1、第七章 無機非金屬材料固化工藝固化工藝的作用及意義是提高產(chǎn)品性能，達到質(zhì)量標準要求，含干燥脫水、分解、相變、 共熔、熔融、溶解、結(jié)晶、相的凝固、剩余玻璃、燒結(jié)等一系列復雜的物理化學反應(yīng)。固化可分為加結(jié)合劑固化及變溫固化二大類。 結(jié)合劑是一種將礦物材料膠結(jié)成型并進一步凝結(jié)固化的粘結(jié)材料。結(jié)合劑的使用能保證各 種材料集合體能粘結(jié)成型，保證材料產(chǎn)品具有所要求的強度和功能性能。粘結(jié)劑一般可分為無機粘結(jié)劑和有機粘結(jié)劑及復合粘結(jié)劑三類。選擇使用時應(yīng)考慮：是否符 合制品性能的要求，保證制品質(zhì)量，來源盡可能廣泛，成本低，使用方便。第一節(jié) 無機結(jié)合劑一、無機膠凝材料無機膠凝劑分水硬性及氣硬性膠凝材料二大類（一）

2、常見的種類1、硅酸鹽水泥 （水硬性材料）原料種類，熟料成分，配料要求及調(diào)整：C3S+C2S 75%硅酸鹽礦物影響水泥強度和質(zhì)量C3A+C4AF疋25% 溶煤礦物一促進 C3S、C2S形成鋁酸鹽水泥（高鋁水泥） 、粉煤灰水泥、礦渣水泥、白色水泥、特種水泥等。 礦物組成 CA、 CA2、 C12A 7鈣英長石（ C2AS）、 C4AF。 在常溫下，高溫下均可作為粘結(jié)劑，在耐火材料中應(yīng)用廣泛。 要加速或延緩高鋁水泥硬化和改善作業(yè)性能，需用各種添加劑。2 、 石灰3、石膏（氣硬性膠凝材料）4、含水氯鎂鹽膠凝體，鎂質(zhì)膠凝材料是指苛性苦土（ MgO ）和苛性白云石，苛性苦土 由碳酸鎂加工，苛性白云石由白云

3、石加工。由蛇紋石可生產(chǎn)鎂質(zhì)膠凝材料，其它還有海水，冶 煉鎂合金的熔渣。菱鎂礦、白云石的煅燒細磨而得到鎂質(zhì)膠凝材料。 氯鎂礦在氧化鎂漿體中的作用：以氯化鎂溶液代替水作用MgO 的調(diào)和劑，可以提高鎂質(zhì)膠凝材料的性能。當滿足4 MgO/MgCI CaSO4+ 1/2H 2O不同的煅燒條件，脫水程度不同，可制得不同性能的熟石膏。 凹凸棒石、海泡石粘土特征：主要排出吸附水和結(jié)構(gòu)水。 鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁，水鎂石制造氧化鎂等均是脫水分解。 熱分解脫水主要是脫除結(jié)晶水或結(jié)構(gòu)水，并使礦物晶體結(jié)構(gòu)遭到不同程度的破壞。但滑石在 600oC 以上溫度下脫水后，晶格內(nèi)部可重新排列結(jié)合，形成偏硅酸和活性二氧化硅。 利用脫水

4、效應(yīng)生輕質(zhì)保溫材料。（三）氧化分解1. 碳酸鹽礦物的分解：0550-1000 CCaCO CaO+CQf550-7500CMgCO MgO+CO2 T600- 1 0500CCaMg（CO3）2 CaO+MgO+CO 2T連續(xù)反應(yīng)：CaO+H2O Ca（OH） 2 （消石灰）Ca（OH）2+CO CaCQ+HO （輕鈣制取所需化合物）。2. 硫酸鹽礦物的熱分解 硫化物、碳素及有機物的氧化增白機理之一。 一些粘土礦物中常含有一定的碳素，硫化物及有機物。碳素及有機物在6000C 以上才開始氧化：C+O2 CO2T其夾雜的硫化物的氧化反應(yīng)直至8000C 才基本結(jié)束：350FeS2+O24500C F

