第_11讲次课程名称：《矿物材料学基础》第五章耐火材料第二节耐火材料的生产过程本讲课程内容第三节氧化硅质耐火材料（或教材章节题目）第四节硅酸铝质耐火材料第五节碱性及尖晶石质耐火材料【目的要求】使同学们掌握耐火材料的生产过程，氧化硅质耐火材料、本讲课程目的硅酸铝质耐火材料、碱性及尖晶石质耐火材料各自的性能要求及重点、难点：重点】耐火材料的生产过程[难点】耐火材料烧成中的物理化学变化教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了耐火材料的性能，这节课我们讲一下耐火材料的生产过程以及不同耐火材料的生产及性能。。第二节耐火材料的生产过程原料加工配料洗料的混练干燥烧成成型、原料加工
1 课程名称：《矿物材料学基础》 第 11 讲次 本讲课程内容 （或教材章节题目） 第五章 耐火材料 第二节 耐火材料的生产过程 第三节 氧化硅质耐火材料 第四节 硅酸铝质耐火材料 第五节 碱性及尖晶石质耐火材料 本讲课程目的 要求及重点、难点： 【目的要求】使同学们掌握耐火材料的生产过程，氧化硅质耐火材料、 硅酸铝质耐火材料、碱性及尖晶石质耐火材料各自的性能。 【重 点】耐火材料的生产过程 【难 点】耐火材料烧成中的物理化学变化 教 学 内 容 【本讲课程的引入】上节课我们讲了耐火材料的性能，这节课我们讲一下耐火材料的生产过程以及不同耐火 材料的生产及性能。 第二节 耐火材料的生产过程 一、原料加工
有杂质的去杂；原料的精选、提纯和均化品位低的先选；成分不均匀的先均化；高纯度的可人工合成为了保证原料的高温体积稳定原料的搬烧性、化学稳定性和高强度。破粉碎的目的是制成不同粒级的颗粒及细粉，以便调整成分，进行级配，以获得致密的和具有一定结构的制品坏体。原料的破粉碎和分级分级是为了合理配料，二、配料1、组分配比A、主体原料B、辅助原料：纸浆、结合剂、水分2、粒度配比A、R*/R>7B、三组分最紧密堆积原则：两头大，中间小大：中：细=5:1:4=6:1:3=7:1:2成型性能干燥性能烧结性能偏析性易易易大颗粒不易易不易小颗粒不易不易三、混炼1、使水分均匀、颗粒组成均匀、原料成分均匀，并且可塑性1；2、设备：湿碾机、搅拌机、混砂机3、加料顺序：大颗粒一水、结合剂一细粉2
2 二、配料 1、组分配比 A、主体原料 B、辅助原料：纸浆、结合剂、水分 2、粒度配比 A、R 大/R 小 > 7 B、三组分最紧密堆积原则：两头大，中间小 大：中：细=5:1:4 =6:1:3 =7:1:2 成型性能 干燥性能 烧结性能 偏析性 大颗粒 易 易 不易 易 小颗粒 不易 不易 易 不易 三、混炼 1、使水分均匀、颗粒组成均匀、原料成分均匀，并且可塑性↑； 2、设备：湿碾机、搅拌机、混砂机 3、加料顺序：大颗粒→水、结合剂→细粉
4、有的泥料需困料3天，最长达1年。困料：把泥料堆在一起，在一定温度、湿度下放置一定时间，叫做~。作用：A、使水分通过毛细管作用达到均匀；B、使物料分散性、可塑性、结合性进一步提高；C、在潮湿环境中，细菌作用使有机质分解为有机酸，有机酸可起结合、润滑作用，使坏料均化。D、使某些物化反应继续进行，使反应完全。四、成型将泥料通过压力而具有一定形状、尺寸，并有一定致密度、强度的坏体的过程1、成型方法按含水量来分：半干法成型（水2~6%）可塑法成型（水10~16%）注浆法成型（水40%左右）振动成型：适用于大型制品熔铸成型：强度大、抗侵蚀能力强、成本高热压成型：把成型与烧成结合在一起同时进行（氮化硅刀具），致密度1等静压成型：通过对液体加压，再通过橡皮膜将其压力均匀的传给粉料，加压无方向性，容易压成形状复杂的制品。五、干燥目的：提高强度，保证烧成初期能够顺利进行干燥过程：传质：水分：内部→表面一空气传热：热介质一坏体设备：隧道干燥器、室式干燥器等3
