耐火原料工艺技术的发展

随着耐火原料工艺技术的进步，耐火材料工业所使用的原料从最初的天然原料，到经过精选加工的天然原料，再到按人们预定的要求而合成的耐火原料，从而使耐火材料的性能与寿命得以大幅度提高。耐火原料总的趋势一是高纯化，二是合成原料，三是发展耐火原料粉体技术。
（一）选矿与提纯
高纯原料是制造高质量耐火材料的前提。天然矿物原料通常有贫矿与富矿，成分不均匀，质量波动较大，直接用于耐火材料会给生产工艺带来麻烦并造成质量不稳定，有时甚至无法使用，因此需要经过选矿富集和分级。选矿的作用有：
①将矿石中的有用矿物和脉石矿物相互分离，富集有用矿物。
②除去矿石中的有害杂质。
③尽可能地回收有用的伴生矿物，综合利用矿产资源。
④对矿石或选矿产品进行粉磨加工，并分级为不同规格的产品。
选矿的主要方法有浮选、磁选、重选、电选（静电选）、光电选、手选、化学选矿、摩擦与跳汰选矿以及按粒度、形状与硬度的选矿等。对耐火原料来说采用何种选矿方法与各种选矿方法的组合，取决于原料中各种矿物的物理性质，如颗粒大小与形状、比重、滚动摩擦与滑动摩擦、润湿性、电磁性质、溶解度、加热性状等。目前，耐火原料的常用选矿方法列于表3-1-3中。 （二）耐火原料的煅烧
除某些原料外，大部分用作耐火材料骨料的原料都需经过高温煅烧。原料煅烧时产生一系列物理化学反应，对改善耐火材料的成分、矿物组成和组织结构，保证耐火制品的体积稳定性及外观尺寸的准确性都有十分重要的作用。表征物料烧结的指标有显气孔率、体积密度、吸水率等。
原料煅烧的最终目的是希望达到烧结。烧结是在高温中进行的，物料开始烧结的温度常与质点开始迁移的温度是一致的。烧结过程中常可或多或少出现液相。液相烧结与固相烧结的动力都是表面张力（或表面能）。烧结过程大致可分为三个阶段：
①颗粒重新排列产生在烧结过程中的少量液相包裹在颗粒的表面，并在两颗粒接触处形成颈部；
②颗粒溶解沉析原料中的固相与液相化学性质相似，液相湿润性好，对固相有一定的溶解能力。当烧结进行到一定程度才开始有溶解沉析现象发生；
③颗粒成长颗粒之间的胶结，液相填充孔隙，不同曲面间溶解沉析继续进行。
原料的纯度与烧结是一对矛盾。原料愈纯，烧结愈困难。例如高纯天然白云石真正烧结需要1750℃以上的高温：而经提纯的高纯镁砂，需1900~2000℃以上才能烧结。这显然给原料的煅烧设备、燃料消耗等带来一系列问题。此外，母盐假象也影响原料的烧结，例如我国辽东半岛菱镁矿较之山东半岛的菱镁矿难于烧结，乃前者母盐假象明显较多所致。因而人们研究采用多种方法来促进耐火原料的烧结。
1.降低物料的粒度
一般来说，原料越细，其比面积越大，表面能也越高，粉体表面及其内部出现的晶格缺陷也就越多。粉体活性高，增加了烧结推动力，缩短了原子扩散距离，提高了颗粒在液相中的溶解度。表3-1-5为粉体直径与表面积的关系。
2.活化烧结与二步煅烧
活化烧结即通过增加原料的活性而使其容易烧结。降低原料粒度其实也是一种活化方法。但是单靠机械方法来降低原料粒度是有限的，而且能量消耗也大大增加。采用化学方法也能提高物料的活性，如在碱性耐火原料中广泛使用的二步煅烧法，即轻烧——压球（制坯）——死烧，就非常有效。
二步煅烧法中，轻烧的目的在于活化晶格。比如菱镁矿的轻烧，在600℃出现等轴晶系方镁石，650℃时非等轴晶系方镁石出现，等轴晶系方镁石逐渐消失，850℃时完全消失。这些方镁石的晶格缺陷较多，活性高，在高温下扩散作用强，促进烧结。轻烧温度对原料的活性影响很大，它直接关系到最终熟料的烧结温度与体积密度。对于已确定的物料，总有一个最佳的轻烧温度。轻烧温度过高会使结晶度增加，晶粒变大，比表面积和活性下降；温度过低则可能有残留的未分解的母盐存在而妨碍烧结。
二步煅烧法不但为制备高纯高密度镁砂、合成镁白云石砂开辟了新途径，而且对其它难以致密化的原料烧结作用也很大。堇青石烧结范围狭窄，约30℃左右，以高岭土、滑石和氧化铝为原料煅烧合成堇青石过程中有大量结构水排出，烧结体易形成多孔结构，要得到致密高纯度的合成堇青石熟料十分困难。研究发现，在1000℃*4小时的条件下对配料进行轻烧，即可产生约25%的结晶程度较差的堇青石。再在1390~1450℃下烧结即可得到性能良好的堇青石熟料，对提高堇青石窑具性能十分明显。
二步煅烧与一次烧结相比，其工艺过程复杂，燃料消耗大，成本高。因而对于纯度不高或者结晶水量与煅烧后产生气体量不大的原料，不必强调采用二步煅烧工艺。
3.添加物促进烧结
在目前耐火原材料的烧结研究中广泛应用。在固相烧结中，少量添加剂可与烧结相生成固溶体，促进缺陷增加而加速烧结；在有液相参加的烧结中，添加剂能改善液相的性质而促进烧结。对已确定的原料，选择何种添加剂，关键看添加剂能否起到以下几方面的作用：
①与烧结相形成固溶体；
②与烧结相形成化合物；
③与烧结相形成液相；
④阻止多晶转变；
⑤扩大烧结温度范围。