烧结保温材料范文（精选12篇）
烧结保温材料 第1篇
1 原材料
1.1 赤泥
试验采用山东某铝厂排放的赤泥,其主要化学成分见表1。
1.2 粉煤灰
取自山东某热电厂Ⅱ级粉煤灰,其化学组成如表2所示。其密度为1.99 g/cm3,堆积密度为0.96 g/cm3。
1.3 石英砂
其密度为4.01 g/cm3,堆积密度为1.51 g/cm3,主要化学组成如表3所示。
1.4 粘结剂
采用的粘结剂是潍坊华龙膨润土有限公司生产的膨润土,以蒙脱石为主要矿物成分的含水粘土矿,其主要化学成分为SiO2、Al2O3和H2O。
1.5 发泡剂
自制,以动物蛋白、眀胶、胶粉、氢氧化钙、十二烷基苯磺酸钠为主要原料复合配制而成。
2 试验
2.1 试验方案
将粉磨的赤泥、粉煤灰、石英砂按比例混合、搅拌均匀,加入一定量的水,继续搅拌,制成均匀的料浆;同时发泡剂与水按一定比例混合均匀,经发泡机发泡制成泡沫。用烧杯量取一定量的泡沫倒入料浆中,经搅拌均匀后倒入模具中,再经干燥、脱模、烘干,送入马弗炉中进行煅烧,保温2 h,冷却即可得到试样。试验配比如表4所示
3 试验结果与讨论
3.1 烧结温度的确定
在前期大量试验的基础上,确定烧结温度分别为950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃,均保温2 h,自然冷却。
在950℃～1050℃范围内,煅烧后的试样用手触摸均会有粉末脱落的现象。当温度超过1 100℃,试样收缩明显。烧结温度为1 200℃时,表面开始融化收缩,表面被一层较硬的具有金属光泽片层包裹。由表5中的数据可知,随着烧结温度的升高,试样的体积密度、抗压、抗折强度、烧成收缩率逐渐增大,导热系数整体呈现增大的趋势,但在1 200℃各性能均存在突变现象。在950℃～1 050℃范围内,未达到试样的烧结温度,收缩率变化不大,均在0.5%左右起伏。试样抗折、抗压强度的形成主要依靠碱性物质低温熔解将试样内的未熔材料粘接起来,形成具有一定抗压强度的烧结体,但这时烧结体液相较少,颗粒间空隙较多,熔解的碱性物质不能充分填充空隙,所以在这一温度范围内抗压强度随温度的增幅不明显,且均较低。当温度升到1 100℃～1 150℃范围后,试样开始明显收缩,烧成收缩率也随之增加,温度升高到1 200℃以上后,试样出现熔化现象,剧烈收缩成黑色块状,收缩率高达10.4%。随着烧结温度的升高,试样收缩越来越明显,体积密度不断增大,导热系数随之呈现逐渐增大的趋势。综上,可判定试样的最佳烧结温度为1 150℃。
3.2 微观形貌分析
试样P5断口形貌的SEM照片和能谱图如图1、图2所示。由图1可以看出,气孔形状和分布不规则,孔径大小分布不均匀,从几微米到几十微米。这可能是由于烧结过程中,坯体发生收缩,新结晶相产生并逐渐变大,从而对坯体中气孔的位置和大小产生了一定的影响。同时从图中还可看出气孔间还有玻璃相,这是由于粉煤灰、石英砂的加入,提高了二氧化硅的含量,而硅与钠、钙等形成了低共融物,从而形成了玻璃相。
由图2的能谱图可以看出,烧结后的试样含有的元素主要为Si、Ca、O、Na、Mg、Al等,说明这些元素组成了新晶相。本试验中,赤泥中含有一定量的氧化钠、氧化钙和氧化铁成分,它们容易在高温下与石英反应生成玻璃相。SiO2在高温下与钠、钙、铝形成了钙铝榴石(Ca3Al2Si3O12)、硅酸钙(Ca2SiO4)、钠长石(NaAlSi3O8)等新的晶相,钠长石能增加强度,而钙铝榴石结构致密、硬度高,还有一定的柔韧性,也有利于强度的提高[4,5]。同时赤泥中二氧化硅的含量达到50%,并加入了石英砂和粉煤灰,提高了硅铝的含量,氧化铝和氧化硅含量的增加,会形成莫来石,莫来石为细长的针状结构,这在一定程度上增加烧结体的韧性。高含量SiO2是提高试样强度的主要原因,而钙长石和钙铁榴石是赤泥与石英砂反应的产物,对试样的强度提高也起到一定的作用。在这二者共同作用下,坯体的烧成收缩不断增加,体积密度不断增大,强度不断提高。
同时,试样烧结过程中SiO2的活性会对生成硅酸盐复合物产生影响,活性越高就越容易产生硅酸盐复合物。在温度为870℃,SiO2会由α-石英转变为α-鳞石英,而α-鳞石英的反应活性要比α-石英高。本试验中烧结温度选在950℃以上,此时试样中的碱性钠、钾盐早已处于熔融状态,熔融状态的碱性钠、钾盐会加速硅酸盐的生成反应,即玻璃固化(玻化)反应的进行,形成不同种类的硅酸盐。原材料中R2O(Na2O、K2O)的熔点较低,在烧制初期便充分熔化成液相,在700℃～900℃范围内还能够与Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3等结合生成共融化合物,冷却后便固结在化合物中。CaO、MgO在450℃～600℃范围内,能够与Fe2O3发生化学反应生成铁酸钙、镁、铁铝酸钙等[6,7]。新生成的物质结构致密,抗压强度远高于烧结前的物质。继续升高到最终烧结温度,坯体中所含的金属氧化物就与硅化合生成液相,其中某些颗粒被少量的液体黏结收缩,同时液相不断填充材料颗粒间的空隙,从而达到增强试样强度的目的。
4 结论
随着烧结温度的不断升高,试样的体积密度、烧成收缩率不断增加,抗压、抗折强度逐渐增大,导热系数随之呈现增大的趋势。
烧结温度为1 150℃时,试样的性能最好,其体积密度为691 kg/m3,抗压、抗折强度分别为4.2 MPa、3.2 MPa,导热系数为0.110 W/(m·K),烧成收缩率为3.9%。
摘要：以赤泥、粉煤灰、石英砂等为主要原料,掺加一定量的泡沫,经可塑成型、煅烧等工艺制备了一种轻质多孔烧结材料。研究煅烧温度对其抗折、抗压强度、收缩率等性能的影响;利用扫描电子显微镜对其进行微观形貌分析,探讨其烧结机理。结果表明,最佳烧结温度为1150℃,最佳试样的体积密度为691kg/m3,抗压、抗折强度分别为4.2MPa和3.2MPa,导热系数为0.110W/(m·K),烧成收缩率为3.9%。
关键词：轻质多孔烧结材料,赤泥,烧结
参考文献
[1]董风芝,刘心中,杨新春等.粉煤灰、赤泥烧结砖的研制[J].矿产保护与利用,2002(5).
[2]贺深阳,蒋述兴.烧结温度对赤泥烧结砖的影响[J].砖瓦,2007(9).
[3]张泽,张泰志,史磊.粉煤灰、赤泥生产烧结砖的研究[J].墙材革新与建筑节能,2006(1).
[4]房永广.高碱赤泥资源化研究及其应用[D].武汉理工大学,2010.
[5]董风芝,刘心中,姚德等.粉煤灰和赤泥的综合利用[J].矿产综合利用,2004(6).
[6]李大伟,张立全,刘学峰等.高含量赤泥烧结砖的研究[J].新型建筑材料.2009,36(6).
