量品位要稳定，不能出现的成分波动。含水量稳定，粒度稳定。（2）燃料稳要求所用的燃料是保证供应，满足连续生产。燃料的质量无论是重油、天燃气，还是煤都要热值稳定。而且在供应上，压力温度保持稳定。（3）熔化稳指玻璃料在整个熔化过稳中，保持投料是稳定，温度曲线稳定，熔化质理稳定满足成型要求。（4）成型退火稳前面的几稳都保证了，后面的成型就是关键了，成型指拉引速度、原板宽度、板的厚度保持稳定，退火要求保证设定的温度制度进行控制，保证高效生产。二、原料的选择原料是工厂最初级的东西，对所有的企业都是一样。玻璃有其自身的特点，在建立玻璃厂时，要考虑原料的因素。原料的选择原则a.原料的质量应符合玻璃制品的技术要求，其中包括化学成分稳定，含水量稳定，颗粒组成稳定，有害杂质少（主要指的是Fe2O3）。b.便于在日常生产中调整成分。c.适于熔化与澄清，成分中分解放出的气体无毒。以前用萤石，会放出HF对人、对大气都不利。d.对耐火材料侵蚀小，许多玻璃熔窑，耐火材料是浸泡在玻璃液中，如果侵蚀太厉害，窑的寿命难保。e.原料应易加工，矿藏量大，分布广运输方便，价格低等。三、玻璃的原料1、砂岩和硅砂（石英砂）它们主要引入玻璃的形成体SiO2。SiO2是玻璃中最重要的成分。玻璃行业对它们的要求是：化学成分%粒度%水份%SiO2Al2O3Fe2O3>0.7mm<0.7mm硅砂96.5～99.50.4～1.5<0.10<5<5.0砂岩96.5～59.50.4～1.5<0.10<5<5.02、白云石主要引入MgO化学成分%粒度水份%MgOFe2O3>2.5mm<0.1mm>20<0.150<20<1.03、石灰石、方解石主要引入的是CaO化学成分%粒度水份%CaOFe2O3>2.5mm<0.1mm>54<0.20<20<1.0CaO是网络外体氧化物，作用是增加玻璃的机械强度，使玻璃的析晶倾向增加，加快玻璃的硬化速度。4、长石主要引入Al2O3化学成分%粒度水份%SiO2Al2O3Fe2O3>0.5mm<0.1mm<70≥16.0<0.20<50<1.05、纯碱主要引入Na2O化学成分水份Na2CO3NaCl≥98.5<1<2%纯碱提供的Na+，起断网作用所以有助熔作用。6、澄清剂澄清是玻璃排出可见气泡的过程。这一过程与玻璃液的表面张力有关。澄清剂的作用就是降低玻璃液和表面张力。a.Sb2O3（氧化锑）b.Na2SO4+C粉7、其它原料随着人们的环保意识的增强人们开始利用尾矿和天然原料。特别是尾矿，国家鼓励用尾矿，用尾矿可保扩环境，国家将免税。对企业有很大的诱惑。目前可用的有：高岭土尾矿、金矿尾矿、铜尾矿。四、原料的加工工艺流程矿山→堆场、吊车库→加工系统→粉库→称量混合→窑头以上是从矿物到合格原料的整个过程。但每一种原料它的加工系统是不一样的。下面我们举一个比较典型的例子。洛阳玻璃厂白云石系统的加工系列为例。块料（150mm）→火车进厂→地坑→5t天车→中块库→5t天车→漏斗仓（10t）→电磁振动给料机→颚式破碎机（排料<30mm）→斗式提升机→中间仓（12t）→给料机→锤破→斗式提升机→六角筛→合格粉料→粉库→准备配料这个工艺流程比较复杂，也比较有代表性。其它的矿物原料只不过是在某些设备的选型上有所不同。五、玻璃的熔制（一）玻璃熔制过程在配合料制备完成以后，要将其投入熔窑中进行熔化。我们将配合料经过高温加热熔融形成均匀的、无气泡的、并符合成型要求的玻璃的过程，称为玻璃的熔制。从配合料到真正的合格玻璃要经过五个阶段：硅酸盐形成、玻璃的形成、玻璃的澄清、玻璃的均化、玻璃的冷却。（二）硅酸盐的形成Na2O+SiO2→Na2SiO3CaO+SiO2→CaSiO3MgO+SiO2→MgSiO3此时温度（800～900℃）（三）玻璃的形成当温度继续上升，SiO2未熔物开始熔化、扩散。这时的反应温度是1200～1350℃。烧结体出现熔融变成了不透明体，并有大量气泡。气泡主要是碳酸盐分解：CaCO3→CaO+CO2Na2CO3→N2O+CO2（四）玻璃的澄清玻璃的澄清：是指所形成的玻璃排出可见气泡的过程。在澄清过程中气体间的转化与平衡澄清温度一般是1400～1500℃，此时玻璃液中的气体、气泡、窑炉内的气体存在着三者的动态平衡。而这些动态平衡都与气体的分压有密切关系。图另一种是加入澄清剂（前面所提到的。它能在其分解温度迅速放出大量的气体，使玻璃存在大的气泡，破坏玻璃中的溶解平衡）。Example氧化锑Sb2O3→有O2放出，突然放出大量气体，但玻璃中除了有O2以外，还有CO2、SO2、N2、NOx……。由O2的突然出现就使得溶解平衡与气泡中气体的分压都受到了破坏。泡中最初是PO2，而其它的气体会进入。PO2，PCO2，PN2出现平衡破坏，气泡长大。（五）玻璃的均化均化：均化的任务就是排除条纹，在澄清温度附近，使玻璃达到化学均匀和热均匀。影响均匀的因素：扩散，表面张力，流动。扩散：成分的富集区扩散，富硅区→富铝区扩散。表面张力：小系列的扩散流动：流动量是大的扩散。（六）玻璃的冷却非常简单，就是将合格的玻璃液冷却，但冷却过程要缓慢平稳。浮法玻璃冷却：1200-1150℃制球：1320℃拉丝；1280℃垂直引上：1020-980℃在冷却的过程中主要防止温度的上下波动。防止二次气泡的产生。二次气泡是直径小于0.1mm的小气泡。

