一、干燥收缩与烧成收缩
干燥收缩是指原料在干燥失水后所发生的尺寸变化。原料的干燥过程是在常温下(105~110℃)进行的脱去吸附水、层间水的过程。将原料按要求制作试样,测定其干燥至恒重后的尺寸变化,即可计算得到其干燥线收缩率(%)和干燥体收缩率(%)。干燥收缩是粘土的重要工艺技术指标。干燥收缩大,坯体容易变形或开裂。不同种类的粘土其干燥收缩率不同,高岭土干燥收缩率一般为3%~10%(高岭土中埃洛石含量越高,干燥收缩率越大),蒙脱石粘土为12%~23%。粘土粒度越细,干燥收缩也越大。
烧成收缩是原料经煅烧后的尺寸形变,以百分率表示。烧成收缩是原料失去结构水,矿物晶体发生结构破坏或物相转变的综合反映。烧成收缩是耐火原料与制品烧成工艺流程设计的重要参数。
高岭土的烧成收缩率与脱水温度区间有关。以高岭石为主的高岭土,脱水温度区间较窄(400~600℃),收缩率低;以洛埃石为主的高岭土,脱水温度区间稍宽(<150℃,400~800℃=,收缩率偏高;含水云母较多的高岭土,脱水温度区间也宽(100~300℃和500~800℃),收缩率也高。高岭石的有序程度也影响烧成收缩。有序度高时,破坏其晶格所需能量大,烧成收缩较小,形成的莫来石呈针状;有序度低的高岭石,易于烧成,烧成收缩较大,形成的莫来石晶体较粗大。表1-19为两种粘土的烧成收缩率。
五、烧结温度与烧结范围
粉状或非致密性原料经加热到低于其熔点的一定温度范围,发生少量易熔成分逐渐液化、颗粒粘结或充填空隙、结构致密度增加、晶粒长大、强度和化学稳定性提高等物理化学变化,成为坚实集结体的过程成为烧结。当气孔率下降到最低值,密度达到最大值时的状态称为烧结状态,对应的温度称为烧结温度。达到烧结温度后若继续加热,原料密度将持续一段时间无显著变化。但超过一定温度,由于重结晶及结晶转化,气孔率就开始增大,密度开始下降,出现过烧膨胀现象,同时原料中出现新的液相,且不断增多,以至原料坯体发生变形。出现这种情况的最低温度称为软化温度。烧结温度与软化温度之间的温度范围称为烧结范围。
原料的烧结温度和烧结范围与原料的化学组成、矿物晶体结构及杂质含量有关。这组数据时决定原料配比、确定烧成工艺流程、选择窑炉类型的重要工艺参数。这一点对人工合成耐火原料尤为重要。
在耐火原料的煅烧与合成中,希望烧结温度低(节能),烧结范围宽(易于控制质量),经常采用的方法有:
① 细磨使原料粒度变小,活性增加,利于烧结;
② 采用二步煅烧工艺,消除母盐假象,提高活性,如菱镁矿和白云石的烧结;
③ 添加合适数量的添加剂,如合成堇青石时加入15%左右的ZrSiO4,可使烧结范围扩大15℃;
④添加晶核,即在合成原料的配料中预先加入少量极细的欲合成矿务作为晶核。如合成堇青石时加入堇青石微粉,其烧结温度显著降低。