3D打印粉末烧结成型材料 第2篇
覆膜砂粉末、覆膜陶瓷粉末材料
（1）覆膜砂
与铸造用覆膜砂类似，采用热固性树脂，如酚醛树脂包覆锆砂(ZrO2)、石英砂(SiO2)的方法制得。利用激光烧结方法，制得的原型可以直接当作铸造用砂型（芯）来制造金属铸件，其中锆砂具有更好的铸造性能，尤其适合于具有复杂形状的有色合金铸件，如镁、铝等合金的铸造。
材料成分：包覆酚醛树脂的石英砂或锆砂，粒度160目以上；
应用：用于制造砂型铸造的石英或锆型（芯）；
应用实例：砂型铸造及型芯的制作，适用于单件、小批量砂型铸造金属铸件的生产，尤其适合用于传统制造技术难以实现的金属铸件。
（2）覆膜陶瓷粉
与覆膜砂的制作过程类似，被包覆陶瓷粉可以是Al2O3、ZrO2和SiC等，激光烧结快速成型后，结合后处理工艺，包括脱脂及高温烧结，可以快捷地制造精密铸造用型壳，进而浇注金属零件。
降低烧结工序能耗生产实践 第3篇
摘 要：文章介绍了汉钢烧结通过设备改造、改善工艺，成功促使烧结工序能耗由59.30 kgce/t降低至47.18 kgce/t。
关键词：烧结；工序能耗；设备改造；改善工艺
中图分类号：TF046.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）14-0177-02
1 概 述
节能降耗无论是对增加企业的市场竞争力，还是对企业的持续发展来说都具有十分重大的意义。烧结工序作为钢铁生产中的重要环节，其工序能耗约占钢铁生产总能耗的10%[1]，工序能耗成本约占烧结矿总成本的9.3%。
因此作为烧结工作者，在确保烧结矿质量的前提下，通过降低工序能耗以促进烧结矿成本降低一直是我们攻关的方向和追求的目标。
烧结工序能耗主要包括固体燃料、煤气、电、水、蒸汽、氮气、压缩空气等消耗。其中固体燃料、煤气、电约占烧结总能耗的97.5%，为此，汉钢烧结自投产以来，以降低上述三项指标消耗为主要目标，通过设备改造、改善工艺进行挖潜降耗，降低成本。
2 设备改造
2.1 主抽风机变频改造
主抽风机是烧结厂用电最大的设备，其电耗一般占烧结用电的50%。烧结过程中，由于原料配比或过程变化等各方面原因会引起工况波动，需要对主抽风机风量进行调节，我厂初期通过调节主抽风门来调整主抽风量，这种方式必然不能达到节能降耗的目的。
鉴于此种情况，我厂对烧结一、二期主抽四台风机进行了变频改造，由传统的风门开度调节风量改为调整主抽工作频率调节风量，有效节约了烧结电耗。随后，又对一、二期机尾除尘和筛分除尘这三台功率较大的风机进行变频改造，减少了电量消耗。见表1。
2.2 余热发电
烧结过程中排放的热量约占总能耗的49%，在冷却过程中，每吨烧结矿通过冷却空气带走的热量约为0.55～0.63 GJ，占烧结总能耗的30%左右[2]。我厂于2014年建成余热发电项目，分别对环冷机一、二段热废气以及大烟道机尾后5个风箱处的热废气进行回收，通过余热循环风机进行余热发电，最后又通过余热循环风机将冷却后的低温废气送回至一、二段环冷机以及大烟道中部继续使用，不仅实现能源二次利用，同时改善了现场作业环境。
余热发电项目投用后，为提升环冷中烟气热量，烧结一、二期环冷各关闭一台冷却风机，降低电单耗1.6 kWh/t，同时因余热回收补偿工序能耗约10 kgce/t。
2.3 环冷密封改造
我厂一期环冷机为台车底部鼓风冷却，台车与风箱之间采用胶皮密封。在环冷余热发电投用后，胶皮易在高温段发生变形脱落，造成密封效果差，冷却效率下降，降低余热发电效率，导致环冷风机电单耗增加。
针对以上问题，我厂对一烧环冷机进行包容式机械密封改造。由固定在台车底部的动滑道和环冷机机架上的静滑道在弹簧压紧力的作用下相互贴紧，达到密封效果。经过投用验证，此处改造达到预期效果，环冷机漏风率降低90%以上，风机可以降低负荷运行，冷却效率提高30%以上，同时热风回收率高，蒸汽锅炉的产气量因此增加1 t/h，余热发电量也因此提升，年产生效益400万元左右。
2.4 更换新式点火炉
我厂两台烧结机投产时使用的点火炉由于质量问题频繁出现预制块下沉及炉顶漏火现象，每次检修都要对漏火点重新浇注、耗工耗时，且在使用期间煤气消耗高达20 000 m3/h，煤气消耗较高。
针对上述因素，我厂利用停机大修时机，分别对两台烧结机的点火炉进行了更换。此次更换改变了旧点火方式，降低了炉膛高度，重新对烧嘴进行合理排布配置，同时利用点火前约2 m2的面积对烧结料进行预热，提高点火可靠性；并将点火炉延长2 m，给烧结矿提供了足够保温时间。新式点火炉使用后，煤气消耗降至16 000 m3/h，月节省成本约20万元。
2.5 烧结机抽风面积扩容
受原料中粉矿比例低以及漏风大的影响，烧结机利用系数最高仅为1.21 t/m2·h，不利于烧结矿入炉率提升以及工序能耗降低。为此我厂陆续将两台烧结机尾部密封板后移1.5 m，烧结有效抽风面积因此提高5 m2。据初步统计，烧结矿产量每月可因此提升约8 000 t，工序能耗降低0.12 kgce/t。
3 改善工艺
3.1 厚料层操作
料层厚度增加，料层整体的蓄热能力增加，有利于燃料的充分利用，降低燃料消耗。同时下层烧结矿可以获得更高的烧结温度，生成更多的液相，粘结相的增多，有助于提高烧结矿整体强度。
厚料层操作主要受制于透气性差的影响，为此烧结厂采取了以下措施：
①加大粒度较大的粉矿配加比例，粉矿配比由最初的35%提升至65%，提高混合料的透气性；
②对二次配料返矿洒水，以增强其成球核心作用，并多次调整制粒机转速，提升混合料3 mm～5 mm粒级；
③改进平料器，在平料器前后方两端分别加装小托辊作为压料辊和制粒机废旧衬板压条作为小平料器，这样做一方面可以增加台车两侧的压料强度，抑制台车边缘效应，另一方面可以进一步平整料面，有利于实施厚料烧结；
④加大七辊布料器日常维护，确保混合料粒度偏析布料；
⑤将铺底料厚度由70 mm下调为40 mm， 从而降低铺底料单耗，避免成品烧结矿再次参与物料循环。
⑥将点火温度从1 050 °降低到950 °，防止料面过熔，依靠厚料层的自蓄热能力，同时也降低了煤气消耗。
通过上述优化措施，料层的透气性得到明显改善，料层厚度由600 mm提高到750 mm，流量最高达到了540 t/h，利用系数达到1.41 t/m2·h，同时降低固体燃料消耗约15 kg/t，均达到投产以来的最好水平。目前，我厂正在向800 mm的料层厚度攻关。
3.2 混合机加装热水箱
混合料温度是制约烧结生产的一个重要因素，如果混合料料温达到露点（65 ℃）以上，能显著减少料层中水蒸气冷凝形成的过湿现象，有效降低过湿层厚度和过湿层对气流的阻力，改善料层透气性，提高烧结生产率和降低燃料用量。
鉴于此，我厂设计建造混合机热水箱，采用蒸汽将水箱内水温加热至 v90 ℃，然后再通过输送泵输送至混合机加水管，不仅稳定了加水压力，同时促使混合料温度由40 ℃提升至55 ℃，最高近 65 ℃，燃料综合配比因此降低约0.2%，降低固体燃料消耗约3 kg/t。
3.3 热风烧结
针对烧结机上部料层热量相对不足的情况，从点火炉助燃空气管道引出富余热空气至点火炉后的保温罩里，使通过料层的气流温度升高，上部料层的烧结温度升高，减少了上、下层的温差，同时降低了固体燃料消耗，返矿率也得以降低。热风烧结投用后，固体燃料消耗降低了2.1 kg/t，返矿率降低1%，年产生效益512万元。
4 取得的效益
汉钢烧结降低工序能耗前后对比，见表2。
5 结 语
汉钢烧结是一个年轻的企业，通过近三年的努力，成功促使烧结能耗由59.30 kgce/t降低至47.18 kgce/t，取得了良好的经济效果。
参考文献：
[1] 毛艳丽.烧结工序节能降耗的技术措施[J].冶金能源，2010，（9）.