§1-5玻璃的热工设备一、玻璃熔窑玻璃熔窑的作用：就是把合格的配合料，经过加热熔制成无气泡、条纹、析晶的透明玻璃液并使其冷却到所需要的成型温度。玻璃熔窑有多种类型，按其特征可以以下几种：1、按使用的热源分（1）火焰窑：以燃烧燃料为热能来源。燃料多为煤气，天然气，重油等，最常见的是重油和煤气。（2）电热窑：又称为电熔窑，以电能作为热能来源。（3）火焰+电热窑2、按窑内火焰流动方向分（1）横火焰窑：火焰的流动方向与玻璃液流动方向垂直。（2）马蹄焰窑：火焰的流向呈马蹄形。（小型的窑炉）（3）纵火焰窑：火焰沿玻璃流动方向前进。这里我们主要看看浮法玻璃窑炉的结构。利用图玻璃熔制的工艺要求工艺要求和控制是生成中每天都能碰到的事。在玻璃熔化过程中，有四小稳的概念，是温度稳，压力稳，液面稳，泡界线稳。1、温度稳（温度波动±2℃）2、液面稳3、泡界线稳4、窑压稳（气泡的形成排除。）二、玻璃的成型与设备玻璃的成型方法可以分为两类：热塑成型和冷成型。但目前玻璃的成型大多为热塑成型。1、玻璃的成型方法吹制法：空心玻璃，灯泡，灯管，保温瓶，酒瓶压制法：烟灰缸，玻璃盘压延法：压花玻璃，夹丝玻璃浇铸法：光学玻璃，镜头拉制法：窗玻璃离心法：玻璃棉烧结法：泡沫玻璃喷吹法：玻璃微珠焊接法：仪器玻璃浮法：溶胶-凝胶法：玻璃镀膜气相沉积法：光导纤维2、浮法成型浮法是指熔窑熔融的玻璃在流入锡槽后在熔融金属锡液的表面上成型平板玻璃的方法。浮法的历史皮尔金顿1957-19593、浮法工艺对浮抛介质的要求a.玻璃的比重是2.5g/cm3，玻璃在浮法中是位于浮抛介质之上，浮抛介质的比重﹥玻璃的比重。b.熔点低于600℃，但具有较高的沸点。锡槽中的最低温度为600℃。c.浮抛介质的蒸气压要尽量小，蒸气压大挥发大。d.高温下不与玻璃浸润，不与玻璃液发生化学反应。e.无毒价格便宜（镓、锢、锡）4、成型过程玻璃进入锡槽→自由振动→展薄→抛光→拉薄→固化。三、玻璃的退火与设备1、玻璃的退火玻璃的成型是快速以熔体→冷却，结构的变化跟不上温度的变化就导致了玻璃中存在应力。为消除应力就需进行退火。退火：就是消除玻璃制品中热应力至允许值的热处理过程，不同的制品有不同的退火要求。退火的过程：保温、均热→缓慢→冷却→急冷→自然冷。2、退火窑的形式与结构形式：辊道式网带式

第二章水泥部分水泥：加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能将砂石等材料牢固地胶结在一起的细粉状硬性胶凝材料，通称为水泥（Cement）。水泥的种类很多，按其用途和性能可以分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。水水泥通用水泥专用水泥硅酸盐水泥（Portlandcement）矿渣硅酸盐水泥（铁矿渣）火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥油井水泥oilwellcement砌筑水泥大坝等特性水泥抗硫酸盐水泥：特性水泥抗硫酸盐水泥：膨胀学和自应力水泥：一般水泥是收缩（硬化时收缩0.20～0.35%收缩产生应力→快硬水泥凡是以3天抗压强度表示水泥强度的水泥32.542.5，还包括：快硬硅酸盐快..铝..快..硫..凡是具有抗硫酸盐能力的硅酸盐铝酸盐水泥道路水泥：耐磨性好，收缩小，抗冻性好，抗冲击性好。一、水泥定义、分类及国家标准（一）定义凡由硅酸盐水泥熟料，0～5%石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨细所制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥=熟料+石膏→磨细普通酸盐水泥=熟料+石膏→磨细（二）组成材料1、硅酸盐水泥熟料：凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物，称为硅酸水泥熟料（熟料）。2、石膏：天然石膏CaSO43、活性混合材：指具有火山灰性的混合材料4、非活性混合材：指活性不符合标准的混合材料。（三）标号硅酸盐水泥分：42552562572528天抗压强度（Mpa）42.552.562.572.5普通硅酸盐水泥：32542552562528天抗压强度（MPa）32.542.552.562.5（四）品质指标1、氧化镁：<5.0%高了，安定性不好。2、三氧化硫：<3.5%3、细度：0.080mm六孔筛筛余不得超过12%4、凝结时间：初凝>45min终凝不得迟于10小时。