将耐火坯料借助于外力和模型,制成具有一定形状、尺寸和强度的坯体或制品的过程叫成型。
耐火砖成型方法很多,包括特殊耐火砖成型方法在内有数十种之多。
耐火砖的成型方法按坯料含水量的多少可分为以下三种;
半干法:坯料水分在5%左右。
可塑法:坯料水分在15%左右。
注浆法:坯料水分在d0%左右。 .
对于一般耐火砖,大多采用半干法成型。至于采用什么成型方法,主要取决于坯料性质、制品的形状、尺寸及工艺要求。可塑法有时用来制造大的异形制品。注浆法主要用来生产中空薄壁的高级耐火砖及特种耐火砖,如氧化物、熔融莫来石、石英陶瓷制品、含锆莫来石制品、纯镁质制品等。
除上述方法外,还有振动成型、500~1500℃的热压成型和等静压成型等。今天主要是介绍下耐火砖半干法成型方法。其他两种随后详细介绍。
一、半干法成型
半干法成型时,由于松散的物抖中水分较少,必须借助于较大压力的作用,使坯料颗料重新分布。在机械结合力、静电引力以及摩擦力的作用下,坯料颗粒紧密结合,发生弹性变形和脆性变形,排出空气,使坯料颗粒结合成具有一定形状和尺寸及一定强度的耐火砖。
以上各种力的作用程度,取决于颗粒形状、坯料物理一化学性质及颗粒表面状态。形状复杂的颗粒,机械结合力起主要作用;形状简单的颗粒,摩擦力及静电引力起主要作用。
在其它工艺条件相同的一定范围内,压制压力增高.坯体内的气孔率下降,密度增大,强度随之提高。
耐火砖的坯料和砖坯,都是由固体物质、水(或其它结合剂)和空气组成的三相系统。在整个压制过程中,固相和液相量没有改变,而坯料中空气的数量则由于压力的作用被压缩和减少,被压缩的坯料容积亦相应减少。
压制的过程可用压力一压缩曲线(图3—3)表示。压制是世按如下三阶段进行的。
(1)第一阶段,在压力的作用下,坯料中的颗粒开始移动,重新配置成较紧密堆积。该过程的特点是压缩明显。当压力增至某一数值后,进入第二阶段。
(2)第二阶段,颗粒发生脆性及弹性变形,此过程具有阶段特性,坯料的压缩呈阶梯式。坯料被压缩到一定程度后,即阻碍进一步压缩。当压力增加,达到使颗粒再度发生变形的外力时,由于颗粒的变形,才引起坯料的压缩,并伴随有坯体致密度增加。这种压缩及增压的阶段,变得短促而频繁。
(3)第三阶段,在极限压力下,坯料的致密度不再提高。由于压制压力用于克服颗粒之间的内摩擦力、颗粒与模壁间的外摩擦力以及被压坯料的变形,所以,物料内压力分布是不均匀的。随远离受压面压强逐渐降低,导致坯体的致密度和气孔率分布也不均匀。影响坯体均匀程度的因素很多,大致可归为如下几点:
①坯体的均匀程度随坯体内、外摩擦系数的降低而增高。
②坯体的均匀程度随受压面的增大,以及坯体厚度和周边长度的减小而提高。所以,双面、加压制品的密度较均匀。对一般耐火砖而言,其密度差允许有1%~2%。
③向坯料中引入某些塑化剂及表面活性剂,有助于提高坯体密度的均匀性。
④在一定范围内,坯料颗粒较粗,水分较大,有助于提高坯体密度的均匀性。
坯体被压制时,施加于坯体上的外力被与其方向相反、大小相等的内部弹力所均衡。内部弹性力不仅产生于施加方向,而且向其它所有方向发展(如侧向力),并为模壁所均衡。当外力取消时,内部弹性力被释放出来,使坯体力图在所有方向膨胀,这种作用称弹性后效。弹性后效在压制过程中往往是造成废品的直接原因。
压制时坯体受压方向(纵向)的压力数倍于横向,因而弹性后效在纵向上较大。压力取消后,坯体的横向膨胀被侧壁阻止,而纵向膨胀仅被侧壁的摩擦力抵消一部分。因而纵向呈现较大的膨胀,有的坯体纵向膨胀达1%~2%。由于这种不均匀膨胀和坯体本身的不均匀性,往往导致坯体产生层裂。耐火材料厂俗称“过压裂”,而实际上并非过压。试验研究表明,如果坯料性质非常均匀,采用液压机压制,即使压力高达100MPa也不会产生“过压裂”。
压制过程中坯体产生层裂,是一个非常复杂的过程。其影响因素多而复杂,如坯体本身的影响(颗粒组成,水分、可塑性等)和操作条件(如压机结构、加压操作情况等)的影响。以下讨论几方面的影响;
1.气相的影响
坯料中的气体在压制过程中大部分被排除,一部分被压缩。应当强调的是,压制时坯料体积的减少并不等于排出坯料中空气的体积。因为压制时尚有颗粒的弹性、脆性变形和空气本身的压缩。坯料中的气体能够增加物料的弹性变形和弹性后效。
如果压制过程中坏料内的空气未从模内排出,则被压缩在坯体内的空气的压力是很大的。计算结果表明,这样高的压力实际已超过了砖坯断裂的强度。所以残留在坯体内的空气是造成坯体层裂的重要原因。在其它条件相同的情况下,坯体内的空气量越多,压制时造成层裂的可能性越大。所以空气若不能从坯体中排出,则不可能得到优质产品。坯体内气相数量的多少,也与很多因素有关,如坯料成分、颗粒组成、混练和压制操作等工艺条件。但是颗粒组成是先决条件。
2.水分的影响
在半干压制坯料中水分太大会引起层裂。因为水的压缩性很小,具有弹性。在压力作用下,水从颗粒间隙处被挤入气孔内,当压力消除后,它又重新进入颗粒之间。总之,在水分过大时,水分是引起层裂的主要原因。
3.加压次数对层裂的影响
加荷卸荷次数增多,则残余变形逐渐减小。所以在条件相同的情况下,间断地卸荷比一次压制的密度高。
4.压制时间及压力的影响
在条件相同的情况下,慢慢地增加压力,即延长加压时间,也能得到类似压缩程度很大的结果。物料在持续荷载的作用下塑性变形很大,塑性变形的绝对值取决于变形速度。在任一级最终荷载下,缓缓加荷比快速加荷使坏体具有更大的塑性变形。
实践证明,坯体在压力不大但作用时间长的情况下加压,比大压力一次加压产生的塑性变形大。曾做过把粘土砖的加压时间增大了3倍的实验,其气孔率大约下降5%。
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