烧结复合保温砌块的生产与应用 第4篇
1 烧结复合保温砌块的生产
1.1 生产工艺
1.1.1 生产方法
烧结复合保温砌块是在异型烧结空心砌块孔洞内采取自动化机械注入EPS预发颗粒, 经高温高压蒸汽成型, 并在其水平和竖向设置贯穿隔热带, 从而阻断墙体灰缝热桥, 增强了砌块砌体的隔热保温性能。经热工计算, 采用普通砂浆砌筑与抹面, 用190 mm×190 mm×190 mm与190 mm×190 mm×90 mm产品复合砌筑的300 mm厚墙体, 热阻值R=2.994 m2·K/W, 400 mm厚墙体热阻值R=4.164 m2·K/W, 完全可以达到高隔热保温性能、隔声性能、耐久性能;单一烧结复合砌块砌筑房屋墙体达到建筑墙体节能率65%的要求。
要使烧结复合保温砌块墙体在不用配合其他任何保温措施的情况下能够达到建筑节能65%的要求, 必需要解决空心砌块块体的生产设计、填充材料的选择、保温材料的注入方式、具体的生产工艺流程及工艺参数的确定、块体的热工指标控制等诸多问题。
1.1.2 块型设计
砌块块型的设计, 在目前我国烧结空心墙材的块型已基本定型的情况下, 重点要在满足建筑模数要求、便于聚苯泡沫注孔成型、便于施工操作、墙体总厚度小于400 mm的原则指导下进行块型设计, 见图1。
1.3 保温材料的选择
目前用于建筑的保温材料种类:聚苯乙烯泡沫 (EPS、XPS) 、聚氨酯、矿棉、珍珠岩粉、保温浆料等砌块的生产量很大, 人力手工填充保温材料难以满足产量的需要, 选择适合于砌块的生产秩序、自动化机械操作、热工指标较好、建设成本较低的保温材料是复合砌块生产的关键。
通过试验对比分析, 聚苯乙烯泡沫 (EPS) 的热工指标较好 (当量导热系数为0.04 W/m·K) , 易预发注孔成型, 可以自动化机械操作, 建设成本较低, 是烧结复合保温砌块的首选保温材料。聚苯乙烯泡沫 (XPS) 成本较高, 聚氨酯成本较高又难于生产, 矿棉不易机械操作, 这几种保温材料无特殊情况不易选用。
1.4 工艺技术方案选择
烧结空心砌块生产工艺是已成熟的生产工艺技术。EPS注孔成型的主要生产工艺原理是利用隧道窑余热锅炉产生的0.5 MPa 110℃蒸气, 将泡沫微珠预发到要求密度级别的泡沫微粒;由压缩空气将泡沫微粒注入到成型机中的空心砌块孔中, 经高温高压蒸气加热成型, 由环式输送机运送半成品和成品, 机械包装、码运至堆放场地。工艺流程见图2。
2 生产要求
2.1 烧结空心砌块
烧结空心砌块 (见图3) 是“烧结复合保温砌块”的半成品, 在“烧结复合保温砌块”的生产过程中, 它起到强度骨架和模板的作用, 要承受装入预发好的EPS颗粒和充入的高压蒸汽的压力, 所以要求烧成的空心砌块必须达到国家标准GB13545—2003规定的质量要求。
烧结空心砌块的强度和适宜的几何尺寸, 是烧结复合保温砌块生产过程中注入聚苯乙烯泡沫微粒和冲入高压蒸气的必须条件。要使成型后的保温砌块不产生裂纹和变形, 空心砌块的强度必须要满足0.4 MPa的压力 (张力) 的作用, 空心砌块的几何尺寸也要满足底模、套模、上模正常的机械动作, 还要保证泡沫微粒的准确注入和高压蒸气的冲入效能, 以使泡沫微粒充分膨胀与空心砌块结合成一体并保证隔热带的强度和几何尺寸。因此生产线窑车上的烧结空心砌块 (见图4) 要经过拣选, 剔除外观有瑕疵和几何尺寸有误差的烧结空心砌块, 以保证下一道填充工序的完成。
烧结空心砌块的块体温度是保证聚苯乙烯泡沫微珠充分膨胀的重要因素。因此应严格控制装入成型机中的空心砌块的温度, 在70℃以上的空心砌块中注入EPS颗粒, 则会由于EPS颗粒的受热变形 (收缩) 而影响EPS膨化成型效果, 最终导致其保温性能的下降。同时, 如果空心砌块的温度过低, 则在EPS颗粒的热成型过程中将需要大量的热消耗于空心砌块上, 这会造成能量的浪费和延长了生产周期。根据我们试生产过程所掌握的情况来看, 空心砌块的温度一般在50℃～70℃为宜。
2.2 可发性聚苯乙烯 (EPS)
目前在建筑工程上使用的保温材料主要是EPS、XPS、聚胺脂、矿棉以及无机保温浆料等, 通过分析认为EPS的优点在于成本相对较低, 预发后可以在砌块孔中浇注成型, 并可以采用模具浇注成带有水平和垂直隔热带的砌块。
可发性聚苯乙烯 (EPS) 通称聚苯乙烯和苯乙烯共聚物, 见图5。由市场购入, 要求其各项技术指标必须满足国家标准《隔热用聚苯乙烯泡沫塑料》 (GB10801—2003) 所规定的, 表观密度为15㎏/m3的EPS导热系数为0.04 W/m·K的要求。必须是符合建筑防火要求的阻燃材料, 经过自动控制间歇式预发和连续式预发形成满足热工标准密度的泡沫微粒。
聚苯乙烯微珠预发成微粒的容重控制, 是保证达到保温隔热指标的关键技术条件。生产中应对预发的EPS颗粒加入量、蒸汽的温度和流量等工艺参数进行严格的控制, 并且根据原料、块型等的变化进行参数的调整。
由于成型模具是双层壁的, 因此发泡EPS的成型被称为“蒸气室成型”。模具内壁尺寸即为空心砌块实际的尺寸, 底模具有气孔, 以使蒸汽透过泡沫体并使热气扩散出去。双层壁之间的空间形成蒸汽室, 其中通入用于加热珠粒的蒸汽。
2.3 高温高压蒸气
余热锅炉产生的高压蒸气是聚苯乙烯微珠预发成微粒和聚苯乙烯微粒注孔成型的动力和溶剂, 蒸气的压力必须保证0.4 MPa以上, 温度110℃以内。由贮气罐向间歇式预发器、连续式预发器和成型机分送合格的高压蒸气, 自动控制升温及强制冷却成型。
蒸气管道 (图6) 和贮气罐要做到保温不降压及使用安全。
2.4 物料消耗
24万m3烧结空心砌块原料及动力消耗量估算见表1。
3 主要设备方案
该生产线从原料处理、成型、干燥焙烧、填充全部实现机械化作业。局部工序实现自动化作业。窑车运转系统依靠自动化程序控制, 焙烧窑烧成过程使用微机控制。注孔成型过程采用自动化作业。
3.1 主要设备类型
根据技术先进、可靠和经济合理的原则, 选用与生产规模和产品方案相适应、满足产品要求的、成熟可靠的国产设备。
根据工艺特点, 工艺设备分为原料处理设备、成型设备和热工设备及保温砌块填充设备等四大类。
3.2 主要设备功能要求
