2.1　原料的選取和制備

隨著耐火原料工藝技術(shù)的進(jìn)步，耐火材料工業(yè)所用的原料從最初的天然原料，發(fā)展到經(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。耐火原料總的發(fā)展趨勢一是高純化，二是合成原料，三是發(fā)展耐火原料粉體。為適應(yīng)使用要求，提高制品質(zhì)量和試制新品種，對耐火原料的質(zhì)量要求日益提高。天然優(yōu)質(zhì)耐火原料儲量不多，且用量不斷增加。天然耐火原料一般都是從礦體上取下的大塊礦石，同時(shí)礦石中含有不同的雜質(zhì)。因此，對天然耐火原料都需要進(jìn)行選礦，煅燒以及破粉碎等加工工序，才能用于耐火材料。

2.1.1　選礦

選礦是用物理或化學(xué)方法將礦物原料中的有用礦物和無用礦物（通常稱脈石）以及有害礦物分開，或?qū)⒍喾N有用礦物分開的工藝過程，又稱礦物加工。產(chǎn)品中有用成分富集的稱精礦；無用成分富集的稱尾礦；有用成分含量介于精礦和尾礦之間，需進(jìn)一步處理的稱中礦。

選礦過程包括選前礦物原料的準(zhǔn)備作業(yè)，選別作業(yè)（選礦方法）及選礦后的處理作業(yè)。

2.1.1.1　選前礦物原料準(zhǔn)備

選前礦物原料準(zhǔn)備包括粉碎（含破碎和磨碎）、篩分和分級，有時(shí)還包括洗礦。

破碎：將礦山采出的粒度為500～1500mm的礦塊破裂到粒度為5～25mm的過程，方式有壓碎、擊碎、劈碎等。一般分三個(gè)階段：粗碎從300mm破碎到50～75mm，中碎從50～75mm破碎到3～5mm，細(xì)碎從5～10mm破碎到小于或等于0.088mm。

磨碎：以研磨和沖擊為主，將破碎產(chǎn)品磨碎到10～300μm大小，常用的磨礦設(shè)備有棒磨機(jī)、球磨機(jī)、自磨機(jī)和半自磨機(jī)等。

篩分和分級：篩分是指破粉碎后的物料，通過一定尺寸的篩孔，使不同粒度的物料進(jìn)行分離的過程。篩分過程中，通常將通過篩孔的物料稱為篩下料，殘留在篩上的物料為篩上料。按顆粒在介質(zhì)（通常為水）中沉降速度的不同，將物料分為不同的等級稱為分級。篩分和分級是在粉碎過程中分出適合粒度的物料，或把物料分成不同粒度級別分別入選。

2.1.1.2　選別作業(yè)

選別作業(yè)有重選、浮選、磁選、電選和化學(xué)選等。

對于耐火礦物原礦采用哪種選礦方法，首先取決于礦物中各種礦物的物理性質(zhì)，例如礦物的顆粒大小和形狀、密度、潤濕性、電磁性質(zhì)、溶解度、加熱時(shí)的性狀等。對于同一類礦物原料，由于產(chǎn)地差異使其伴生礦物和雜質(zhì)含量可能存在較大差異，因而選礦工藝流程和方法也存在差異。

重選為在介質(zhì)（主要是水）流中利用礦物原料密度不同進(jìn)行選別。浮選是利用各種礦物原料顆粒表面對水的濕潤性（或水性或親水性）的差異進(jìn)行選別。磁選是利用礦物顆粒磁性的不同，在不均勻磁場中進(jìn)行選別。電選為利用礦物顆粒電性的差別，在高壓電場中進(jìn)行選別。揀選包括手選和機(jī)械揀選。化學(xué)選是利用礦物化學(xué)性質(zhì)的不同，采用化學(xué)方法或化學(xué)與物理相結(jié)合的方法分離和回收有用成分，得到化學(xué)精礦。

2.1.2　原料煅燒與預(yù)合成

2.1.2.1　原料的煅燒

原料煅燒目的是在高溫下除去結(jié)晶水、碳酸根及易揮發(fā)物，使耐火材料在制品的燒成時(shí)或直接在高溫下使用時(shí)的體積能基本穩(wěn)定。原料煅燒過程中主要發(fā)生兩大變化。其一是物理化學(xué)變化，根據(jù)原料不同可能涉及吸附水、結(jié)晶水以及有機(jī)物的排出、分解反應(yīng)、相變、固相反應(yīng)等。其二是燒結(jié)，燒結(jié)是使原料的氣孔率降低，從而提高了原料的體積密度。作為耐火材料，不但天然原料需要煅燒，合成原料也需要煅燒，不同原料的煅燒存在很多共性。