5、eS+SO f8000C 2Fe2O3+4SO2f5004FeS+7O3. 氧化鐵的分解 不同氣氛下，其分解溫度不同。注意：高溫氧化分解產(chǎn)物 CO、SQ及有機物氣體都必須要在氧化分解期充分逸散完畢，否 則在后期過程中引起氣泡破壞作用。(四) 分解熔融 硅酸鹽礦物高溫下熱解，轉(zhuǎn)變成新的結(jié)晶礦物，同時產(chǎn)生具有補充組分的液相異元熔融化合物。如：9259500C高嶺石 3 (Al 2Q3 2SiQ2) 3AI 2Q 2SiQ2+4SiQ2 (液相)堇青石(2MgQ. 2AI2Q 5SiQ2) 莫來石(3AI203 2SiQ2)+SiQ (液相)高溫液相的生成，對陶瓷、耐材、玻璃、鑄石等材料的制造過程有

6、著重要的作用。 熔劑化合物在燒成過程中可能生成的低共熔化合物的作用：降低熔融溫度、 節(jié)能、 加速結(jié)晶的形成。(五) 熔融1. 作用：重新結(jié)晶，制造纖維，有利成型，但與固化有關(guān)的是熔融后的重結(jié)晶作用。2. 概念：將固體礦物或巖石在熔點條件轉(zhuǎn)變?yōu)橐合喔邷亓黧w的工藝過程。3. 熔融的分類：( 1)單一成分的熔融 將單一成分的高純氧化物用電弧爐或高頻電爐或高頻電爐熔融，以獲得穩(wěn)定的結(jié)晶塊。如熔融AI2Q、ZrQ2高級耐火材料，熔融 SiQ2用于制造石英玻璃。( 2)復合成分的熔融 由兩種以上的被熔融物經(jīng)過相互熔融，使之發(fā)生高溫反應(yīng)的工藝過程，目的是生產(chǎn)各類材 料制品。被融物要事先按組分進行配料，然后對

7、配料混合物進行高溫熔融。 熔融玻璃 熔融耐火材料原料熔融T澆注至耐火模具中T凝固T結(jié)晶而成。如熔鑄鋯剛玉磚、熔爐鑄莫來石磚等，它與燒結(jié)法相比，致密，氣孔少，密度大，機械 強度，抗渣性好。 熔融鑄石 用于工業(yè)生產(chǎn)工藝設(shè)備中作耐磨材料及耐用酸堿材料 制造高鋁水泥（熔融水泥）鐵磯土 + 石灰石T完全溶化T爐外冷卻凝固為熟料T細磨成粉末。 熔融生產(chǎn)磷肥 人造礦物纖維4. 熔融工藝設(shè)備（ 1 ） 電弧爐高溫雙極碳棒電弧熔爐，溫度可達 2000C,由電源變壓器、電弧爐、空氣壓縮機三部分構(gòu) 成，主要用于生產(chǎn)耐火纖維。 工作原理 生產(chǎn)過程中主要影響因素（2）坩鍋窯原料盛在坩鍋內(nèi)熔制 它主要用于坩鍋法、拉絲、溫

8、度控制系統(tǒng)。（3）池窯 - 原料盛在窯池內(nèi)熔制 , 可直接對原料加熱，用火焰或電流加熱。 工藝流程原料自投料口投入t熔化受熱熔化和澄清t不斷沿縱向流動進入冷卻部（均化冷卻）t經(jīng)過成型通道分配至各成型部t引上成型為玻璃平板或經(jīng)供料通道給下步成型工序用（如器皿玻璃）。 設(shè)備結(jié)構(gòu)A. 熔化部下部為窯池 , 上部為火焰空間 , 窯池是配合料熔化成玻璃液并進行澄清的地方。B. 冷卻部是熔化好的玻璃液進一步均化和冷卻的部位 , 也是將玻璃液分給各供料通路的部位 , 也分 上部空間與窯池兩部分 , 結(jié)構(gòu)與熔化部分大致相同 ,但較為簡單。C. 成形部由冷卻部來的玻璃液 , 經(jīng)成形通路達到成形部。（六）燒結(jié)固化

9、1. 燒結(jié) 坯體及固體細粉料在高溫加熱時 , 隨著溫度的升高要發(fā)生一系列物理化學變化， 如膨脹、 收縮、氣體的產(chǎn)生、液相的出現(xiàn)、晶相的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)變、消失等。隨著這些變化 , 氣孔率降低、體積 密度增大、顆粒之間的結(jié)合力呈現(xiàn)最大值并開始互相固結(jié) , 使坯體變成具有一定尺寸形狀和結(jié)構(gòu) 強度的制品。 燒成過程中的一系列物理化學變化 , 形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和礦物相 - 稱為燒結(jié) （sintering） 。2. 燒結(jié)機理（ 1）液相燒結(jié) : 坯料在高溫下形成共熔物 , 然后降至低溫時生成玻璃相或結(jié)晶相而燒結(jié)。（ 2）固相燒結(jié) : 原料粉末加壓成型 , 加熱燒結(jié) , 燒結(jié)時原液相生成。共有二種 : 一是當有液相