烧制砌块原料处理直接关系到制品成型和产品质量。特别是生产烧结复合保温砌块 (砖) , 原料的细度以及颗粒级配将直接决定能否挤出成型优质的异型坯体。因此在设备选型时, 不但要求设备能满足小时产量和动力消耗小的条件, 重要的是满足原料细度, 颗粒级配的要求。混料设备要求在能够满足产量的情况下, 保证原料混合均匀。原料处理设备主要包括破碎设备和原料的筛分处理设备, 粗破设备选用颚式破碎机, 细碎设备选用锤式破碎机, 破碎后的原料过高频振网筛, 该设备效率高, 可保证出料粒度小于2.5 mm, 运行经济可靠。原料的混合处理设备主要包括双轴搅拌机、搅拌挤出机等, 这些设备均选用国产成熟设备。
异型坯体挤出成型是整个生产线上的关键, 根据原料特性主机需采用高真空度、大挤出压力的双级真空挤出机, 以保证半成品的质量。成型设备包括真空挤出机和切码运系统。挤出机要挤出压力大、真空度高, 可使坯体的密实性和强度有较大幅度的提高。切码运系统要求做到切割尺寸无误差, 运输到位不变形, 整个动作和谐连贯, 自动控制程序稳定。
坯体的干燥和烧焙采用一次或二次码烧工艺, 热工设备选用隧道干燥室和隧道窑。
烧结复合保温砌块EPS注入生产线主要由EPS预发器、蒸汽锅炉、贮汽罐、注孔成型机循环输送带、自动控制设备等工艺设备组成。
采用人工卸砖、机械打包、机械运送至堆场或施工现场。
4 烧结复合保温砌块的机理分析
烧结空心砌块的生产工艺技术是已经成熟的工艺技术, 只是按照建筑墙体热工指标和建筑结构的要求, 研制了新的异形块体和孔型。砌块外壁设计了两个槽, 隔热带镶嵌在该槽中;砌块肋设计了曲形肋来增长热传导线路, 从而提高了块体的热工指标。
聚苯乙烯泡沫微珠必须是符合建筑防火要求的阻燃材料, 自动控制间歇式预发和连续式预发成要求热工标准密度的泡沫微粒。
余热蒸汽锅炉产生的蒸汽要保证达到0.4 MPa以上的压力, 蒸汽管道和贮汽罐要做到保温不降压和使用安全。
自动成型机上砌块装入底模位置要准确, 布料机布料计量要精确, 施放蒸汽的时间要充分考虑泡沫微珠的膨胀和收缩及块体张力的物理变化。
套模和上模在就位时的压力要保证模板的基本密封, 还要保证块体的承受压力。
成品机械打包要保证砌块外壁聚苯隔热带不受碰撞和挤压, 使隔热带完整的形体保证起到提高热阻的作用。
5 烧结复合保温砌块的应用
已建生产线生产了三种规格190 mm×190 mm×190 mm、190 mm×90 mm×190 mm、240 mm×240 mm×190 mm的复合保温砌块产品, 该产品在孔中注入聚苯泡沫, 并在横向灰缝面和纵向灰缝面设有贯穿该灰缝的隔热带, 横向灰缝面和纵向灰缝面上的隔热带相互连接, 可以阻断墙体外侧面和内侧面间灰缝的传热通道, 即阻断了实际的灰缝热桥。该产品热工性能优越, 强度达到国家标准, 应用在工业与民用建筑工程中, 可以实现单一复合砌块290 mm厚墙体、370 mm厚墙体、390 mm厚墙体满足建筑节能65%的要求。按长春市房屋采暖每平方米耗煤35 kg～40 kg计算, 每平方米可节煤22.75 kg～26 kg, 节能效果是很明显的。
产品已通过省级鉴定, 给予了工艺技术水平和综合评价为国内首创的鉴定结论, 产品应用强度等级和应用密度等级见表2、表3;产品企业标准和应用标准图集已经主管部门备案批准。
烧结注孔保温砖的砌筑形式见图7、图8。
使用190 mm×190 mm×190 mm烧结复合保温砌块和190 mm×90 mm×190 mm烧结复合砌块砌成厚度为390 mm墙体;
使用190mm×190mm×190mm烧结复合保温砌块和190mm×90mm×190mm烧结复合保温砌块组合砌成的厚度为290mm墙体;
综上所述, 年产24万m3生产线的生产运行完全采用了节能降耗的工艺技术, 产品应用达到了三级节能65%的标准。砌块体生产每立方米节约标煤68 kg, 年可节煤16 320 t;聚苯泡沫预发、注孔成型用蒸气利用窑炉余热锅炉蒸气, 每立方米节约标煤16.2 kg, 年可节约标煤3 888 t, 建筑工程应用节能65%节约标煤26 kg/m2 (估算) , 年生产的24万m3保温砌块可建房屋220万m2, 采暖节约标煤约57 200 t, 年生产和应用节能折标煤77 400 t, 再加上采暖和空调的节电, 经济效益和社会效益是非常可观的。
Ag基材料烧结技术研究进展范文 第5篇
李岩 1600516 摘要：银基材料广泛应用于工业生产中，许多研究者对于银基材料的烧结工艺也进行了探索。本文总结了近二十多年来Ag基材料的烧结工艺，并对其未来的发展前景进行了展望。
关键词：Ag
烧结工艺
粉末冶金
1.前言
单质银是面心立方晶体，具有良好的塑变能力和优良的电学热学性能。银的磁化系数小，是反磁性物质，银的标准电极电位比氢高，具有稳定的化学性能，同时抗腐蚀性也相对较好。所以在银基合金基体中添加高强度增强体，既可保持银合金原有良好导电、抗强磁场等性能的同时，又提高了银基合金的应变强度、抗摩擦磨损性能等，进一步满足电子电路、电器系统及和导电有关的其他领域的需要。
银粉是电气和电子工业的重要材料，是电子工业中应用最广泛的一种贵金属粉末，为厚膜、电阻、陶瓷、介质等电子浆料的基本功能材料[1,2]。近年来，纳米微粒和纳米材料已成为材料科学领域的研究的热点之一。纳米级银粉，除了具有常规银粉的一些性能外，还具有特殊的性能，可用作导电银浆，在化纤织物中添加纳米银，可改变其导电性能，并使化纤织物有很强的杀菌能力；纳米银晶体，作为稀释致冷机的热交换器，效率比传统材料高30 %，纳米银粉还是有机合成中非常好的催化剂。
目前银基粉末复合材料包括热电材料、陶瓷复合材料及电触头材料等，所利用的仍然是银所具有的良好的导电性和导热性[3]。随着科技的发展和理论基础的进步，依托先进设备，银基粉末复合材料的制备工艺越来越多，比如快速热压法，高分子网络凝胶法和放电等离子烧结技术，溶液浸泡法等。本文总结了一些Ag基材料烧结工艺的研究现状，并对其未来发展前景进行了展望。
2.工艺
早期的银基材料多采用传统的粉末冶金法，即将粉末机械混合、压制、烧结。采用这种方法，设备简单，添加元素容易控制，可以在较大范围内调整合金的成分，但是制备的材料密度较低，氧化物质点较粗大，耐电弧腐蚀性较差。为提高材料的密度与性能，几十年来新工艺、新技术不断涌现，如熔渗法、快速热压法等。
曾德麟[4]采明粉末烧结冷轧的复合工艺制得的人Ag-Cu双金属片材，其物理力学性能二接近用其它方法得到的致密双金属材料，而且具有复层晶粒细、界面结合力强的优点，塑性性质可完全满足进一步加工的要求。张万胜[5]研究了双层挤压和烧结复压及粉末的混合方式对制备的AgSnO2触头材料的性能比较，发现制造工艺和所用粉末的类型可引起材料接触电阻、熔焊力和电损蚀等性质方面发生很大变化。