3 4、有的泥料需困料 3 天，最长达 1 年。 困料：把泥料堆在一起，在一定温度、湿度下放置一定时间，叫做~。 作用： A、使水分通过毛细管作用达到均匀； B、使物料分散性、可塑性、结合性进一步提高； C、在潮湿环境中，细菌作用使有机质分解为有机酸，有机酸可起结合、润滑作用，使坯料均化。 D、使某些物化反应继续进行，使反应完全。 四、成型 将泥料通过压力而具有一定形状、尺寸，并有一定致密度、强度的坯体的过程。 1、成型方法 按含水量来分：半干法成型（水 2～6%） 可塑法成型（水 10～16%） 注浆法成型（水 40%左右） 振动成型：适用于大型制品 熔铸成型：强度大、抗侵蚀能力强、成本高 热压成型：把成型与烧成结合在一起同时进行（氮化硅刀具），致密度↑ 等静压成型：通过对液体加压，再通过橡皮膜将其压力均匀的传给粉料，加压无方向性，容易 压成形状复杂的制品。 五、干燥 目的：提高强度，保证烧成初期能够顺利进行 干燥过程：传质：水分：内部→表面→空气 传热：热介质→坯体 设备：隧道干燥器、室式干燥器等
六、烧成1、设备：隧道窑、倒焰窑+++++++101.2×2.2×1.6m粘土砖隧道窑系统图1.推车机；2.排烟机：3.烟窗：4.气幕风机；5.抽烟风兼一次风机；6.冷却送风机：7.燃料管间歇式倒焰窑1.窑室：2.燃烧室；3.档火墙；4.喷火口；5.吸火孔；6.支烟道：7.主烟道；8.窑门：9.窑孔顶；10.窑箍；11.看火孔（也可作取样孔）2、烧成中的物理化学变化A、坏体排除水分阶段（10~200℃）排除坏体中残存的自由水和吸附水，坏体中留下气孔，有利于下阶段反应进行
4 六、烧成 1、设备：隧道窑、倒焰窑 101.2×2.2×1.6m粘土砖隧道窑系统图 1.推车机；2.排烟机；3.烟囱；4.气幕风机； 5.抽烟风兼一次风机；6.冷却送风机；7.燃料管 间歇式倒焰窑 1.窑室；2.燃烧室；3.档火墙；4.喷火口；5.吸火孔； 6.支烟道；7.主烟道；8.窑门；9.窑孔顶； 10.窑箍；11.看火孔（也可作取样孔） 2、烧成中的物理化学变化 A、坯体排除水分阶段（10～200℃） 排除坯体中残存的自由水和吸附水，坯体中留下气孔，有利于下阶段反应进行
B、分解、氧化阶段（200~1000℃）排除化学结合水，碳酸盐或硫酸盐分解，有机物氧化燃烧。可能有晶型转变或少量低熔液相开始生成，坏体质量|气孔率C、液相形成和耐火相合成阶段（>1000℃）分解作用继续完成，T1，液相生成量1，nl，某些新耐火矿物开始形成，并进行溶解重结晶。由于液相的扩散、流动、溶解、沉析传质过程的进行，颗粒表面在液相表面张力的作用下，进一步靠拢促使坏体致密化，使强度1，体积！，气孔率！，烧结急剧进行。D、烧结阶段坏体中各种反应趋于完全、充分，液相数量继续增加，结晶相进一步成长而达到致密化，即所谓“烧结"。E、冷却阶段主要发生耐火相析晶，某些晶体晶型转变，玻璃相固化3、两种烧成机理A、固相烧结（高温、短时间）：主要靠内外质点扩散使质点相互接触反应生成新物质（如镁砖）B、液相烧结（低温、长时间）：主要靠液相粘性流动、界面能及毛细管的作用浸润颗粒、使颗粒靠近、移动，从而更加致密。（如粘土砖）第三节氧化硅质耐火材料一、SiO2的同素异形转变870°C1470°℃1710±10°℃α-石英-鳞石英二α·方石英二熔融石英急/个加11573°c1/163℃1i180~270°℃冷热B-鳞石英β-石英B方石英石英玻璃1117°℃C-鲜有英氧化硅转变时体积变化如表所示，鳞石英转变时体积变化较小，方石英较大，希望在烧成后硅砖中含有大量鳞石英，方石英次之，残余石英愈少愈好。5