10、存在時 , 依靠高溫相的粘結(jié)使顆粒之間固結(jié) , 常要添加結(jié)合劑或依 靠原料中含有的雜質(zhì)在高溫燒成時生成的液相作為玻璃質(zhì)結(jié)合劑；二是單一材料的燒結(jié)主要是 靠顆粒內(nèi)部的晶格滑移或塑性流動。3. 燒結(jié)方法（ 1）常壓燒結(jié) : 如硅酸鹽材料與制品（ 2）熱壓燒結(jié)：將粉末充填于模具內(nèi) , 在高溫下一邊加壓一邊燒結(jié)的方法。（ 3）氣氛燒結(jié) : 是在防止氧化的還原氣氛中進行的燒結(jié)。 如生產(chǎn)透光性燒結(jié)體及非氧化物的 燒結(jié)。（ 4）超高壓燒結(jié) : 與人合成金剛石相同 ,用于難于燒結(jié)物。（ 5）反應(yīng)燒結(jié) : 指通過化學反應(yīng)而燒結(jié)的方法。如燒結(jié)體就是在粉末中通入氯氣, 通過化學反應(yīng)燒結(jié)而成的。進一步浸漬和加添加劑來

11、謀求致密燒結(jié) , 則稱為二次反應(yīng)燒結(jié)。（ 6）低溫燒結(jié) : 添加結(jié)合劑使用于燒結(jié)微細粉料等。4. 適用于燒結(jié)固化的材料 耐火材料的燒結(jié)，陶瓷的燒結(jié)，純氧化物（制備精細陶瓷、陶瓷半導體）的燒結(jié)，石墨制 品的燒結(jié)，如石墨坩堝、石墨電極、碳/ 石墨軸承，金屬陶瓷（切削工具）的燒結(jié)。5. 坯體燒結(jié)和影響因素高溫下燒結(jié)時 , 高純物質(zhì)在燒結(jié)溫度下通常很少有液相出現(xiàn), 而多組分物系則常有液相熔出有無液相參加 , 燒結(jié)機理有原則區(qū)別。（ 1）物料的晶體化學特性晶格能大 ,鍵力強 , 陰離子極性低的化合物其晶格構(gòu)造穩(wěn)定 , 化合物質(zhì)點可動性較小 , 則不容 易燒結(jié)，如 Al 2O3,MgO 等。多晶體由于晶粒

12、邊界存在故比單晶體容易燒結(jié)。（ 2）物料的分散度物料分散度高，比表面積大 , 表面結(jié)構(gòu)缺陷多 , 表面自由能越大 , 質(zhì)點遷移可動性越大 , 則燒 結(jié)容易。（ 3）溫度和保溫時間 提高溫度和延長保溫時間 , 有利于燒結(jié)的進行。（ 4）物料顆粒的接觸情況和壓力的影響坯體致密 ,顆粒接觸良好有利于質(zhì)點的擴散 , 促進燒結(jié)。（ 5）加入物的作用 可加入對物料的燒結(jié)有促進作用的物質(zhì)。（ 6）液相的作用 液相的擴散、流動、溶解、沉析傳質(zhì)的作用 , 使顆粒在液相表面張力的作用下 , 進一步靠攏 19而促使坯體致密化 ,強度增大，體積縮小 ,氣孔率降低 , 燒結(jié)急劇進行。（ 7）氣相在燒結(jié)中的作用 揮發(fā)物氣相存在 , 不利于燒結(jié)。（ 8）氣氛的影響 要求不同材料 , 不同條件 , 對氣氛要不同。6. 實例 硅酸鹽制品高溫固化過程：（ 1）坯體排出水階段 （10-200 0 C） 排除自由水和部分吸附水，使坯體中留下氣孔具透氣性以利于下一階段反應(yīng)的進行。（ 2）分解、氧化階段 （200-1000 0C）, 坯體排出化學結(jié)合水 ,硅酸鹽或硫酸鹽分解