刘想梅等人[6]采用溶胶-凝胶法制备了SnO2-TiO2混合纳米粉末，把制得的纳米粉末用化学镀的方法进行包覆后与纯银粉按90 ：10(质量比)混合，将粉末放入模具中，对压制成型的试样采用分级保温烧结的热处理方法，制成Ag-SnO2-TiO2触头材料。研究发现溶胶-凝胶法制得的粉末比机械混合法制得的颗粒小，达到了纳米级，且Ti4+进入到了SnO2的晶格中，提高了导电率，而机械混合法不能使Ti4+进入SnO2的晶格中。
石宇等人[7]研究了利用快速热压法制备N型Ag0.8Pbm SbTem +2热电材料，采用很快的升温速度，比较短的保温时间，抑制了晶粒长大。通过降低烧结时间，提高烧结温度等措施可以使热电材料达到一种理想的状态：声子散射加强的同时，载流子迁移率却不受影响。按化学计量比，把PbTe粉末、A g粉(纯度99.999 %)、Sb粉(纯度99.999 %)和Te粉(纯度99.999 %)混合均匀，放入石英玻璃管内，抽到气压<1.33 ×10-2Pa封管，熔10h，熔炼温度1273K。对熔炼得到的合金锭进行高能球磨，球磨介质为乙醇，在转速200r/min的行星球磨机上球磨20h，干燥后得合金粉。把合金粉装入石墨磨具，利用高频快速热压烧结装置，升温速度为70K/mim，在673K，压力为20MPa下，烧结30min，随炉冷却至室温。通过物相分析发现，衍射峰的位置向衍射角增大方向略有偏移，说明Ag、Sb离子形成了掺杂。球磨之后具有较高的表面能。经烧结后形成的试样孔隙率低，晶粒细小。通过对其热电性能的测试，合金材料获得了很高的Seebeck 系数。
宋英等人[8]研究了Ca3Co4O9/Ag陶瓷复合材料的制备及其热电性能。以分析纯Co(Ac)24H2O和Ca(Ac)22H2O为原料，按照一定化学计量比溶于水中，与金属离子以摩尔比1.1∶1加入络合剂乙二胺四乙酸(EDTA)溶液，搅拌溶解后加入NH3H2O调整溶液的pH值在6左右时，加入丙烯酰胺和N，Nˊ亚甲基双丙烯酰胺。当温度至80℃时，加入偶氮二异丁腈引发剂，几分钟后形成均匀的紫色湿凝胶。将湿凝胶放入微波炉中加热，快速脱去水分，形成干凝胶。将干凝胶在750℃煅烧4 h后，获得Ca3Co4O9粉体，再与不同摩尔比的AgNO3溶液充分搅拌混合，在此过程中，缓慢加热将水分蒸除，最后在750℃的条件下复煅烧1 h。将Ca3Co4O9 /xAg(x =0、0.1、0.2、0.3，尔分数)复合粉体置于石墨模具中，在800℃下进行SPS烧结，烧结压力15.7kN，保温时间为5min，升温速度为140℃/min，获得Ca3Co4O9/Ag陶瓷复合材料。XRD发现单质Ag的衍射峰随着Ag复合量的增加而逐渐增强。对Ag 复合Ca3Co4O9陶瓷的热电性能研究表明，复合Ag均使试样的电导率有所提高，但Seebeck系数却随着，复合量的增加而降低。由于电导率增加的幅度要大于Seebeck系数降低的程度，故而材料的功率因子所增加。
刘心宇等人[9]研究了利用溶液浸泡法制备Ag/BaSn1-xSbxO3CuO触头材料。将BaSn1-xSbxO3粉末经醋酸铜溶液浸泡后烘干，并在550℃下，经固相反应后制备出BaSn1-xSbxO3CuO复合粉末，然后与Ag粉混合，经滚筒球磨、高能球磨、过筛后即制备出Ag/BaSn1-xSbxO3CuO复合粉末。压制成形后置于马弗炉中于900℃下烧结3h后，得到触头材料Ag/BaSn1-xSbxO3CuO试样。经过实验测试发现用醋酸铜溶液浸泡BaSn1-xSbxO3粉末，经固相反应制备的BaSn1-xSbxO3CuO复合粉末比机械混粉法制备的复合粉末均匀。与机械混粉法相比，溶液浸泡法可明显改善Ag/BaSn1-xSbxO3CuO触头材料的显微组织，提高了触头材料的力学和电学性能。刘想梅等人采用溶胶-凝胶法制备了SnO2-TiO2混合纳米粉末，对压制成型的试样采用分级保温烧结的热处理方法，制得的触头材料的电导率为66.9 %IACS，密度为9.63g cm3，硬度为92.3kg cm2，性能符合国标且优于美国和日本同类产品的，具有良好的应用前景。
徐国财等人[10]利用微波合成纳米银/PAMPS复合材料。在不加还原剂的条件下，采用微波辐射双原位聚合方法合成了纳米银/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸均聚物(PAMPS)复合材料。微波作为一种新颖的合成技术手段，具有加热均匀、粒子在微波作用下易于成核等优点。通过UV-Vis、XRD、FRIP、TEM、XPS和TG分析方法对其进行分析和表征。结果表明：纳米银粒子具有面心立方结构，且均匀地分散在聚合物基体中；微波辐射时间不影响纳米银粒子的形态；纳米银与基体PAMPS中的氮原子和羰基氧原子存在相互作用，降低了PAMPS基体的热稳定性。
范莉[11]利用化学共沉淀法制备了Ag-ZnO复合材料。将银、锌（镍）溶于浓度为30%的硝酸生成硝酸盐溶液，经过滤、稀释与可溶性碳酸盐水溶液反应生成沉淀物，沉淀物溶液pH值≥10，用去离子水洗涤，经烘干、焙烧分解后得到银和氧化锌的混合粉末。按上述方法制备的Ag-ZnO复合粉末，采用压制－烧结－复压工艺。经实验测定，利用化学共沉淀制备的复合材料中，ZnO粒子细密，分布均匀。添加少量镍有利于提高耐磨和耐电弧腐蚀性。
Moon等人[12]研究了多脉冲闪光烧结制备Ag网膜的导电电极。闪光烧结技术具有与基于R2R的印刷速度兼容的非常快的烧结时间。通过金属纳米粒子的等离子体共振将吸收的光能转化为热能。
黄平等人[13]研究了SrBi4Ti4O15/Ag复合材料的制备及其介电特性，他们采用固相烧结工艺制备了SrBi4Ti4O15(SBTi)/Ag铁电复合材料。在烧结过程中，当温度达到300℃时,Ag2O将分解为Ag，SBTi 基体中形成金属Ag颗粒。根据XRP衍射图像分析:复合材料由SBTi和Ag两相组成，没有出现其它相；与Ag有关的衍射峰的相对强度随着Ag体积分数的增加而增大。Ag的加入可以起到促进烧结的作用。通过在SBTi 铁电陶瓷中加入微量Ag颗粒，使SBTi铁电陶瓷的烧结温度从1120℃降低到950℃。对材料的介电特性研究的发现，Ag的加入可以适当提高铁电陶瓷从室温到200℃的介电常数，但对材料的介电损耗影响很小。同时Ag的加入抑制了介温曲线上的介电常数的Curie峰。
