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    影响耐火浇注料烧结的因 素及改良方法
    时间: 2017-03-20 17:51:56来源: 西安聚源新型耐火材 料有限公司

    耐火浇注料的烧结盟一个复杂的、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。

    一、原料的影响

    原料对烧结的影响分为内因 和外因 两个方面。内因 是物料的结晶化学特性 ,外因 则主要体现为所用原料的颗粒组成。物料晶体的晶格能是决定物料烧结和再结晶难易的重要参数。晶格能大的晶体 ,结构较稳定 ,高温下质点的可移动性小 ,烧结困难。晶体结构类型也是一个重要影响因 素 ,物料阳离子的极性低 ,则其形成的化合物的晶体结构较稳定 ,必须在接近熔点的温度下才有显著缺陷 ,故该类化合物质点的可移动性小 ,不易烧结。耐火材 料中Al2O3、MgO的晶格能高而极性低 ,故较难于烧结。

    由微细晶粒组成的多晶体比单晶体易于烧结 ,因 为在多晶体内含有许多晶界 ,此处是消除缺陷的主要地方 ,还可能是原子和离子扩散的快速通道。离子晶体烧结时 ,正、负离子都必须扩散才能导致物质的传递和烧结。其中扩散速率较慢的一种离子的扩散速率控制着烧结速度。一般认为负离子的半径较大 ,扩散速率较慢 ,但对Al2O3、Fe2O3的实验一研究发现 ,O2-通过晶界提供的通道快速扩散 ,以致正离子Al3+、Fe3+的扩散比氧离子慢 ,成为烧结过程控速步骤。

    晶体生长速度是影响烧结的另一个晶体化学特性。例如MgO烧结时晶体生长很快 ,很容易长大至原始晶粒的1000~1500倍 ,但其密度只能达到理论值的60%~80%。Al2O3则不然 ,虽其晶粒长大仅50~100倍 ,却可达到理论密度的90%~95% ,基本上  达到充分烧结。为使MgO材 料密度提高 ,必须抑制晶粒长大的措施。

    所用原料的粒度也是影响烧结致密化的重要因 素 ,无论是固相烧结还是液相烧结 ,细颗粒均增加了烧结的推动力 ,缩短了粒子扩散的距离和提高了颗粒在液相中的溶解度而导致烧结过程的加速 ,有资料报道 ,MgO的原始粒度为20μm以上  时 ,即使在1400℃长时间保温 ,仅能达到相对密度的70%而不能进一步致密化;当粒径在20μm以下时 ,温度为1400℃或粒径为1μm以下 ,在1000℃时 ,烧结速度很快;如果粒径在0.1μm以下时 ,其烧结速度与热压烧结相差无几。

    从防止二次再结晶的角度考虑 ,如果细粉内有少量大颗粒存在 ,则易发生晶粒的异常长大而不于烧结。一般氧化物材 料适宜的粉末粒度为0.05~0.5μm。

    原始粉末的粒度不同 ,烧结机理有时也会发生改变。例如AIN的烧结 ,据报道 ,当粒度为0.78~4.4μm时 ,粗颗粒按体积扩散机理进行烧结 ,而细颗粒则按晶界扩散或表面扩散机理进行烧结。

    二、添加剂的影响

    在固相烧结时 ,少量添加剂(烧结助剂)可与主晶相形成固溶体促进缺陷增加;在液相烧结时 ,添加剂能够改变液相的性质(如粘土、组成等) ,因 而能起促进烧结的作用。添加剂的作用可能在于以下几个方面

    1、形成固溶体。当添加物与烧结物形成固溶体时 ,可以增加晶格缺陷 ,活化晶格 ,从而促进烧结。一般来说 ,它们之间形成有限置换固溶体更有助于促进烧结。添加剂离子的电价、半径与主晶格离子的电价 ,半径相差越大 ,晶格畸变程度也越大 ,促进烧结的作用也越明显。如Al2O3烧结时 ,加入3%的Cr2O3形成连续固溶体可在1860℃烧结 ,而加入1%~2%TiO2只需在1600℃左右就能致密化。

    2、阻止晶型转变 ,有些氧化物在烧结时发生晶型转变并伴有较大的体积效应 ,这就难以实现烧结致密化 ,并容易引起坯体开裂。这时若能选用适宜的添加剂加以抑制 ,即可促进烧结。ZrO2烧结时添加一定量的CaO、MgO就属这一机理。约在1200℃ ,m-ZrO2转变为t-ZrO2,并伴有约10%的体积收缩 ,使制品稳定性变坏。引入电价比Zr4+低的Ca2+(或Mg2+) ,可形成稳定的立方萤石结构的固溶体。这样 ,既防止了制品的开裂 ,又增加了晶体中缺陷浓度 ,使烧结加快。