5 B、分解、氧化阶段（200～1000℃） 排除化学结合水，碳酸盐或硫酸盐分解，有机物氧化燃烧。可能有晶型转变或少量低熔液相开 始生成，坯体质量↓气孔率↑ C、液相形成和耐火相合成阶段（>1000℃） 分解作用继续完成，T↑，液相生成量↑，η↓，某些新耐火矿物开始形成，并进行溶解重结晶。 由于液相的扩散、流动、溶解、沉析传质过程的进行，颗粒表面在液相表面张力的作用下，进 一步靠拢促使坯体致密化，使强度↑，体积↓，气孔率↓，烧结急剧进行。 D、烧结阶段 坯体中各种反应趋于完全、充分，液相数量继续增加，结晶相进一步成长而达到致密化，即所 谓“烧结”。 E、冷却阶段 主要发生耐火相析晶，某些晶体晶型转变，玻璃相固化。 3、两种烧成机理 A、固相烧结（高温、短时间）：主要靠内外质点扩散使质点相互接触反应生成新物质（如镁砖） B、液相烧结（低温、长时间）：主要靠液相粘性流动、界面能及毛细管的作用浸润颗粒、使颗 粒靠近、移动，从而更加致密。（如粘土砖） 第三节 氧化硅质耐火材料 一、SiO2的同素异形转变 氧化硅转变时体积变化如表所示，鳞石英转变时体积变化较小，方石英较大，希望在烧成后硅 砖中含有大量鳞石英，方石英次之，残余石英愈少愈好
氧化硅在转变时的体积变化计算转变效在此温度下的计算转变效应在此温度下的主要变体间的慢转变各种变体的快速转变的温度，℃应的温度，℃体积效应.%体积效应，%573870+16.0-石英α-石英-石英—α-鳞石英+0.82117+15.4-鳞石英→B-鳞石英+0.20石英方石英10001000163+15.5β-鳞石英α-鳞石英+0.20α-石英—+石英玻璃石英玻璃—→α-方石英1000-0.9β-方石英—→α-方石英180—270+3.70二、硅砖的生产1、原料：硅石（石英岩、石英砂岩、燧石岩）2、工艺流程：矿化剂一粉碎硅石→粗、中、细碎一筛分一配料→混合→成型→干燥一烧成一检验一成品→入库石灰一消化→石灰乳三、硅砖的性质和使用1、化学成分主要成分：SiO2:93-98%主要杂质：Al203、Fe2O3、少量矿化剂2、真密度和体积密度2.38g/cm3、1.8-1.95g/cm33、使用性质耐火度1690-1730℃：荷重软化温度：1620-1670℃；残余膨胀率不超过0.3-0.4%；耐热震性很差，850℃下水冷仅1-2次；酸性耐火材料，对酸性、弱酸、含腐蚀性成分的炉气具很强的抵抗力主要用于砌筑玻璃炉窑和焦炉。第四节硅酸铝质耐火材料硅酸铝质耐火材料是由Al2O3和SiO2及少量杂质所组成，根据其AlO:含量不同可分为：1、粘土质耐火材料(Al20330~46%）