王松等人[14]利用化学沉积包覆和粉末冶金法相结合的方法，研制一种新型的Ag-CNTs电接触材料。与相同工艺制备的Ag-Ni、Ag-SnO2传统电接触材料比较，新材料具有更好的耐电弧侵蚀性能和电寿命。DC（25V/15 A）电接触条件下，经10000次分断操作，其质量损失仅为102 mg。试验设定的4种电接触条件下，新材料的电寿命均为Ag-Ni和Ag-SnO2材料的2倍。
陈晓华等人[15]研究了烧结温度对SPS制备Ag/ La2O3触点材料的影响。采用放电等离子烧结(SPS)技术制备了Ag/ La2O3触点材料，研究了烧结温度对其致密度、显微结构及力学性能的影响。Ray等人[16]研究了一种新的放电等离子烧结Ag-WC电接触材料的方法。在放电等离子体烧结中，致密化主要以固态进行，从而将烧结温度限制在粉末混合物的液相线上，否则会导致液相在该过程中渗出，多相的均匀化为固态扩散。在SPS期间，所生产的触点已经结合到铜型材上，以消除额外的加工步骤。SPS复合材料具有更均匀的微观结构，并且比通过常规压坯烧结渗透产生的材料更硬和柔软。渗透的触点具有较低的电弧侵蚀，由两个工艺产生的触点具有类似的接触电阻。切换后的微观结构证实，SPS材料具有多孔接触表面层，与其冲压烧结渗透等效物相反，无裂纹。
Wang等人[17]研究了Ag纳米颗粒的无压低温快速烧结技术，吸附在纳米颗粒表面的有机层使其产生一层薄的保护层。通过对银颗粒的烧结生成了高密度的孪晶和大量的共格孪晶界，有效地降低了晶界散射效应，从而导致超高导热率。通过稀释有机壳，烧结时间大大缩短，烧结形态从松锥状变为网状。
3.展望 银粉是电子工业中应用最为广泛的一种金属粉末。近几十年来，随着科学技术的进步，特别是电子工业的高速发展，银粉的制备无论在技术还是设备上都取得了长足的进展，已经相当成熟。银基通断接触材料是银消费的主要领域，开发新的导电系数高、抗电磨损性能和抗熔焊性好、接触电阻低、有灭弧作用、加工性能好的银基合金接点材料，是取得良好经济效益的重要途径。现在，银基材料烧结工艺多种多样，有借助于传统的烧结工艺，也有新发展的工艺。总的来说，如何控制烧结温度和时间，制取优良性能的材料依然存在问题。随着科技的发展，对烧结机理的深入研究，必将会发展出更佳的工艺。
参考文献：
碳化硼陶瓷的烧结方法研究 第6篇
摘 要：碳化硼陶瓷具有高硬度、高熔点和低密度的特点，是优异的结构陶瓷。本文综述了碳化硼陶瓷的粉体制备，着重阐述了5种烧结的方法。
关键词：碳化硼；制备；性能；应用前景
1.碳化硼陶瓷概述
1.1碳化硼的发展
碳化硼化合物是在1858年被发现的。从上世纪50年代起，人们对碳化硼，尤其是对其结构、性能进行了大量的研究，取得了许多研究成果，推动了碳化硼制备和应用技术的长足发展。现在碳化硼陶瓷广泛应用于耐火材料、工程陶瓷、核工业、宇航等领域。
1.2碳化硼的性能
碳化硼陶瓷是一种仅次于金刚石和立方氮化硼的超硬材料，这是由其特殊的晶体结构所决定的。C原子与B原子半径很小，而且是非金属元素，B与C相互很接近，形成强共价键的结合。这种晶体结构形式决定了碳化硼具有超硬、高熔点（2450℃）、密度低（2.55g/cm3）等一系列的优良物理化学性能。此外，碳化硼还具有良好的中子吸收能力和抗化学侵蚀能力。
2.碳化硼陶瓷粉体的制备
2.1碳管炉、电弧炉碳热还原法
该法是将硼酸和碳黑按一定比例在混合器中均匀混合，然后在箱式电炉中焙解，使硼酸脱水，以利碳化。碳化在碳管炉中进行。将焙解好的混合料放在碳管炉中，温度控制在2000℃以上进行碳化，基本反应为：
2B2O3 + 7C = B4C + 6CO↑；
B2O3 + 3CO = 2B + 3CO2↑；
4B + C = B4C。
2.2自蔓延高温合成法
此法制备碳化硼时多以镁作为助熔剂，故又称镁热法。镁热法基本反应式为2B2O3 + 5Mg + 2C = B4C + CO↑+ 5MgO，这是一个强烈的放热反应，本法是利用化合物合成时的反应热，使反应进行下去的一种工艺方法。具有反应温度较低（1273～1473K）、节约能源、反应迅速及容易控制等优点，且生成的碳化硼粉一般不需要破碎处理。
3.碳化硼陶瓷的烧结
3.1无压烧结
碳化硼是一种共价键很强的化合物，其共价键比例高达93.94%。因此烧结性能非常差，不加任何添加剂的无压烧结温度大约在2300℃左右，其机理是在温度接近它的熔点时体积扩散。纯碳化硼致密化最主要的前提是使用平均粒度小于3um的超细粉末，在含氧量低的情况下，碳化硼的烧结温度以及获得的致密度分别为： 2240～2300℃时致密度在78%～86%之间；2440℃时致密度大于90%；2510℃时致密度为 99%。
不含添加剂的无压烧结碳化硼陶瓷材料是一种适用于大批量生产形状复杂零件的工艺方法，但由于对粉末要求过于严格和必须用超高温烧结，因此在大批量生产中其工艺参数难于控制，制品的性能也极不稳定。
3.2 含添加剂的无压烧结
该法是通过引入一些烧结助剂去除碳化硼粒子表面的氧化物从而提高表面能，比如加入碳化铝、碳化硅、碳或有关的化合物可阻碍晶粒过度长大。其他提供Al的添加剂是Al2C3、Al4C3、AIF3 等， 也可用氟化物或碳作脱氧剂。
CrB2、TiB2、W2B5等添加物能产生一种钉扎效应，也可阻止晶粒长大。用C作为烧结添加剂，可有效地促进碳化硼陶瓷的烧结，使碳化硼陶瓷可以在较低的烧结温度下达到较高的质量密度。当C质量分数为3%左右时，对密度可达到最大值， 即相对密度为92.7%，而抗弯强度可达到403MPa。弹性模量随相对密度的增加而增加。断裂韧性基本与相对密度无关。
组合添加剂，包括碳和金属硼化物或碳化物的加入，可同时起到碳的脱氧和金属的促进扩散作用，以及细化晶粒和第二相的增强效应。无压烧结添加体积分数为20%碳化硼的TiB2，用C与Ni做烧结助剂，升温到1600℃时，得到了94%致密度的碳化硼制品，且两相之间没有发生任何化学反应，只有烧结助剂的液相浸润作用。酚醛树脂热解成无定形碳方法和有机添加剂原位热解方法是目前的研究热点， 这种方法的优点是可改善碳分布的均匀性，获得超细的平均晶粒尺寸。
3.3热压、热等静压（HIP）烧结