5、强度：达到各标量6、安定性：必须合格二、硅酸盐水泥的生产方法（一）生产方法硅酸盐水泥的生产分为三个阶段：部分熔融原料（石灰石、粘土质原料）→各自系统破碎→按一定比例配合→生料磨磨细→合格生料→生料在水泥窑内煅烧水泥熟料（熟料煅烧）→熟料+石膏（或混合材）→磨细→水泥粉磨。部分熔融以上是水泥生产的通常工艺过程。水泥生产按照生料的制备方法的不同，有干法和湿法两种。干法生产：将原料同时烘干与粉磨或先烘干后粉磨成生料粉，而后喂入干法窑内煅烧成熟料。湿法生产：将原料加水粉磨成生料浆后喂入湿法回转窑内煅烧成熟料。三、原料水泥用主要原料是指石灰质原料、粘土质原料等。（一）石灰质原料石灰石原料主要是提供氧化钙，CaCO3→CaO+CO2↑天然原料有石灰岩、泥灰岩、白垩等。我国大部分水泥厂使用石灰石与泥灰岩。石灰石（石灰岩）的化学组成主要是CaCO3、矿物是方解石。石灰石的质量要求CaO含量>54%，石灰石中碱含量应小于1.0%，以免影响煅烧和熟料质量。水泥厂离石灰石矿应当很近，用是很大、运输方便。（二）粘土质原料粘土质原料主要提供的是氧化硅（SiO2）和氧化铝（Al2O3）。天然粘土质原料有黄土、粘土、页岩、泥岩、河泥等。其中黄土与粘土用得最广。黄土与粘土都由花岗岩、玄武岩等经风化分解后得到的。粘土可分成高岭石、蒙脱石及水云母等。其中前两个用的较多、较广泛。高岭石：2SiO2·Al2O3·nH2O蒙脱石：4SiO2·Al2O3·nH2O3SiO2·Al2O3·nH2O——贝得石（三）铝质原料铝质原料主要由铝的氢氧化物等组成。主要引入的是Al2O3。我国铝土矿主要是——水硬铝石型矿。（四）铁质原料铁质原料主要引入FeCO3高Fe水泥→道路水泥（五）燃料煤主要是指烟煤、火焰较长易燃烧。目前准备或正在解决无烟煤在水泥厂中的应用。另外，国外的水泥厂已成为废物的处理厂。有机物、橡胶等可燃物都能作为燃料。（六）各种混合材钢渣粉煤灰火山灰（七）石膏和硬石膏石膏CaSO4·2H2O（二水石膏）硬石膏CaSO4（无水石膏）

§2-2硅酸盐水泥熟料的组成一、硅酸盐水泥的矿物组成在硅酸盐水泥熟料中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3不是以单独的氧化物在，这与玻璃与陶瓷不同。图而是以两种或两种以上的氧化物经高温化学反应而生成的多种矿物的集合体。其结晶细小，一般为30～60μm，它主要有四种矿物：硅酸三钙3CaO·SiO2可简写为C3S硅酸二钙2CaO·SiO2可简写为C2S铝酸三钙3CaO·Al2O3可简写为C3A铁相固溶体，一般为铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3→简写C4AF。在熟料中C3S和C2S含量约占75%左右，称为硅酸盐矿物。C3A和C4AF的理论含量约占22%左右。水泥属于水硬性材料，当掺入H2O以后，水泥中的矿物会出现水化的现象，水化以后会形成凝胶相，这些凝胶相会将砂、石、钢筋等胶凝（固定）在一起。二、熟料矿物的水化a.硅酸三钙的水化硅酸三钙在水泥熟料中占50%，它是凝胶相的主要形成体。它的水化作用，产物及其所形成的结构（指凝胶相）对水泥的性能有很大影响。硅酸三钙在常温下的水化反应，方程为：3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2简写为：C3S+nH=C—S—H+(3-x)CH上式中，其水化产物C—S—H是凝胶，又称为硅酸凝胶。C3S凝结时间一般维持2～4h，水化较快。b.硅酸二钙的水化C2S的水化与C3S相似，只不过水在速度慢而已：2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·YH2O+(2-x)Ca(OH)2简写成：C2S+nH=C—S—H+(2-x)CH硅酸二钙水化以后，也生成了C—S—H凝胶。三、熟料的率值硅酸盐水泥熟料是由两种或两种以上的氧化物化合而成，因此在水泥生产中控制各氧化物之间的比例——即率值。（一）石灰饱和系数在熟料四个主要氧化物中，CaO为碱性氧化物，其余三个为酸性氧化物（SiO2、Al2O3、Fe2O3），CaO与它们相互化合形成C3S、C2S、C3A（铝酸三钙）、C4AF（铁相固溶体）四个熟料矿物。不难理解CaO含量一旦超过所有酸性氧化物的需求，多余了CaO。CaO以游离氧化钙形态存在，游离CaO含量高时，对水泥的安定性不利。理论最佳值或最高值（极限值）是CaO能够完全满足酸性氧化物的化合需求，也就是说Al2O3和CaO全部生成→C3AFe2O3和CaO全部被用掉（C4AF）而SiO2不会全部与CaO生成C3S，不能饱和SiO2的需要。