    3、抑制品粒长大 ,烧结后期晶粒长大 ,对促进烧结致密化有重要作用。但若二次再结晶或间断性晶粒长大过快 ,会使晶粒变粗、晶界变宽而出现反致密化现象并影响制品的显微结构。这时 ,可通过加入能抑制品粒异常长大的添加剂来促进烧结 ,在烧结透明Al2O3制品时 ,为抑制二次再结晶 ,消除晶界上  的气孔 ,一般加入MgO或MgF2 ,高温下形成镁铝尖晶石包裹在Al2O3晶粒表面 ,抑制了晶界迁移的速度 ,并促使气孔的排出 ,对促进坯体的烧结具有显著的作用。

    4、形成液相。添加剂在烧结过程中形成液相。液相形成的原因 可能在于两方面:添加剂本身的熔点较低 ,添加剂与烧结物形成多元低共熔物;由于液相的传质阻力小、传质速度快 ,从而降低了烧结温度和提高了坯体的密度。例如在制造95%Al2O3陶瓷时 ,一般加入CaO和SiO2,当CaO:SiO2=1时 ,由于生成CaO-Al2O3-SiO2液相 ,从而使材 料在1540℃就能烧结。应该指出的是 ,能促进形成液相的添加剂并非都会促进烧结 ,如向Al2O3中加入部分碱金属氧化物就会严重妨碍其烧结。另外 ,形成液要虽然有利于烧结 ,但会严重影响材 料的高温性能 ,故必须统筹考虑。

    三、烧结温度和保温时间的影响

    烧结温度和保温时间是耐火材 料烧结的重要外因 。随着温度的升高 ,物料的蒸气压增加 ,扩散系数增大 ,液相粘度降低 ,从而促进了蒸发-凝聚 ,离子和空位的扩散 ,颗粒重排和粘、塑性流动等物质传递过程 ,故使烧结速度加快。延长烧结时间也可促进烧结的完成 ,然而在烧结后期 ,不合理地延长烧结时间 ,有时会加剧二次再结晶作用 ,反而得不到充分致密的制品。

    耐火制品的烧成最高温度应该控制在烧结温度的范围内 ,在此温度下应保持适当的烧结时间以使烧结完成 ,若继续升高温度会使坯体变形。

    四、气氛的影响

    气氛直接影响烧成效果和制品质量、烧成气氛一般可分为氧化性气氛、中性气氛和还原性气氛 ,对于不同材质的坏体应选择不同的气氛 ,以保证坯体中物理化学反应的顺利进行。烧结末期 ,当气孔处于封闭状态时 ,气氛(气孔中气体的类型)对烧结是有影响的。研究Al2O3的烧结时发现 ,当气体在晶格中的溶解度很小而扩散很慢时 ,则孤立的气孔不易从坏体中排出。例如 ,Al2O3在氩气和空气中的烧结就是这样。相反 ,当气体在晶格中的扩散速度足够快时 ,则气氛对烧结末期没有影响。如果气氛对控制结构有一定的作用 ,则可扩散而有利于烧结的进行。

    必须指出 ,烧成气氛的影响到材 料组成、烧结条件、添加剂的种类和数量等因 素有关。因 此 ,应该针对不同问题进行具体分析。

    在实际烧结过程中 ,上  述因 素的影响是相互联系、彼此制约的。在不同的条件下起主要作用的因 素可能是不同的。

    回转窑中煅烧熟料的质量与产量 ,与很多因 素有关 ,如窑体结构、原料、燃料性质等 ,且在很大程度上  决定于操作技术水平。

    回转窑操作中应考虑下列原则:1)必须保证煅烧熟质量 ,烧后熟料应没有欠烧和过烧产品 ,熟料性能应符合耐火材 料生产的技术要求。2)保证窑能持续地、正常地、稳定地运转。因 为只有回转窑运转稳定 ,才能使产品产量和质量稳定。所谓运转稳定 ,是指只需变动很少的(或者全不变动)控制变量 ,而能保持窑的平衡状态。3)要求燃料完全燃烧 ,在提高燃烧热效率的同时提高传热速率。


    回转窑运转时应力求热工制度稳定。为此必须经常了解窑内情况 ,及时进行控制 ,以小变动克服大变动 ,保证生产在最适宜的条件下进行。

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