热压烧结是把粉末装在模具的腔内，加压的同时把粉末加热到烧结温度或更低一些，经过短时间烧结成致密而均匀的B4C制品，热压烧结是强化烧结。热压造成颗粒重新排列和塑性流动、应变诱导孪晶、晶界滑移、蠕变以及后阶段体积扩散与重结晶相结合等的物质迁移机理。热压烧结将压力的作用和表面能一起作为烧结的驱动力，所以通过热压可以降低陶瓷的烧结温度，提高烧结体的致密度。优点是：高温情况下粉末的塑性好、成形压力低、变形阻力小、烧结温度低、加快烧结速度、使难熔物致密化、晶粒细、显微组织优良等；缺点是：对压模的材料要求较高、工艺复杂、生产规模小、成品率低等。
热等静压（HIP）烧结是将惰性气体如Ar等作为传递压力的介质，将碳化硼粉末压坯或者装入包套的粉末料放入高压容器中，使粉料经受均衡压力和高温，降低烧结温度，避免晶粒生长，可获得高致密度的碳化硼陶瓷制品。与热压法相比， 它可以使物料受到各向同性的压力，因此陶瓷的显微结构较均匀，缺点是设备费用高及待加工工件尺寸受到一定限制。
3.4放电等离子烧结法（SPS）
放电等离子烧结法是一种快速烧结的新工艺，它是将瞬间、断续、高能脉冲的电流通入装有碳化硼粉末的模具上，在粉末颗粒间可产生等离子放电，使粉末得到净化、活化、均化等效应。放电等离子的烧结过程，在压实颗粒样品上施加了由特殊电源产生的直流脉冲电压， 并且有效利用了瞬时产生的放电等离子使被烧结的碳化硼内部均匀地自发热和使颗粒表面活性化，所以具有很高的热效率，可在相当短的时间内使烧结的碳化硼达到致密。
3.5液相烧结
液相烧结是用两种或两种以上组分的压坯或粉末在低熔组分熔化或者形成低熔点共晶体条件下的液相状态下的烧结。液相引起物质迁移比固相快，而且最后液相将填满烧结体内的所有孔隙，因此获得了高致密度、性能好的产品。
4.结语
烧结保温材料 第7篇
砌体受压变形性能包括受压应力—应变曲线 (受压本构关系) 、弹性模量和泊松比, 它是砌体结构进行内力分析、承载力计算、变形计算及有限元模拟分析的重要依据[1]。
砌体受压应力—应变曲线反映了砌体受压时受压截面应力与轴向应变的关系, 同时可以根据曲线斜率的变化, 划分砌体受压的不同受力阶段。
砌体受压弹性模量是指砌体受压后应力与应变的比值, 其值可根据应力—应变曲线求得。
砌体在受到压力或拉力作用下, 除了沿轴向方向产生轴向变形外, 还将产生横向变形, 其横向应变与轴向应变的比值称为砌体的泊松比。
本文针对页岩烧结保温砌块砌体变形性能进行了分析, 根据试验结果给出了该砌体受压应力—应变曲线, 并提出了砌体受压本构关系计算式。此外, 建立了该砌体弹性模量计算式, 并给出砌体泊松比建议取值。
2 现有砌体受压本构关系
目前, 国内外的学者们已经提出了多种形式的砌体受压本构关系, 归纳起来主要有对数函数型 (指数函数型) 、多项式型、两段式型和有理分式型等四种类型的本构关系[2,3], 这里仅介绍一些具有代表性的本构关系。
2.1 对数函数型 (指数函数型) 本构关系
该类型的典型代表是前苏联Л.ИОнишик教授提出的对数型的砌体受压应力—应变表达式[4]:
式中ε—砌体的应变;
σ—砌体的应力;
ζ—与块体类型和砂浆强度相关的砌体变形弹性特征系数;
fk—砌体的抗压强度标准值。
上式中的主要缺点是:1定义1.1fk为砌体条件屈服强度, 这种定义不论是从试验上还是从理论上来讲都是有失偏颇的;2ζ没有考虑块体强度的影响。
湖南大学施楚贤教授根据式 (1) , 并通过对87件砖砌体试验资料统计分析, 建立了以砌体的抗压强度平均值fm为基本变量的砌体受压本构关系表达式[4]:
式中ζ—不同种类砌体的系数, 对于砖砌体, ζ=460;
fm—砌体抗压强度的平均值。
该式的主要特点是基于大量的试验研究所得, 比较全面地考虑了块体强度、砂浆强度及其变形性能对砌体变形的影响, 通过该式可以很容易地推导出砌体弹性模量和稳定系数, 该表达式目前在国内工程界已经得到了广泛的运用。但该式最大的缺点是受压应力—应变曲线只有上升段, 缺乏下降段, 且当σ=fm时, ε→∞, 与实际情况不符。
1989年, K.Naraine和S.Sinha提出了一个指数函数型的本构关系表达式[5]:
1997年, Lidia La Mendola对上式进行了一些调整, 得到[6]:
式中a—非线性指标系数。
式 (3) 和 (4) 可以反映出砌体受压应力—应变全曲线, 但该全曲线却缺乏软化段, 并且其初始切线模量值与最大压应力时的割线模量值总是呈定值关系, 这和实际不符[7]。
2.2 多项式型本构关系
V.Turnsek等人提出的砌体应力—应变关系式为[8]:
同样地, 该式虽然可以表达应力—应变全曲线, 但仍缺乏软化段。
Powell和Hodgkinson提出了相类似的公式[9]:
2.3 两段式型本构关系式
同济大学朱伯龙教授通过对已有试验资料的整理分析, 采用两段式给出了砌体应力—应变关系表达式[10]:
采用该表达式也反映了应力—应变曲线的下降段, 但该曲线在连接点 (ε=ε0) 处不光滑。
2.4 有理分式型本构关系
Madan A等人利用混凝土的方法给出了砌体受压本构关系[11]:
式中γ—非线性参数。
该式比较全面地反映了砌体受压时应力—应变曲线的特点, 具有上升段、下降段以及软化段, 但公式过于繁琐, 而且对各类砌体材料的拟合程度仍有待继续研究。
3 页岩烧结保温砌块砌体变形性能
3.1 砌体受压本构关系
根据试验实测的变形数据分别绘制29排孔和21排孔页岩烧结保温砌块砌体应力—应变曲线, 如图1和2所示。采用最小二乘法, 结合本次试验实测数据求出公式 (2) 的待定参数ξ, 具体计算过程为:
将本次试验实测的29排孔和21排孔页岩烧结保温砌块砌体数据代入上式分别求得待定参数ξ为1700和1300, 则有:
对于29排孔页岩烧结保温砌块砌体, 其受压应力—应变曲线表达式为:
对于21排孔页岩烧结保温砌块砌体, 其受压应力—应变曲线表达式为:
由图1和图2可以看到, 利用公式 (10) 和 (11) 得到的曲线与实测曲线有一定差距, 尤其表现在弹性阶段, 这说明不能采用施楚贤教授提出的本构模型来表示页岩烧结保温砌块砌体本构关系。
现将图1和图2曲线归一化, 得到页岩烧结保温砌块砌体归一化应力—应变曲线, 如图3和图4所示。再利用公式 (6) 类似的形式来拟合页岩烧结保温砌块砌体本构关系, 令:
通过软件SPSS[12]对试验数据进行拟合, 最终得到:
对于29排孔页岩烧结保温砌块砌体, 其受压应力—应变曲线表达式为:
对于21排孔页岩烧结保温砌块砌体, 其受压应力—应变曲线表达式为:
式中σ0—页岩烧结保温砌块砌体峰值应力;
