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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)的可移動性小,不易燒結(jié)。耐火磚中Al2O3、MgO的晶格能高而極性低,故較難于燒結(jié)。
原始粉末的粒度不同,燒結(jié)機(jī)理有時(shí)也會發(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.
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、塑性流動等物質(zhì)傳遞過程,故使燒結(jié)速度加快。延長燒結(jié)時(shí)間也可促進(jìn)燒結(jié)的完成,然而在燒結(jié)后期,不合理地延長燒結(jié)時(shí)間,有時(shí)會加劇二次再結(jié)晶作用,反而得不到充分致密的制品。
耐火制品的燒成高溫度應(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,當(dāng)氣孔處于封閉狀態(tài)時(shí),氣氛(氣孔中氣體的類型)對燒結(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),則氣氛對燒結(jié)末期沒有影響。如果氣氛對控制結(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。
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