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影響耐火磚燒結(jié)的四大因素

耐火磚的燒結(jié)一個(gè)復(fù)雜的、受多種因素制約的過程。影響耐火磚燒結(jié)的主要因素包括原料的性質(zhì)、添加劑、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間、燒成氣氛以及坯體的成型方法和壓力等。

　　一、原料的影響

　　原料對(duì)燒結(jié)的影響分為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。內(nèi)因是物料的結(jié)晶化學(xué)特性，外因則主要體現(xiàn)為所用原料的顆粒組成。物料晶體的晶格能是決定物料燒結(jié)和再結(jié)晶難易的重要參數(shù)。晶格能大的晶體，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，高溫下質(zhì)點(diǎn)的可移動(dòng)性小，燒結(jié)困難。晶體結(jié)構(gòu)類型也是一個(gè)重要影響因素，物料陽離子的極性低，則其形成的化合物的晶體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，必須在接近熔點(diǎn)的溫度下才有顯著缺陷，故該類化合物質(zhì)點(diǎn)的可移動(dòng)性小，不易燒結(jié)。耐火材料中Al2O3、MgO的晶格能高而極性低，故較難于燒結(jié)。

　　由微細(xì)晶粒組成的多晶體比單晶體易于燒結(jié)，因?yàn)樵诙嗑w內(nèi)含有許多晶界，此處是消除缺陷的主要地方，還可能是原子和離子擴(kuò)散的快速通道。離子晶體燒結(jié)時(shí)，正、負(fù)離子都必須擴(kuò)散才能導(dǎo)致物質(zhì)的傳遞和燒結(jié)。其中擴(kuò)散速率較慢的一種離子的擴(kuò)散速率控制著燒結(jié)速度。一般認(rèn)為負(fù)離子的半徑較大，擴(kuò)散速率較慢，但對(duì)Al2O3、Fe2O3的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，O2-通過晶界提供的通道快速擴(kuò)散，以致正離子Al3+、Fe3+的擴(kuò)散比氧離子慢，成為燒結(jié)過程控速步驟。

　　晶體生長(zhǎng)速度是影響燒結(jié)的另一個(gè)晶體化學(xué)特性。例如MgO燒結(jié)時(shí)晶體生長(zhǎng)很快，很容易長(zhǎng)大至原始晶粒的1000～1500倍，但其密度只能達(dá)到理論值的60%～80%。Al2O3 則不然，雖其晶粒長(zhǎng)大僅50～100倍，卻可達(dá)到理論密度的90%～95%，基本上達(dá)到充分燒結(jié)。為使MgO材料密度提高，必須抑制晶粒長(zhǎng)大的措施。

　　所用原料的粒度也是影響燒結(jié)致密化的重要因素，無論是固相燒結(jié)還是液相燒結(jié)，細(xì)顆粒均增加了燒結(jié)的推動(dòng)力，縮短了粒子擴(kuò)散的距離和提高了顆粒在液相中的溶解度而導(dǎo)致燒結(jié)過程的加速，有資料報(bào)道，MgO的原始粒度為20μm以上時(shí)，即使在1400℃長(zhǎng)時(shí)間保溫，僅能達(dá)到相對(duì)密度的70%而不能進(jìn)一步致密化;當(dāng)粒徑在20μm以下時(shí)，溫度為1400℃或粒徑為1μm以下，在1000℃時(shí)，燒結(jié)速度很快;如果粒徑在0.1μm以下時(shí)，其燒結(jié)速度與熱壓燒結(jié)相差無幾。

　　從防止二次再結(jié)晶的角度考慮，如果細(xì)粉內(nèi)有少量大顆粒存在，則易發(fā)生晶粒的異常長(zhǎng)大而不于燒結(jié)。一般氧化物材料適宜的***粒度為0.05～0.5μm。

　　原始材料的粒度不同，燒結(jié)機(jī)理有時(shí)也會(huì)發(fā)生改變。例如AIN的燒結(jié)，據(jù)報(bào)道，當(dāng)粒度為0.78～4.4μm時(shí)，粗顆粒按體積擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行燒結(jié)，而細(xì)顆粒則按晶界擴(kuò)散或表面擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行燒結(jié)。

　　二、添加劑的影響

　　在固相燒結(jié)時(shí)，少量添加劑(燒結(jié)助劑)可與主晶相形成固溶體促進(jìn)缺陷增加;在液相燒結(jié)時(shí)，添加劑能夠改變液相的性質(zhì)(如粘土、組成等)，因而能起促進(jìn)燒結(jié)的作用。添加劑的作用可能在于以下幾個(gè)方面：

　　1.形成固溶體。當(dāng)添加物與燒結(jié)物形成固溶體時(shí)，可以增加晶格缺陷，活化晶格，從而促進(jìn)燒結(jié)。一般來說，它們之間形成有限置換固溶體更有助于促進(jìn)燒結(jié)。添加劑離子的電價(jià)、半徑與主晶格離子的電價(jià)，半徑相差越大，晶格畸變程度也越大，促進(jìn)燒結(jié)的作用也越明顯。如Al2O3 燒結(jié)時(shí)，加入3%的Cr2O3形成連續(xù)固溶體可在1860℃燒結(jié)，而加入1%～2%TiO2只需在1600℃左右就能致密化。