6 二、硅砖的生产 1、原料：硅石（石英岩、石英砂岩、燧石岩） 2、工艺流程： 矿化剂→粉碎 硅石→粗、中、细碎→筛分→配料→混合→成型→干燥→烧成→检验→成品→入库 石灰→消化→石灰乳 三、硅砖的性质和使用 1、化学成分 主要成分：SiO2:93-98% 主要杂质：Al2O3、Fe2O3、少量矿化剂 2、真密度和体积密度 2.38g/cm3、1.8-1.95 g/cm3 3、使用性质 耐火度 1690-1730℃；荷重软化温度：1620-1670℃； 残余膨胀率不超过 0.3-0.4%；耐热震性很差，850 ℃下水冷仅 1-2 次； 酸性耐火材料，对酸性、弱酸、含腐蚀性成分的炉气具很强的抵抗力； 主要用于砌筑玻璃炉窑和焦炉。 第四节 硅酸铝质耐火材料 硅酸铝质耐火材料是由Al2O3和SiO2及少量杂质所组成，根据其Al2O3含量不同可分为： 1、粘土质耐火材料(Al2O3 30~46％)
2、高铝质耐火材料（A120>40%）3、半硅质耐火材料（Al203+Ti0265%）属弱酸性耐火材料，主要品种有：粘土砖和不定形耐火材料。、粘土质耐火材料1、原料产出状态杂质耐火粘土分散性和可塑性矿物成分硬质粘土较坚硬和致密长石、云母、铁质、含TiO2水润后，粘性及可塑性均高岭石（水铝石的块状岩石矿物较差，不易在水中分散和三水铝石）软质粘土基本松散的士具有很好的可塑性高岭石类矿物除上述杂质外，常含一些有状集合体机质、硫化物、硫酸盐、碳酸盐等。半软质粘土介于硬质和软质之间2、粘土质耐火材料的生产粘土的加热变化：450-550℃→AL,O,2SiO, +2H,01AL,O,-2SiO,-2H,0-Al,0,2SiO,→Al,0(无定形）+SiO（无定形）Al,0,(无定形)93-60℃>-Al,0,(结晶形)3-A10+6iO100-1200℃3A1,2Si,+4SO无定形）SiO,（无定形）1250-1800℃→SiO（方石英）综合反应式：3(Al,O,2SiO,-2H,O)450-3003AL,O,-2SiO, +4SiO,+6H,0
7 2、高铝质耐火材料 (A12O3＞40%) 3、半硅质耐火材料（Al2O3+TiO265%） 属弱酸性耐火材料，主要品种有：粘土砖和不定形耐火材料。 一、粘土质耐火材料 1、原料 耐火粘土 产出状态 分散性和可塑性 矿物成分 杂质 硬质粘土 较坚硬和致密 的块状岩石 水润后，粘性及可塑性均 较差，不易在水中分散 高岭石（水铝石 和三水铝石） 长石、云母、铁质、含TiO2 矿物 软质粘土 基本松散的土 状集合体 具有很好的可塑性 高岭石类矿物 除上述杂质外，常含一些有 机质、硫化物、硫酸盐、碳 酸盐等。 半软质粘土 介于硬质和软质之间 2、粘土质耐火材料的生产 粘土的加热变化： 综合反应式：
结合粘土粗碎、干燥、细磨成粉、调浆原料的准备熟料+结合粘土一混合料配料、混练与成型混练（困料再混练）、成型成型方法不同→坏体含水量不同→千燥不同干燥隧道窑将坏体烧结烧成隧道窑或倒焰窑3、粘土质耐火制品的性能及应用AL,O,含量越高、碱性氧化物含量越低，耐火度越高。耐火度特等>1750℃；一等1730℃；二等>1670℃，三等>1580℃高温耐压随Al0,含量的增加而增大，在1000-1200℃出现最大强度值，最高耐压强度大于58.8MIPa。在1250-1400℃间，低，是限制粘土质耐火材料在过高荷重软化温度下使用的主要原因之一。温度长期在高温下使用会产生残余收缩，一般不超过体积稳定性1%，因为有部分原料未完全形成稳定物相。很好。耐热震性多熟料粘土砖1100℃水冷循环达50次，甚至100次抗渣性抗弱酸性炉渣侵蚀的能力强，抗酸性和碱性炉渣弱。半硅质耐火制品Al203+TiO0265%的耐火材料主要制品：半硅砖和蜡石砖原料：叶腊石突出特点：在烧成时，体积膨胀与收缩变化的结果相互抵消，最终体积变化很小。9