每1%酸性氧化物所需CaO含量分别为：3×56.08101.96摩尔质量摩尔质量Al2O33×56.08101.96摩尔质量摩尔质量56.08164.70摩尔质量摩尔质量Fe2O3所需CaO=56.08164.70摩尔质量摩尔质量60.093×56.083×CaO摩尔质量SiO260.093×56.083×CaO摩尔质量SiO2摩尔质量CaO的理论极限含量：CaO=2.8SiO2+1.65Al2O3+0.35Fe2O3式中，SiO2、Al2O3、Fe2O3是各种酸性氧化物的含量。前面提到Al2O3和Fe2O3可以被CaO饱含，而SiO2不能，所以上式可写成：CaO=KH×2.8SiO2+1.65Al2O3+0.35Fe2O3KH称为石灰饱和系数CaO-1.65AlCaO-1.65Al2O3+0.35Fe2O32.8SiO2KH=CaO和SiO2全部以三钙形式存在C3S。实际上KH公于0.667～1.0之间。（二）硅率SiO2Al2O3+Fe2O3硅率又称硅酸率，它表示熟料中SiO2SiO2Al2O3+Fe2O3SM=SM一般在1.7～2.7之间。在生产工艺中，若熟料中硅率过高，SiO2含量高、水泥难烧，高温液相量显著显著减少，煅烧困难，C3S不易形成。若熟料硅率过低，硅酸盐矿物少，强度低。SiO2降低，液相多，结大块影响生产。（三）铝率铝率又称铁率，以IM表示：Al2Al2O3Fe2O3IM：0.9～1.7之间铝率是反应熟料Al2O3Fe2O3的质量比。铝率高，熟料中铝酸三钙多，液相粘度大，物料难烧，水泥凝结快。铝率过低，虽然液相粘度小，有利于C3S的形成，但易结大块。

§2-3硅酸盐水泥熟料的煅烧一、干燥与脱水（一）干燥在入窑生料中都含有一定量的水分，干法窑生料含水分一般不超过1%，立窑生料约含水分12～15%，湿法窑料浆水分为30～40%。生料入窑后，物料温度逐渐升高，当温度升高到100～150℃时，生料中的水分全部被排除，这一过程称为干燥过程。每1kg水蒸发潜能热高达2257KJ（100℃），湿法生产，蒸发水消耗了35%的总热。因此降低料中水分的含量，可以降低热耗。（二）脱水脱水主要脱矿物的化合水。对于水泥中所用粘土矿，它的化合水有两种：一种是晶体配位水——即结晶水，另一种是以分子状态吸附的水。对于这两个概念，大家是比较熟的。吸附水——脱水温度100℃就可脱去。配位水则必须在较高的温度下才能脱去，400～600℃。二、碳酸盐分解生料中的碳酸盐（CaCO3MgCO3），在锻烧过程中会出现分解：△MgCO3MgO+CO2590℃△△CaCO3CaO+CO2890℃△当锻烧温度达到各自的分解温度以后，分解反应开始。三、固相反应在碳酸盐分解的同时，物质已经相互扩散，进行固相反应。800℃CaO+Al2O3→CaO·Al2O3（CA）CaO+Fe2O3→CaO·Fe2O3（CF）2CaO+SiO2→2CaO·SiO2（C2S）900～1100℃开始生成C3A、C4AF1100～1200℃大量生成C3A、C4AF、C2S含量达到最大。四、熟料的烧结当物料温度高到1250～1280℃，开始出现以氧化铝、氧化铁和氧化钙为主体的液相，硅酸二钙（C2S）和游离氧化钙都逐步溶解于液相中，形成硅酸三钙。液相C2S+CaOC3S液相（一）液相量液相量（liquidcontent）增加，则能溶解的氧化钙和硅酸二钙亦多，此时形成C3S就快。但是液相量过多，则煅烧时容易结大块，回转窑结圈，影响正常生产。液相量不仅与组分的性质，而且与熟料烧结温度等有关。一般熟料在烧结阶段的液相量为20～30%。（二）液相粘度液相粘度（liquidviscosity）直接影响硅酸三钙的形成速率和晶体的尺寸。粘度小，由粘滞阻力小，液相中质点的扩散速度增加，有利于硅酸三钙的形成和晶体的发育成长。反之，粘度大，则粘滞阻力大，不利于CaO和C2S的溶解扩散，C3S形成困难。C3S含量低，水泥强度小。（三）影响CaO溶解于熟料液相的速率因素CaO溶解于液相的多少和快慢直接关系到C3S的生成。影响CaO溶于液相的原因有哪些呢？主要有两个方面：1、熟料的烧成温度温度越高，溶解越快2、石灰石的颗粒大小颗粒越小越有利于溶解。水泥的最高烧成温度为1450℃。五、熟料的冷却熟料的冷却是指熟料中液相凝固的过程，从最高温度开始，T。在熟料的冷却过程中有液相的凝固和相变两个过程。（一）冷却速度对熟料质量的影响熟料的冷却要求快冷。a.冷却速度对晶型转变有影响C2S1160℃以上，α—C2S630～680℃α→βC2S500℃β—C2S→γ—C2Sγ—C2S，会使体积膨胀，并且无水硬性，或胶凝特性，无胶凝特性就失去了水泥的性质，冷却时避免β—C2S→γ—C2S的出现，快速冷却。b.避免C3S的分解硅酸三钙在1250℃以下不稳定，如果冷却速度慢，C3S→C2S+CaO（游离），使水硬性降低。提高冷却速度（υ）避免C3S的分解。c.避免方镁石晶体的出现方镁石晶体的出现对水泥的安定性影响较大。什么是水泥的安定性：它是指水泥在凝结硬化的过程中的体积变化情况。当体积产生剧烈变化（体积膨胀），即安定性不良。影响安定性的因素主要是熟料中有f-CaO和MgO。方镁石晶体大小，多少，对安定性影响很大。