　　2.阻止晶型轉(zhuǎn)變，有些氧化物在燒結(jié)時(shí)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變并伴有較大的體積效應(yīng)，這就難以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密化，并容易引起坯體開裂。這時(shí)若能選用適宜的添加劑加以抑制，即可促進(jìn)燒結(jié)。ZrO2燒結(jié)時(shí)添加一定量的CaO、MgO就屬這一機(jī)理。約在1200℃，m- ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)閠- ZrO2,并伴有約10%的體積收縮，使制品穩(wěn)定性變壞。引入電價(jià)比Zr4+低的Ca2+(或Mg2+)，可形成穩(wěn)定的立方螢石結(jié)構(gòu)的固溶體。這樣，既防止了制品的開裂，又增加了晶體中缺陷濃度，使燒結(jié)加快.

　　3. 抑制品粒長(zhǎng)大，燒結(jié)后期晶粒長(zhǎng)大，對(duì)促進(jìn)燒結(jié)致密化有重要作用。但若二次再結(jié)晶或間斷性晶粒長(zhǎng)大過快，會(huì)使晶粒變粗、晶界變寬而出現(xiàn)反致密化現(xiàn)象并影響制品的顯微結(jié)構(gòu)。這時(shí)，可通過加入能抑制品粒異常長(zhǎng)大的添加劑來促進(jìn)燒結(jié)，在燒結(jié)透明Al2O3 制品時(shí)，為抑制二次再結(jié)晶，消除晶界上的氣孔，一般加入MgO或MgF2，高溫下形成鎂鋁尖晶石包裹在Al2O3 晶粒表面，抑制了晶界遷移的速度，并促使氣孔的排出，對(duì)促進(jìn)坯體的燒結(jié)具有顯著的作用。

　　4. 形成液相。添加劑在燒結(jié)過程中形成液相。液相形成的原因可能在于兩方面：添加劑本身的熔點(diǎn)較低，添加劑與燒結(jié)物形成多元低共熔物;由于液相的傳質(zhì)阻力小、傳質(zhì)速度快，從而降低了燒結(jié)溫度和提高了坯體的密度。例如在制造95% Al2O3 陶瓷時(shí)，一般加入CaO和SiO2,當(dāng)CaO：SiO2=1時(shí)，由于生成CaO- Al2O3- SiO2液相，從而使材料在1540℃就能燒結(jié)。應(yīng)該指出的是，能促進(jìn)形成液相的添加劑并非都會(huì)促進(jìn)燒結(jié)，如向Al2O3 中加入部分堿金屬氧化物就會(huì)嚴(yán)重妨礙其燒結(jié)。另外，形成液要雖然有利于燒結(jié)，但會(huì)嚴(yán)重影響材料的高溫性能，故必須統(tǒng)籌考慮。

　　三、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間的影響

　　燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間是耐火磚燒結(jié)的重要外因。隨著溫度的升高，物料的蒸氣壓增加，擴(kuò)散系數(shù)增大，液相粘度降低，從而促進(jìn)了蒸發(fā)-凝聚，離子和空位的擴(kuò)散，顆粒重排和粘、塑性流動(dòng)等物質(zhì)傳遞過程，故使燒結(jié)速度加快。延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間也可促進(jìn)燒結(jié)的完成，然而在燒結(jié)后期，不合理地延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間，有時(shí)會(huì)加劇二次再結(jié)晶作用，反而得不到充分致密的制品。

　　耐火制品的燒成***溫度應(yīng)該控制在燒結(jié)溫度的范圍內(nèi)，在此溫度下應(yīng)保持適當(dāng)?shù)臒Y(jié)時(shí)間以使燒結(jié)完成，若繼續(xù)升高溫度會(huì)使坯體變形。

　　四、氣氛的影響

　　氣氛直接影響燒成效果和制品質(zhì)量、燒成氣氛一般可分為氧化性氣氛、中性氣氛和還原性氣氛，對(duì)于不同材質(zhì)的壞體應(yīng)選擇不同的氣氛，以保證坯體中物理化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行。燒結(jié)末期，耐火磚氣孔處于封閉狀態(tài)時(shí)，氣氛(氣孔中氣體的類型)對(duì)燒結(jié)是有影響的。研究Al2O3 的燒結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體在晶格中的溶解度很小而擴(kuò)散很慢時(shí)，則孤立的氣孔不易從壞體中排出。例如，Al2O3 在氬氣和空氣中的燒結(jié)就是這樣。相反，當(dāng)氣體在晶格中的擴(kuò)散速度足夠快時(shí)，則氣氛對(duì)燒結(jié)末期沒有影響。如果氣氛對(duì)控制結(jié)構(gòu)有一定的作用，則可擴(kuò)散而有利于燒結(jié)的進(jìn)行。

　　必須指出，燒成氣氛的影響到材料組成、燒結(jié)條件、添加劑的種類和數(shù)量等因素有關(guān)。因此，應(yīng)該針對(duì)不同問題進(jìn)行具體分析。

　　在實(shí)際燒結(jié)過程中，上述因素的影響是相互聯(lián)系、彼此制約的。在不同的條件下起主要作用的因素可能是不同的。