2.6 耐火材料的烧成
烧成是耐火材料生产的最后一道工序,也是耐火制品生产过程中最重要的工艺过程之一,它直接决定着制品的质量、产量、燃料消耗、成本和废品率等技术经济指标。
2.6.1 烧成过程及影响因素
耐火材料的烧成是一个非常复杂的高温过程,在此过程中配合料发生一系列的物理化学变化,如分解、脱水、相变、熔解、固相反应和烧结等,从而形成具有稳定的矿物组成和足够强度的致密烧结体(制品)。各种耐火材料在烧成过程中所发生的变化和反应可能各具特点,但基本过程大致相同。耐火材料烧成过程所发生的物理化学变化主要取决于坯体的化学矿物组成、烧成制度等。不同坯体的化学反应不尽相同,大致可以分为以下几个阶段。
(1)坯体排出水分阶段,温度为10~200℃,在此阶段,主要排出砖坯中残存的自由水和吸附水。
(2)分解、氧化阶段(200~1000℃),此阶段发生的物理化学变化因原料种类而异。发生化学结合水的排出、碳酸盐或硫酸盐分解、有机物的氧化燃烧等。此外,还可能发生晶型转变或生成少量液相。此时砖坯的质量减轻,气孔增多,强度也有较大变化。
(3)液相形成和新相生成阶段(1000℃以上),此阶段分解作用将继续完成,随着温度的升高液相量增加,液相黏度降低,开始形成某些新矿物相,并开始进行溶解重结晶。
(4)烧结阶段,坯体是由许许多多单个的固体颗粒所组成的,在砖坯中含有大量的气孔,在低于熔点的温度下对砖坯进行加热,砖坯中物质的质点会发生迁移,坯体将随时间的延长而发生收缩,变成致密的多晶体,强度和硬度具有增加,这种过程称为烧结。在烧结阶段,发生的主要变化是微粒或晶粒与气孔尺寸与形状的变化。在烧结完成时,气孔基本从坯体中消除,形成一定的矿相显微结构,使耐火材料具有特定的性能。烧结是烧成过程中最重要的物理化学过程,因此,有时把整个烧成过程也称为烧结过程。
(5)冷却阶段,从最高烧成温度至室温的冷却过程中,主要发生耐火相的析晶、某些晶相的晶型转变、玻璃相的固化等过程。在此过程中,砖坯的强度、密度、体积等均有相应的变化。
衡量烧结程度的理化指标主要有灼减、密度、体积密度、气孔率、吸水率、晶粒度、水化程度等。
耐火材料的烧结是一个复杂的、受多种因素制约的过程。影响烧结的主要因素包括原料的性质、添加剂、烧结温度和保温时间、烧成气氛以及坯体的成型方法和压力等。
2.6.2 烧成制度及工艺工程
2.6.2.1 烧成制度
烧成制度主要包括以下几个方面的内容:升温速率、最高烧结温度和保温时间、冷却方式和烧成气氛。耐火材料的烧成制度依其品种、形状、尺寸和烧成设备的不同而差异很大。
正确合理的烧成制度应以用最经济的方式烧出高质量的耐火制品为原则。故在制定烧成制度时应考虑产品的质量指标和经济指标两方面的内容。
(1)升温过程 从室温升至最高烧结温度的这段时间叫做升温期。在满足产品性能质量要求的前提下,升温速率应尽可能快些。但从产品大小和装窑方式考虑:对于大件、壁厚、结构复杂和厚薄不一的产品进行烧成时,升温速率应该慢些,以免由于局部温差过大、膨胀不一而引起变形或开裂。另外在升温时还应考虑坯体中有气体的排出、坯体成分存在晶型转变、液相的出现等因素适当放慢升温速率。
(2)最高烧结温度与保温时间 耐火制品的最高烧成温度和保温时间主要由所用原料的性质和使用条件下对制品的性能要求所决定。
在烧成过程中为使制品获得均一的烧成并使反应充分,在最高烧成温度下通常应进行必要时间的保温。一般认为保温时间越长,反应越充分。但反应速率随时间增长而减慢。这样更多地延长保温时间,必然使燃耗增大。通常在保证制品性能的前提下,缩短保温时间对节约能源具有重要意义。通常根据砖坯的烧成性、形状尺寸、窑温均匀性、装窑密度和高温时的升温速度来确定适宜的保温时间。
(3)降温方式 所谓降温方式是指制品烧好后的冷却速率及其相关的温度。针对于间歇式窑炉根据冷却速率的不同,可以采取保温缓冷、随炉冷却、淬火急冷。对于连续生产的窑炉,其降温速率完全取决于降温区的长度和结构。
2.6.2.2 烧成工艺过程
烧成工艺过程包括装窑、烧窑和出窑三道工序。
装窑的方法和质量对烧窑操作和制品的质量有很大的影响,它直接影响炉内制品的传热速率,燃烧空间大小及气流分布的均匀性,同时也关系到烧成时间和燃料的消耗量。装窑操作按照预先制定的装砖图进行,装砖图规定砖坯垛高度、排列方式、间距、不同品种的码放位置、火道的尺寸和数量等。
烧窑操作按照已确定的烧成制度进行。对间歇窑来说,烧成都要经过升温、保温和降温三个阶段,而连续式窑炉只需保持炉内各部位的温度和推车制度。烧成过程中,为了保证烧成温度和烧成气氛,还应注意保持炉内的压力制度。为了保证制品的质量和稳定性,应尽量消除和降低炉内温差。
将烧好的制品从炉内取出或从窑车上卸下的过程称为出窑。出窑操作时应注意轻拿轻放,避免出窑过程对制品的损伤,不同砖号和品种的制品应严格分开。
本章小结
耐火材料有许多品种,但不同品种的耐火材料的生产过程有许多共同之处。本章讨论了耐火材料生产过程的各个环节。通过对本章的学习,可以对耐火材料的生产过程有整体的认识和掌握,对于学习、理解耐火材料及指导耐火材料的制备及生产有着一定的指导意义。
思考题
1. 请说明定形耐火材料常规生产过程的各个环节?
2.原料选取和制备的目的及方法?
3.请说明耐火材料配料的基本原则及方法?
4.耐火材料的成型的目的和方法是什么?
5.请说明耐火材料干燥的目的和方法?
6.何为耐火材料的烧成?分析烧成过程耐火材料发生的物理化学变化?
7.耐火材料烧成制度包括哪些内容?