8 3、粘土质耐火制品的性能及应用 二、半硅质耐火制品 Al2O3+TiO265%的耐火材料 主要制品：半硅砖和蜡石砖 原料：叶腊石 一突出特点： 在烧成时，体积膨胀与收缩变化的结果相互抵消，最终体积变化很小
主要特点：体积稳定性好，对酸性、弱酸性炉渣有较好的抵抗力，荷重软化变形温度较高。用途：盛钢桶内衬、燃烧室和高温烟道，寿命高于粘土砖。三、高铝质耐火材料定义：Al20:含量大于48%的硅酸铝质耐火材料。按Al20含量分为三个等级：I等：Al203>75%工等：Al20360-75%等：Al20348-60%应用：所用耐火材料中应用最广泛的一种，用于各种工业领域的窑炉和锅炉上，可提高炉窑的使用寿命（与粘土砖比），炉顶使用，比硅砖要好。1、原料（1）高铝矾土主要矿物：水铝石和高岭石不能直接用来制砖坏，必须经高温燈烧，三阶段如下：A、分解脱水及莫来石化阶段α-A,0,H,0_400-00℃→α-Al,O,+H,0个Al,O,-2SiO,2H,0~450-5℃→Al,0,-2SiO, +2H,0个3(Al,,250-13A,,2,+4B、二次莫来石化阶段2
9 主要特点： 体积稳定性好， 对酸性、弱酸性炉渣有较好的抵抗力， 荷重软化变形温度较高。 用途：盛钢桶内衬、燃烧室和高温烟道，寿命高于粘土砖。 三、高铝质耐火材料 定义：Al2O3含量大于48％的硅酸铝质耐火材料。 按Al2O3含量分为三个等级： Ⅰ等： Al2O3 >75% Ⅱ等： Al2O3 60-75% Ⅲ等： Al2O3 48-60% 应用：所用耐火材料中应用最广泛的一种， 用于各种工业领域的窑炉和锅炉上， 可提高炉窑的使用寿命（与粘土砖比）， 炉顶使用，比硅砖要好。 1、原料 （1）高铝矾土 主要矿物：水铝石和高岭石。 不能直接用来制砖坯，必须经高温煅烧，三阶段如下： A、分解脱水及莫来石化阶段 B、二次莫来石化阶段
3Al,0,+2SiO,1001500℃3A1,0,2SiO1500℃以上，料块致密化C、重结晶烧结阶段（2）蓝晶石、红柱石、硅线石A、加热性质3(Al,O,·SiO,)→3Al,O,-2SiO, +SiOB、耐火度：很高，1825℃C、具较高的机械强度和硬度D、抗化学侵蚀性强，甚至不溶氢氟酸应用：温度剧变部位，如高炉炉喉、出铁口等。2、生产工艺原料经高温熳烧成熟料破碎、细磨、筛分配料、混练、成型、干燥高温烧成>1500℃硅线石砖：硅线石可以不经高温搬烧直接作为脊料使用，以结合粘土或有机树脂作结合剂，经高压成型后在1500以上高温烧成。3、性质耐火度：1770~2000℃，随Al203含量的增加和杂质的减少而提高。荷重软化温度：1400~1900℃，比粘土砖高，比硅砖低导热性：很好，比粘土砖高耐热震性：介于粘土制品和硅质制品间抗渣性：既抗碱性渣又抗酸性渣。10
10 C、重结晶烧结阶段 1500℃以上，料块致密化 （2）蓝晶石、红柱石、硅线石 A、加热性质 B、耐火度：很高，1825℃ C、具较高的机械强度和硬度 D、抗化学侵蚀性强，甚至不溶氢氟酸 应用：温度剧变部位，如高炉炉喉、出铁口等。 2、生产工艺 硅线石砖：硅线石可以不经高温煅烧直接作为脊料使用，以结合粘土或有机树脂作结合剂，经高压成型后在 1500以上高温烧成。 3、性质 耐火度: 1770~2000℃，随Al2O3含量的增加和杂质的减少而提高。 荷重软化温度: 1400~1900℃，比粘土砖高，比硅砖低 导热性：很好，比粘土砖高 耐热震性：介于粘土制品和硅质制品间 抗渣性： 既抗碱性渣又抗酸性渣