耐火原料為什么要經(jīng)過提純與煅燒后才能發(fā)揮更好的性能

　　隨著耐火原料工藝技術(shù)的進步，耐火材料工業(yè)所使用的原料從最初的天然原料，到經(jīng)過精選加工的天然原料，再到按人們預(yù)定的要求而合成的耐火原料，從而使耐火材料的性能與壽命得以大幅度提高。耐火原料總的趨勢一是高純化，二是合成原料，三是發(fā)展耐火原料粉體技術(shù)。

　　(一)選礦與提純

　　高純原料是制造高質(zhì)量耐火材料的前提。天然礦物原料通常有貧礦與富礦，成分不均勻，質(zhì)量波動較大，直接用于耐火材料會給生產(chǎn)工藝帶來麻煩并造成質(zhì)量不穩(wěn)定，有時甚至無法使用，因此需要經(jīng)過選礦富集和分級。選礦的作用有：

　　將礦石中的有用礦物和脈石礦物相互分離，富集有用礦物。

　　除去礦石中的有害雜質(zhì)。

　　盡可能地回收有用的伴生礦物，綜合利用礦產(chǎn)資源。

　　對礦石或選礦產(chǎn)品進行粉磨加工，并分級為不同規(guī)格的產(chǎn)品。

　　選礦的主要方法有浮選、磁選、重選、電選(靜電選)、光電選、手選、化學選礦、摩擦與跳汰選礦以及按粒度、形狀與硬度的選礦等。對耐火原料來說采用何種選礦方法與各種選礦方法的組合，取決于原料中各種礦物的物理性質(zhì)，如顆粒大小與形狀、比重、滾動摩擦與滑動摩擦、潤濕性、電磁性質(zhì)、溶解度、加熱性狀等。目前，耐火原料的常用選礦方法列于表1中。

　　(二)耐火原料的煅燒

　　除某些原料外，大部分用作耐火材料骨料的原料都需經(jīng)過高溫煅燒(如表3-1-4所列)。原料煅燒時產(chǎn)生一系列物理化學反應(yīng)，對改善耐火材料的成分、礦物組成和組織結(jié)構(gòu)，保證耐火制品的體積穩(wěn)定性及外觀尺寸的準確性都有十分重要的作用。表征物料燒結(jié)的指標有顯氣孔率、體積密度、吸水率等。

　　表2 死燒或煅燒一噸原料所需要的能量

　　原料煅燒的最終目的是希望達到燒結(jié)。燒結(jié)是在高溫中進行的，物料開始燒結(jié)的溫度常與質(zhì)點開始遷移的溫度是一致的。燒結(jié)過程中常可或多或少出現(xiàn)液相。液相燒結(jié)與固相燒結(jié)的動力都是表面張力(或表面能)。燒結(jié)過程大致可分為三個階段：

　　顆粒重新排列產(chǎn)生在燒結(jié)過程中的少量液相包裹在顆粒的表面，并在兩顆粒接觸處形成頸部;

　　顆粒溶解沉析原料中的固相與液相化學性質(zhì)相似，液相濕潤性好，對固相有一定的溶解能力。當燒結(jié)進行到一定程度才開始有溶解沉析現(xiàn)象發(fā)生;

　　顆粒成長顆粒之間的膠結(jié)，液相填充孔隙，不同曲面間溶解沉析繼續(xù)進行。

　　原料的純度與燒結(jié)是一對矛盾。原料愈純，燒結(jié)愈困難。例如高純天然白云石真正燒結(jié)需要1750以上的高溫：而經(jīng)提純的高純鎂砂，需1900~2000以上才能燒結(jié)。這顯然給原料的煅燒設(shè)備、燃料消耗等帶來一系列問題。此外，母鹽假象也影響原料的燒結(jié)，例如我國遼東半島菱鎂礦較之山東半島的菱鎂礦難于燒結(jié)，乃前者母鹽假象明顯較多所致。因而人們研究采用多種方法來促進耐火原料的燒結(jié)。

　　1.降低物料的粒度

　　一般來說，原料越細，其比面積越大，表面能也越高，粉體表面及其內(nèi)部出現(xiàn)的晶格缺陷也就越多。粉體活性高，增加了燒結(jié)推動力，縮短了原子擴散距離，提高了顆粒在液相中的溶解度。

　　2.活化燒結(jié)與二步煅燒

　　活化燒結(jié)即通過增加原料的活性而使其容易燒結(jié)。降低原料粒度其實也是一種活化方法。但是單靠機械方法來降低原料粒度是有限的，而且能量消耗也大大增加。采用化學方法也能提高物料的活性，如在堿性耐火原料中廣泛使用的二步煅燒法，即輕燒——壓球(制坯)——死燒，就非常有效。

　　二步煅燒法中，輕燒的目的在于活化晶格。比如菱鎂礦的輕燒，在600出現(xiàn)等軸晶系方鎂石，650時非等軸晶系方鎂石出現(xiàn)，等軸晶系方鎂石逐漸消失，850時完全消失。這些方鎂石的晶格缺陷較多，活性高，在高溫下擴散作用強，促進燒結(jié)。輕燒溫度對原料的活性影響很大，它直接關(guān)系到最終熟料的燒結(jié)溫度與體積密度。對于已確定的物料，總有一個最佳的輕燒溫度。輕燒溫度過高會使結(jié)晶度增加，晶粒變大，比表面積和活性下降;溫度過低則可能有殘留的未分解的母鹽存在而妨礙燒結(jié)。

　　二步煅燒法不但為制備高純高密度鎂砂、合成鎂白云石砂開辟了新途徑，而且對其它難以致密化的原料燒結(jié)作用也很大。堇青石燒結(jié)范圍狹窄，約30左右，以高嶺土、滑石和氧化鋁為原料煅燒合成堇青石過程中有大量結(jié)構(gòu)水排出，燒結(jié)體易形成多孔結(jié)構(gòu)，要得到致密高純度的合成堇青石熟料十分困難。研究發(fā)現(xiàn)，在1000*4小時的條件下對配料進行輕燒，即可產(chǎn)生約25%的結(jié)晶程度較差的堇青石。再在1390~1450下燒結(jié)即可得到性能良好的堇青石熟料，對提高堇青石窯具性能十分明顯。

　　二步煅燒與一次燒結(jié)相比，其工藝過程復(fù)雜，燃料消耗大，成本高。因而對于純度不高或者結(jié)晶水量與煅燒后產(chǎn)生氣體量不大的原料，不必強調(diào)采用二步煅燒工藝。

　　3.添加物促進燒結(jié)

　　在目前耐火原材料的燒結(jié)研究中廣泛應(yīng)用。在固相燒結(jié)中，少量添加劑可與燒結(jié)相生成固溶體，促進缺陷增加而加速燒結(jié);在有液相參加的燒結(jié)中，添加劑能改善液相的性質(zhì)而促進燒結(jié)。對已確定的原料，選擇何種添加劑，關(guān)鍵看添加劑能否起到以下幾方面的作用：

　　與燒結(jié)相形成固溶體;

　　與燒結(jié)相形成化合物;

　　與燒結(jié)相形成液相;

　　阻止多晶轉(zhuǎn)變;

　　擴大燒結(jié)溫度范圍。