快速冷却，可使MgO来不及析晶而存在于玻璃相中，减少其危险性。（二）冷却改善熟料的易磨性急冷熟料的玻璃体含量较高，由于是急冷造成熟料产生内应力，而且熟料矿物晶体小，急冷粘度变化快，质点来不及迁移排列。不易形成晶体。料中有应力，加上外力很易碎，→易磨。（三）回收余热熟料从1300℃冷却，冷却用的是冷却机，进入冷却机的熟料尚有1100℃以上的高温，如把它冷却到室温，则有大量的热可利用。每千克熟料可回收837KJ/kg的热量。在水泥厂，这些热是用来加热二次空气来回收，二次空气温度的提高有利于窑内燃料的燃烧，提高热效率。节能、降耗在无机非金属材料工业中都是十分重要的。要想实现可持续性发展，必需从长远考虑。目前所消耗的能源大多是不可再生资源。

§2-4水泥生产工艺及设备一、水泥生产工艺流程水泥生产工艺流程按生料制备方法的不同可分为干法与湿法两大类。什么是生料，生料就是未经锻烧的物料。熟料是经过锻烧的物料。水泥的工艺流程人们形象地说成是“二磨一烧”。二磨是磨生料、磨熟料，一烧是生料煅烧成熟料。这里我们主要看两种工艺流程。一种是传统的立窑。另一种是窑外分解窑干法水泥工艺。1、机械化立窑水泥生产工艺流程接配方原料（石灰石）→破碎机与粘土、铁粉混合→烘干→原料库接配方（均化）与煤粉混合→生料磨→生料库→成球机（成球盘）→立窑中煅烧→熟料库→水泥磨（熟料磨）→水泥库→包装机。（均化）2、立窑的结构3、窑外分解窑干法水泥生产工艺流窑外分解是20世纪70年代出现的新技术。这一技术使熟料产量成倍提高，热耗也有较大幅度的下降。产品的质量高，性能好，已经在国内外大力提倡。目前我国政府对小水泥已经准备采取取缔。主要是小水泥能耗高，浪费大。干法水泥生产工艺流程为：碎石库一级破碎二级破碎矿山上的原料（石灰石）碎石库一级破碎二级破碎矿山上的原料（石灰石）预均化堆场计量矿山上采的粘土预均化堆场计量矿山上采的粘土计量计量铁粉烘干

烘干气力提升生料磨气力提升生料磨4、结构图回转窑的烧成温度曲线

§2-5特性水泥和专用水泥水泥的品种很多，不可能对所有的品种一一作详细介绍，只能介绍其中的少数几种。一、快硬和特性硬水泥（一）快硬硅酸盐水泥凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以3天抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥。一般的水泥28天的抗压强度表示标号。425水泥28天的抗压强度42.5MPa525水泥28天抗压强度52.5MPa快硬水泥3天的抗压强度表示标号425水泥3天的抗压强度42.5MPa快硬水泥生产方法与硅酸盐水泥基本相同，结构中C3S、C3A的含量高一些。水化胶凝的成分多了有利快凝、快硬。快硬水泥熟料中C3S的含量比普通的高10%左右。快硬水泥的用途早期高强水泥，主要用于抢修工程，水下的工程，军事工程等。（二）特快硬水泥特快硬水泥是一种短时间就能发挥很高强度的水泥。它的硬化速度比快硬水泥更快。1天的抗压强度可达20MPa。主要用于海港的施工，堵漏等。二、装饰水泥装饰水泥指白水泥和彩色水泥。硅酸盐水泥的颜色主要由氧化铁引起的。氧化铁含量颜色0.35～0.42%白色0.45～0.7%淡绿色3～4%暗灰色另外有其它的一些颜料，氧化锰、氧化钴、氧化钛。MnO2—红、淡红、褐色CoO2—兰色TiO2—棕色目前所见到的广场砖，各种各样的颜色，就是在白水泥中掺入各种各样的着色剂或颜料而制成的。三、油井水泥油井水泥专用于油井、气井的固井工程，对称堵塞水泥。它的主要作用是套管与周围的岩层胶结封固，避免水、气→油通道，形成一条从油层流向地面的油流通道。四、高铝水流以铝酸钙为主，氧化铝含量约50%的熟料，制成的水硬性胶凝材料，称为高铝水泥。高铝水的主要矿物是CA，耐高温性能好。高铝水泥主要用于：各种高温炉内衬。如耐热混凝土；锡槽等。

§2-6粉磨工艺在水泥工艺中很大的精力和过程都花在粉磨。粉磨的效率高低，质量的好坏直接关系列产品的质量和生产效率。物料的粉磨作业是在外力作用下，通过冲击，挤压、研磨等克服物体变形时的应力与质点之间的内聚力。使物料细粉化。在水泥生产中，每生产1吨水泥需要粉磨各种物料达到3吨。粉磨电耗占水泥生产总电耗的60～70%，因此，提高粉磨效率，提高有效功的利用是改进粉磨作业的最重要的课题。一、粉磨系统和粉磨设备（一）粉磨系统粉磨系统有开路和闭路两种。开路系统：在粉磨过程中，当物料一次通过磨机后即为产品时，称为开路系统。开路系统的优点：流程简单，设备少，投资者，操作维护方便。闭路系统：当物料出磨后经过分级设备选出产品，粗料返面磨机内再磨。闭路系统流程较复杂，设备多，投资大。（二）生料粉磨系统生料粉磨可以分为湿法和干法两大类。设备主要是钢球球磨机。二、提高粉磨系统产量、质量、降低消耗的主要途径在粉磨过程中，怎样实现优质、高产，低消耗是粉磨系统最重要的问题。