2.6　耐火材料的燒成

燒成是耐火材料生產的最后一道工序，也是耐火制品生產過程中最重要的工藝過程之一，它直接決定著制品的質量、產量、燃料消耗、成本和廢品率等技術經濟指標。

2.6.1　燒成過程及影響因素

耐火材料的燒成是一個非常復雜的高溫過程，在此過程中配合料發(fā)生一系列的物理化學變化，如分解、脫水、相變、熔解、固相反應和燒結等，從而形成具有穩(wěn)定的礦物組成和足夠強度的致密燒結體（制品）。各種耐火材料在燒成過程中所發(fā)生的變化和反應可能各具特點，但基本過程大致相同。耐火材料燒成過程所發(fā)生的物理化學變化主要取決于坯體的化學礦物組成、燒成制度等。不同坯體的化學反應不盡相同，大致可以分為以下幾個階段。

（1）坯體排出水分階段，溫度為10～200℃，在此階段，主要排出磚坯中殘存的自由水和吸附水。

（2）分解、氧化階段（200～1000℃），此階段發(fā)生的物理化學變化因原料種類而異。發(fā)生化學結合水的排出、碳酸鹽或硫酸鹽分解、有機物的氧化燃燒等。此外，還可能發(fā)生晶型轉變或生成少量液相。此時磚坯的質量減輕，氣孔增多，強度也有較大變化。

（3）液相形成和新相生成階段（1000℃以上），此階段分解作用將繼續(xù)完成，隨著溫度的升高液相量增加，液相黏度降低，開始形成某些新礦物相，并開始進行溶解重結晶。

（4）燒結階段，坯體是由許許多多單個的固體顆粒所組成的，在磚坯中含有大量的氣孔，在低于熔點的溫度下對磚坯進行加熱，磚坯中物質的質點會發(fā)生遷移，坯體將隨時間的延長而發(fā)生收縮，變成致密的多晶體，強度和硬度具有增加，這種過程稱為燒結。在燒結階段，發(fā)生的主要變化是微粒或晶粒與氣孔尺寸與形狀的變化。在燒結完成時，氣孔基本從坯體中消除，形成一定的礦相顯微結構，使耐火材料具有特定的性能。燒結是燒成過程中最重要的物理化學過程，因此，有時把整個燒成過程也稱為燒結過程。

（5）冷卻階段，從最高燒成溫度至室溫的冷卻過程中，主要發(fā)生耐火相的析晶、某些晶相的晶型轉變、玻璃相的固化等過程。在此過程中，磚坯的強度、密度、體積等均有相應的變化。

衡量燒結程度的理化指標主要有灼減、密度、體積密度、氣孔率、吸水率、晶粒度、水化程度等。

耐火材料的燒結是一個復雜的、受多種因素制約的過程。影響燒結的主要因素包括原料的性質、添加劑、燒結溫度和保溫時間、燒成氣氛以及坯體的成型方法和壓力等。

2.6.2　燒成制度及工藝工程

2.6.2.1　燒成制度

燒成制度主要包括以下幾個方面的內容：升溫速率、最高燒結溫度和保溫時間、冷卻方式和燒成氣氛。耐火材料的燒成制度依其品種、形狀、尺寸和燒成設備的不同而差異很大。

正確合理的燒成制度應以用最經濟的方式燒出高質量的耐火制品為原則。故在制定燒成制度時應考慮產品的質量指標和經濟指標兩方面的內容。

（1）升溫過程　從室溫升至最高燒結溫度的這段時間叫做升溫期。在滿足產品性能質量要求的前提下，升溫速率應盡可能快些。但從產品大小和裝窯方式考慮：對于大件、壁厚、結構復雜和厚薄不一的產品進行燒成時，升溫速率應該慢些，以免由于局部溫差過大、膨脹不一而引起變形或開裂。另外在升溫時還應考慮坯體中有氣體的排出、坯體成分存在晶型轉變、液相的出現(xiàn)等因素適當放慢升溫速率。

（2）最高燒結溫度與保溫時間　耐火制品的最高燒成溫度和保溫時間主要由所用原料的性質和使用條件下對制品的性能要求所決定。

在燒成過程中為使制品獲得均一的燒成并使反應充分，在最高燒成溫度下通常應進行必要時間的保溫。一般認為保溫時間越長，反應越充分。但反應速率隨時間增長而減慢。這樣更多地延長保溫時間，必然使燃耗增大。通常在保證制品性能的前提下，縮短保溫時間對節(jié)約能源具有重要意義。通常根據磚坯的燒成性、形狀尺寸、窯溫均勻性、裝窯密度和高溫時的升溫速度來確定適宜的保溫時間。

（3）降溫方式　所謂降溫方式是指制品燒好后的冷卻速率及其相關的溫度。針對于間歇式窯爐根據冷卻速率的不同，可以采取保溫緩冷、隨爐冷卻、淬火急冷。對于連續(xù)生產的窯爐，其降溫速率完全取決于降溫區(qū)的長度和結構。

2.6.2.2　燒成工藝過程

燒成工藝過程包括裝窯、燒窯和出窯三道工序。

裝窯的方法和質量對燒窯操作和制品的質量有很大的影響，它直接影響爐內制品的傳熱速率，燃燒空間大小及氣流分布的均勻性，同時也關系到燒成時間和燃料的消耗量。裝窯操作按照預先制定的裝磚圖進行，裝磚圖規(guī)定磚坯垛高度、排列方式、間距、不同品種的碼放位置、火道的尺寸和數量等。

燒窯操作按照已確定的燒成制度進行。對間歇窯來說，燒成都要經過升溫、保溫和降溫三個階段，而連續(xù)式窯爐只需保持爐內各部位的溫度和推車制度。燒成過程中，為了保證燒成溫度和燒成氣氛，還應注意保持爐內的壓力制度。為了保證制品的質量和穩(wěn)定性，應盡量消除和降低爐內溫差。

將燒好的制品從爐內取出或從窯車上卸下的過程稱為出窯。出窯操作時應注意輕拿輕放，避免出窯過程對制品的損傷，不同磚號和品種的制品應嚴格分開。

本章小結

耐火材料有許多品種，但不同品種的耐火材料的生產過程有許多共同之處。本章討論了耐火材料生產過程的各個環(huán)節(jié)。通過對本章的學習，可以對耐火材料的生產過程有整體的認識和掌握，對于學習、理解耐火材料及指導耐火材料的制備及生產有著一定的指導意義。

思考題

1. 請說明定形耐火材料常規(guī)生產過程的各個環(huán)節(jié)？

2.原料選取和制備的目的及方法？

3.請說明耐火材料配料的基本原則及方法？

4.耐火材料的成型的目的和方法是什么？

5.請說明耐火材料干燥的目的和方法？

6.何為耐火材料的燒成？分析燒成過程耐火材料發(fā)生的物理化學變化？

7.耐火材料燒成制度包括哪些內容？