有的耐火材料很難燒結(jié)，因?yàn)樗哂休^大的晶格能和較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，質(zhì)點(diǎn)遷移需要較高的活化能，即活性較低之故。例如，高純天然白云石真正燒結(jié)需要1750℃以上的高溫，而提純的高純鎂砂，需1900～2000℃以上才能燒結(jié)。這對高溫設(shè)備，燃料消耗等方面都帶來了一系列問題。所以，根據(jù)原料特點(diǎn)和工藝要求，提出了原料的活化燒結(jié)、輕燒活化、二步煅燒及死燒等概念。

（1）活化燒結(jié)　早期的活化燒結(jié)是通過降低物料密度，提高比表面積和增加缺陷的辦法實(shí)現(xiàn)的，把物料充分細(xì)磨（一般小于10μm），在較低的溫度下燒結(jié)制備熟料。

（2）輕燒活化　用化學(xué)法提高物料活性，研制降低燒結(jié)溫度促進(jìn)燒結(jié)的工藝方法。

（3）二步煅燒　即輕燒-壓球-死燒工藝。輕燒的目的在于活化。例如菱鎂礦加熱后，在600℃出現(xiàn)等軸晶系方鎂石，650℃出現(xiàn)非等軸晶系方鎂石，等軸晶系方鎂石逐漸消失，850℃完全消失。這些MgO晶格，由于結(jié)構(gòu)松弛且具有較多的晶格缺陷，因此其活性高。死燒的目的在于使物料達(dá)到完全燒結(jié)。

二次煅燒與一次燒結(jié)相比，工藝過程復(fù)雜，燃耗較大，所以對純度不高的物料，如雜質(zhì)總量達(dá)到4%的鎂砂，可不必采用二步煅燒工藝。

2.1.2.2　原料的預(yù)合成

（1）傳統(tǒng)耐火原料的合成

自然界中存在但不具有開采價(jià)值而又十分重要的耐火原料也可以通過人工合成而得到。原料合成可按照使用目的人為地控制原料的化學(xué)組成和礦物組成，具有優(yōu)于天然原料的多種性能。合成耐火原料是以兩種或兩種以上的天然原料或工業(yè)原料經(jīng)過細(xì)磨、均化和高溫處理（燒結(jié)或熔融）形成預(yù)期的礦物相。

合成耐火原料的工藝中配料、均化與高溫處理特別重要。合成原料不可避免地有雜質(zhì)存在，因而其實(shí)際成分和性能都低于理論值。為了得到性能良好的合成原料，配料時(shí)一般都偏離其理論組成點(diǎn)，如合成堇青石時(shí)Al2O3提高到38%以上；合成鎂鋁尖晶石時(shí)，通常將MgO提高到32%以上或?qū)l2O3提高到77%以上而形成富鎂或富鋁尖晶石。

均化對燒結(jié)法合成耐火原料尤其重要。要想得到物相均勻的合成原料，應(yīng)把所使用的天然原料、工業(yè)原料和添加物嚴(yán)格計(jì)量，充分混合細(xì)磨，使其組分高度分散。

物料配料后經(jīng)高溫處理才能形成預(yù)期的礦物。高溫處理的方法有高溫?zé)Y(jié)法與熔融法（電熔法）。燒結(jié)法合成原料實(shí)際上是配合料在高溫下的反應(yīng)燒結(jié)，它的過程易于控制，常用的燒結(jié)設(shè)備有倒焰窯、梭式窯、豎窯、回轉(zhuǎn)窯和隧道窯。電熔法較燒結(jié)法工藝過程簡化，熔化溫度高，合成的原料純度較高且晶體發(fā)育良好，因此性能比燒結(jié)法好，是十分有發(fā)展前途的耐火原料合成方法。

（2）高技術(shù)耐火原料粉體的合成

現(xiàn)代高技術(shù)耐火材料已成為高技術(shù)陶瓷的一部分。當(dāng)物質(zhì)細(xì)到一定程度下，它表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的奇異性能。要獲得高技術(shù)的耐火材料，應(yīng)該采用高純、超細(xì)，組分均勻和少團(tuán)聚或軟團(tuán)聚的均一球型粒子活性粉末。同時(shí)將這些耐火原料粉體添加到傳統(tǒng)的耐火材料中，對其燒結(jié)性能、微觀結(jié)構(gòu)和使用性能都會產(chǎn)生重要影響。高技術(shù)耐火原料粉體的合成以及其對傳統(tǒng)耐火材料性能的影響是現(xiàn)在和將來耐火材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。粉體可分為粉粒體、微粉體和超微粉體，并可進(jìn)一步細(xì)分。常用的粉體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2-1。

目前應(yīng)用較多的耐火原料粉體有SiO2、Si3N4、SiC、ZrO2和Al2O3。Si3N4和SiC高溫強(qiáng)度大、抗熱沖擊、抗氧化，是理想的高溫工程材料；加入部分穩(wěn)定劑（Y2O3，CaO，MgO）后材料強(qiáng)度與韌性極高；Al2O3是用量最大的材料，可做為耐磨耐高溫的機(jī)械部件。