（一）粉磨设备的大型化粉磨设备的大型化，不仅可以提高劳动生产率，降低单位产品投资，易于管理，有利于自动化。（二）喂料的均匀性，入磨物料的温度与水分1、喂料的均匀性喂料量应当保持稳定，不能时多时少，保持喂料稳定均匀才能保证产量质量达到要求。时多时多——粒度会受到影响。时大，时小，另外对设备地有影响。2、入磨物料温度常温物料入磨对生产影响不大。但物料温度较高时，会对生产产生较大的影响。试验表明：要达到同样的产量质量、物料温度>50℃，产量下降5～8%。3、入磨物料水分入磨物料水分的多少对产量也有很大的影响。物料水分为4%时，产量会下降20%以上。严重时会粘堵隔仓板的篦缝，使物料很难通过，降低效率。水分一般控制在1.0～1.5%为宜。三、助磨剂1、助磨剂的作用在粉磨中，加入少量的外加剂，可以消除细粉的粘附和聚集现象，加速物料粉磨过程，提高粉磨效率，降低单位粉磨电耗，提高产量。外加剂称为称助磨剂，主要是一些表面活性物质。2、助磨剂的品种亚硫酸盐纸浆废液三乙醇胺下脚料乙二醇丙二醇碳素物质一般外加剂不得超过1%。加入0.05～1%的助磨剂，可提高产量10～20%左右。

第三章陶瓷部分§3－1陶瓷的定义、分类与结构一、定义陶瓷（Ceramics）是我们日常生活接触较多，在国民经济中有许多重要应用的无机非金属材料之一。传统概念的陶瓷是指所有以粘土为主要原料，并与其它矿物原料经过破碎、混合、成型、烧成等过程而制得的制品。传统陶瓷的概念常指我们所见的日用陶瓷、建筑卫生陶瓷等普通陶瓷（ordinaryceramics）。随着社会的发展，出现了一类性能特殊，在电子、航空、生物医学等领域有广泛用途的陶瓷材料，称为特种陶瓷（spcialceramics）。特陶的原料不一定是粘土，而是其它的一些原料。下面看一上陶瓷的分类和品种：陶瓷的分类方法很多，下面我们从几个不同的角度看看陶瓷的分类。二、分类1、根据胶体特征分日用陶瓷陶器吸水率＞3％；胶体玻化程度差，结构不致密，断面粗糙。日用陶瓷瓷器吸水率≦3％；胶体玻化程度高，结构致密、细腻，断面呈石状或贝壳状。2、根据特征进一步细分吸水率％特征陶器精陶器＞15；不施釉，制作粗糙陶器日用陶瓷普通陶器≦12；断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够精细日用陶瓷细陶器≦10；断面颗粒较细，气孔较小，结构均匀，施釉，制作精细瓷器炻瓷器≦3；透光性差，断面呈石状，制作精细瓷器普通瓷器≦1；有一定透光性，断面呈石状或贝壳状，制作较细细陶器≦0.5；透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细3、按用途分餐具：碗、盘、碟、壶日用陶瓷茶具：日用陶瓷酒具：陈设瓷（美术瓷）、花瓶、灯具等建造卫生陶瓷建筑陶瓷：玻化砖、彩釉砖、锦砖、外、内墙砖建造卫生陶瓷卫生陶瓷：洗面器、水箱、洗涤器低压电瓷：用于1KV以下的电瓷电瓷高压电瓷：用于1KV以上的电瓷，如普通高压电瓷超高压电瓷：用于500KV以上的电瓷耐酸容器：酸洗槽、电解槽化工瓷耐酸机械：耐酸离心泵化工瓷化学瓷：研钵、瓷坩埚、蒸发器以上是普通陶瓷或日用陶瓷的分类，对于特种陶瓷的分类，一般是根据功能分。4、按功能分性能用途热学功能耐热性火箭、航天器热学功能隔热性Al2O3纤维、空心球硬度、耐磨性切削工具、Al2O3、金刚石力学性能高强度发电机、发动机叶片力学性能低膨胀精密机械零件生物功能生物适应性人工骨骼、牙齿生物功能催化剂载体SiO2、沸石（多孔）生物反应器石英玻璃导电性电阻发热体SiC棒MoSi2棒压电性点火元件Pb(Zr、Ti)O3电磁功能半导性热敏电阻、太阳电阻电磁功能磁性微型电机的电子刷介电性低频用电容核反应堆材料核燃料UO2、UC核反应堆材料核燃料包覆材料C、SiC三、陶瓷材料的键性陶瓷材料是无机非金属材料的一大类别，所以在键性上与其它的无机非金属材料有相似的地方。陶瓷材料的键性主要是离子键与共价键，而且往往是两种键杂交在一起。在绪论中提到的公式：如岛状硅酸盐中，阳离子和硅氧四面体是以离子键相联。而四面体中Si-O键是共价键与离子键的混合键。－O－－O－－O－－O－Si－O－Si－O－Na－O－－O－－O－CaCa－O多数氧化物以离子键相结合，而一些非金属的碳化物、氮化物中，共价键占主导地位。如SiC的强共价键相结合，由于共价键的作用使其硬度大，耐高温。四、陶瓷烧结体的显微结构陶瓷的显微结构是与陶瓷的组成及其加工工艺过程有密切关系的。对于大多数的陶瓷其显微结构基本上是这样的。

§3－2陶瓷原料普通陶瓷所用的原料大部分是天然矿物原料，主要是具有可塑性的粘土类原料；以长石为代表的熔剂类原料和以石英为代表的瘠性类原料。另外还有辅助原料、色料等。一、粘土粘土类原料是日用陶瓷的主要原料之一。在细瓷配料中粘土原料的用量常达40－60％。风化粘土是多种微细的矿物的混合体，其矿物的粒径多数小于2μm，粘土矿物主要是一些含水铝硅酸盐矿物，风化Al2Si2O5(OH)4（高岭石）高岭土。高岭土首先是在瓷都江西景德镇东部的高岭村的山头发现的，所以称为高岭土。国际上也都这么叫。高岭土写成化学式为Al2O3·2SiO2·2H2O，其质量百分比为：Al2O3SiO2H2O39.53％46.51％13.96％当然还有其它类型的粘土。如：山东的博山、江苏的宜兴、湖南粘土在陶瓷生产中的作用a.粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础。b.粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。c.粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。d.粘土是坯体烧结时的主体，粘土中的Al2O3含量决定着陶瓷的烧结程度、烧温度。二、石英类原料用于陶瓷工业的石英主要有砂岩、石英岩、石英砂等。这些矿物中它们的主要成分是SiO2，常含有少量杂质成分，如Al2O3、Fe2O3等成分要求：SiO2Al2O3Fe2O3Wt％96.5～99.50.3～1.50.1～0.5石英在陶瓷生产中的作用a.在烧结前，石英是瘠性原料，对泥料的可塑性起调节作用，防止坯体变形。b.在高温由于部分石英溶解于液相中，增加熔体的粘度。未溶解的石英颗粒，则构成骨架。可防止坯体变形。c.由于有石英颗粒存在可大大提高陶瓷坯体的强度。d.石英的存在，可使制品耐磨，耐化学浸蚀。三、长石类原料长石是陶瓷原料中最常用的溶剂性原料。长石主要有：溶融温度钠长石：Na2O·Al2O3·6SiO21120－1250℃钾长石：K2O·Al2O3·6SiO21130－1450℃钙长石：CaO·Al2O3·6SiO21250－1550℃长石在陶瓷生产中的作用a.长石在高温下熔融，形成粘稠的玻璃熔体。Na+K+有断网助熔作用。b.长石熔融后充填于各结晶颗粒之间，有助于坯体致密化。四、其它原料1、碳酸盐类原料这类原料的作用是在高温下起熔剂的作用。主要有CaO和MgO的原料。CaO主要由方解石、石灰石引入。MgO主要由菱镁矿引入MgCO3CaO、MgO可提高坯体的透明性和机械强度。2、滑石滑石的化学式为3MgO·4SiO2·H2O主要引入MgO。3、硅灰石硅灰石是偏硅酸钙类矿物，化学式为CaO·SiO2，引入CaO。

§3-3陶瓷成型一、陶瓷坯料的配制陶瓷坯料（bodymaterial）一般是由几种不同的原料配制而成的。性能不同的陶瓷产品其所有原料的种类和配比不同，也即所谓坯料组成或配方不同。1、确定坯料配方的原则a.充分考虑产品的物理性能和使用性能要求。b.参考他人的经验和数据。c.了解各种原料对产品性质的影响。d.应满足生产工艺的要求。e.了解各原料的品位、来源和到厂价格。2、坯体组成的表示方法a.配料量表示法配料量表示法又称为配料比表示法，就是直接用原料的名称表示。example高岭土石英长石滑石石灰石wt%5530357100gb.化学组成表示法用各种化学组成所占的质量百分比。example某陶瓷（釉面砖）SiO2Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2OAl2O3总计wt%64.150.710.397.491.840.880.2224.33100K2O、Na2O含量高时，坯体易烧结；SiO2、Al2O3含量高时，坯体难烧结；TiO2、Fe2O3含量高时，坯体有着色。c.示性矿物组成表示法前面我们提到陶瓷坯体有粘土、石英和熔剂类矿物原料组成。而用这三类矿物百分含量表示，称为示性表示法。Example粘土类矿物51％石英类矿物28％熔剂类矿物21％d.实验式表示法它采用的是氧化物的摩系数表示，知道了重量wt%，可以取100为基准。SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2O总计wt%64.1524.330.710.397.491.840.880.22100mol数然后以碱性、中性和酸性氧化物的顺序排列。Example，某玻化砖碱性0.026Fe2O30.974TiO0.026Fe2O30.974TiO20.196MgO··5.616SiO20.078CaO3、配料计算自学、内容比较多，学时不够4、坯料制备陶瓷坯料的制备主要有三种形式注浆坯料：其含水量28－35％，流动性好；浆体可以流动；可塑坯料：其含水率18－25％，泥团、泥饼；压制坯料：其含水率8－15％，压机、干压成型。注浆坯料注浆坯料一般是各种原料和添加剂在水中悬浮的分散体系。为了便于加工、贮存、输送、成型。注浆坯料应满足以下要求：a.流动性好，成型时能够充满到模型的各个部位。b.悬浮性好，浆料中各种团体颗粒在较长的时间里不沉淀，有利于输送、贮放。c.触变性适当：振动、搅动、泥浆粘度、流动性d.滤过性好，滤过性也算渗模性。水微化石膏脱出可塑性坯料a.良好的可塑性；不变形、开裂b.一定的形状稳定性；受重力（自身）重力不变形、不下塌。c.含水量适当。d.坯体的干燥强度和收缩率；干燥后，坯体强度不低于（1MPa）压制坯料a.流动性好；小颗粒、粉料短时间填满钢模的各个角落。b.堆积密度大堆积密度大，气孔就少c.含水均匀二、坯料制备的工艺流程原料（选料）→粗碎（颚破机）→料仓贮存→配料（根据配方称量）→中碎（轮碾机）→除铁→细磨（湿式球磨机）（加水和电解质）→过筛（电磁振动筛）→料浆→贮浆（泥浆池与搅拌机）→压滤（压滤机）→粗练→陈腐→精练→可塑泥条喷雾干燥塔→过筛→粉料仓→压制粉料泥浆罐（抽真空）→注浆用泥渔产三、成型方法拉坯法坛子、罐子挤压法各种管、棒子塑性成型旋坯盆、碗滚压法盘子注塑各种形状轧膜薄片状制品手工注浆注浆成型压力注浆卫生陶瓷离心注浆热压铸成型电子工业用的瓷件压制成型压制成型内墙、外墙砖等静压成型瓷球、特陶四、釉料釉（glaze）是覆盖在陶瓷坯体表面上的一层近似玻璃态的物质。1、釉的作用a.使坯体对液体和气体具有不透过性；b.覆盖坯体表面给人以美感；c.防止玷污坯体，可洗刷；d.与坯体形成整体，改善坯体的性能（机械、热、电）2、釉的适应性坯釉适应性是指陶瓷坯体与釉层有相互适应的物理化学性质，以致釉面不剥脱、不开裂的性能。在工艺上主要是控制坯釉的膨胀系数。坯体和釉面有两种不适应。几种釉的配方（1）普通的釉配方SiO2Al2O3B2O3ZnOMgOCaOK2ONa2Omol数3.5880.4000.1270.0130.0320.8260.0140.115（2）釉面砖釉SiO2Al2O3B2O3ZnOMgOCaOK2ONa2OFe2O3ZrO2TiO2Mol%68.437.524.210.070.1213.431.932.890.070.300.01（3）乳浊剂SiO2Al2O3Fe2O3ZnOMgOCaOK2ONa2OSnO2TiO2Wt%58.0211.730.076.730.165.805.811.544.900.03（4）无光釉SiO2Al2O3B2O3ZnOMgOCaOK2ONa2OZrO2Mol数：1.6860.4520.0700.1580.3210.3870.0700.0640.1863、釉料配制原则a.釉料组成适应坯体的烧成工艺性能；b.要使釉层的物理化学性质与坯相适应；c.合理选择釉用原料。4、釉料制备釉料通常可分为生料釉和熔块釉两种。生釉料是将加工到一定粒度的釉用原料，按配方精确称量后，直接加水研磨（球磨机）。熔块釉将一些有毒的，易挥发的物料先制成熔块，再将熔块与适量粘土配成釉。（釉的配方）5、施釉目前施釉（glazing）的方法主要有三种形式：浸釉（dipping）、淋釉（curtaincoating）、喷釉（spraying）。浸釉法是将坯体浸入释浆。利用坯体的吸水性，使釉料附着。（罐、壶类）浇釉法是将釉浆浇于坯体上以形成釉层的方法。用于平面的，单面上釉。喷釉法是利用喷枪的压缩空气为动力。用于形状复杂的制品。五、压制粉料的制备（一）对粉料的工艺要求1、水分压制粉料分为干压和半干压两种。干压粉料：3%～6%含水率半干压粉料：7%～14%2、颗粒度干压粉料的颗粒直接影响坯体的致密度，收缩率和强度。一般颗粒度6400孔/cm2筛筛余0.5～1%压制料中团料（团粒）占30~50%。（二）粉料的制备流程1、普通造粒法将干粉混合以后，加入适量的水混合均匀后（混料机）过筛造粒。2、泥饼干燥打粉法将过滤后的泥饼燥干，再经打粉机破碎成一定的粒度，过筛后制成。3、喷雾干燥造粒法用喷雾器将制好的料浆喷入干燥塔进行干燥造粒。六、色料色料也称颜料或彩料，主要是着色剂+熔剂+添加剂着色剂（Co2O3、TiO2）熔剂（硅酸盐、硼酸盐或碱硅酸盐玻璃）添加剂（高岭土、石英、长石、氧化铝等）色料的作用坯体的着色；b、釉料的着色；c、绘制花纹图案。

§3-4陶瓷的干燥、烧成及烧成设备一、干燥干燥是从含水物料中排除所含水分的工艺过程。陶瓷坯体中含有大量的水分。注浆成型的卫生陶瓷坯体含水16%半干压成型的坯体含水7%1、干燥的作用制取符合成型要求水分的粉料；使成型坯体具有一定的强度，以便于运输加工；使坯体具有一定吸附釉浆的能力，以便施釉；能够顺利进行入窑烧成，从而提高烧成效率。2、物料中的水分物料中的水分主要有物理结合水和化学结合水两种。化学结合水相对比较牢固，一般要在300℃以上才能够排除。而物理结合水一般是一些吸附水，100℃就能排除。3、干燥工艺过程干燥主要包括三个阶段a、加热阶段物料受热后温度升高，当物料表面温度达到要求时，表面的水分蒸发。b、等速干燥阶段表面的水分蒸发排出，内部的水分补充上去，使水分的排出达到一个动态平衡。这时表面温度不变，干燥速率恒定。c、降速干燥阶段物料的含水量下降，内部扩散的速率赶不上表面蒸的速率。干燥速率逐渐降低。物料表面温度开始升高。在干燥过程中，坯体体积收缩。4、干燥设备二、陶瓷烧成陶瓷烧成分为一次烧成和二次烧成。一次烧成是将