ε0—峰值应变。
根据本次试验数据, 29排孔砌体峰值应变均值为928με;21排孔砌体峰值应变均值为680με。
由图3和4可以看到, 公式 (13) 和 (14) 和试验曲线吻合非常好, 因此建议采用式 (13) 和 (14) 来作为页岩烧结保温砌块砌体应力—应变关系式。
3.2 砌体受压弹性模量
砌体的弹性模量是砌体结构设计中的一项不可或缺的参数, 它可以使砌体结构设计的多个方面受到影响:弹性模量的大小会直接影响到砌体结构变形能力, 从而影响到砌体结构抗震设计;对于结构动力分析, 弹性模量能直接影响到振动周期的不同;还会影响非线性分析的结果[13]。所以弹性模量是砌体结构中一项非常重要的参数, 有必要对其取值进行研究。
3.2.1 砌体弹性模量的表示方法
因为砌体本身是一种弹塑性材料, 所以应力—应变曲线上各点应力与应变之间的关系是不断变化的, 目前表示弹性模量的方法主要有以下三种[4]:
3.2.1. 1 砌体的切线模量
如图5中A点 (曲线上任一点) , 从该点引应力—应变曲线切线, 与横轴交于B点, 夹角为a, 该夹角的正切值即为砌体的切线模量。
显而易见, 砌体的切线模量随着荷载的不同, 其值在不断地发生变化。
3.2.1. 2 初始弹性模量
如图5, 砌体的应力—应变曲线在原点O处的切线斜率即为砌体的初始弹性模量, 即:
式中a0—砌体受压应力—应变曲线上原点的切线与横坐标的夹角。
初始弹性模量仅表示了在砌体应力很小时所对应的σ-ε关系, 因此并不能反映砌体在整个弹性阶段的变形性能。
3.2.1. 3 砌体的割线模量
如图5, O点与A点连成割线的斜率即为砌体的割线模量:
因为砌体是一种弹塑性材料, 故其割线模量随着应力的增大而不断地减小, 但试验研究显示, 当σ= (40%-50%) fm时, 砌体试件经过反复加卸载5次以后, 应力—应变曲线接近于直线, 所以通常我们可以用砌体的割线模量来表示砌体受压弹性模量[4]。
为此, 我国现行《砌体结构设计规范》 (GB50003-2011) [14]采用应力为σ=0.43 fm时所对应的割线模量来表示砌体受压弹性模量, 常简称为弹性模量。
3.2.2 页岩烧结保温砌块砌体弹性模量
本文实测的页岩烧结保温砌块砌体弹性模量见表1。
本次页岩烧结保温砌块砌体弹性模量实测值较其它类砌体均大得多, 最主要的原因是薄灰缝造成的。本次砌筑的试件水平灰缝厚度仅有1 mm~2 mm, 而传统砌体灰缝都在10 mm左右, 因为砂浆的变形能力较块体要大, 故而本次试验结果轴向变形较小, 使得弹性模量较大。
根据公式 (13) 和 (14) , 取页岩烧结保温砌块砌体应力σ=0.43 fm时对应的割线模量作为砌体的弹性模量, 则有:
对于29排孔页岩烧结保温砌块砌体, 有:
对于21排孔页岩烧结保温砌块砌体, 有:
因此页岩烧结保温砌块砌体弹性模量计算式可统一为:
由表1可以看到, 弹性模量计算值与实测值非常吻合, 因此建议采用式 (20) 来计算页岩烧结保温砌块砌体弹性模量。
3.3 砌体的泊松比
对于各向同性的弹性材料而言, 泊松比一般为常数, 但是由于砌体并非完全的弹性体, 因此试验结果表明砌体的泊松比通常为变值。有关资料显示, 当σ/fm≤0.5时, 对于砖砌体泊松比一般为0.1~0.2, 通常取为0.15。
根据本次试验数据得到页岩烧结保温砌块砌体泊松比, 见表1, 建议统一取为0.3。可以看到, 本次实测泊松比较砖砌体的要大得多, 主要原因是页岩烧结保温砌块块体高度大, 同时采用薄灰缝, 使得砂浆对砌体轴向变形的贡献作用大大减小, 从而造成泊松比较大。
4 结论
介绍了现有砌体受压本构关系, 并对其优缺点进行分析;
根据实测数据分别绘制了29排孔和21排孔页岩烧结保温砌块砌体应力—应变曲线, 并利用公式 (2) 和 (6) 对曲线进行回归分析, 分析表明采用式 (6) 的形式回归得到的公式和试验曲线符合程度较高, 最后提出了页岩烧结保温砌块砌体应力—应变关系表达式;
页岩烧结保温砌块砌体弹性模量实测值较其他类砌体均大得多, 最主要的原因是砌块高度大、薄灰缝所造成的;提出了页岩烧结保温砌块砌体弹性模量计算式, 该式与试验结果非常吻合;
烧结保温材料 第8篇
具备高强度、高硬度与高热稳定性的材料是结构材料研究者的共同目标。自2008年王明智[1]等人的研究表明β-Sialon材料能够与cBN形成良好结合后,β-Sialon/cBN复合材料正逐步受到结构材料研究者的关注。我国学者叶枫[2]于2010年以SPS烧结法制备了β-Sialon/cBN复合材料,获得的复合材料(低cBN含量,10%wt)硬度为15.4GPa,抗弯强度为432MPa,断裂韧性为6.8MPam1/2。日本学者Mikinori Hotta分别于2009年及2011年以SPS烧结法获得β-Sialon/cBN复合材料[3,4,5,6],获得的含10% vol的烧结体硬度值为17.7GPa。王明智、赵玉成以SPS烧结法制备的β-Sialon/cBN材料(中cBN含量,50%wt)的硬度达到28～48GPa,断裂韧性介于7.5～11.5 MPam1/2之间。
根据BN相图可知,在常压下高温烧结>1750°C时,将发生cBN→hBN的相变,而烧结Sialon的常规温度远高于此温度,因此以上学者采取放电等离子烧结法(SPS)以降低Sialon的烧结温度,然而获得的产物中始终含有hBN相。本研究采用超高压烧结法制备cBN/Sialon复合材料,可大幅降低烧结温度,并选取在cBN稳定的相区条件内进行烧结,抑制了cBN相变。对烧结过程中出现的异常烧结失效原因进行了深入的分析,并提出了解决的方案。
1 实验过程
1-堵头;2-叶蜡石;3-石墨纸;4-镁杯;5-石墨杯; 6-白云石环;7-钛片;8-粉体
1-steel bowl, 2-pyrophyllite, 3-graphite heater, 4-MgO, 5-graphite capsule, 6-dolomite, 7-Ti plate, 8-raw material powders
实验所用原料:cBN(M990,河南富耐克超硬材料有限公司,纯度>99.5%,1～3 μm),Si3N4(德国Starck, 0.5 μm),Y2O3(赣州广利,纯度>99.99%,5 μm),AlN(合肥凯尔纳米,纯度>99%,5μm),Al2O3(0.5 μm, 纯度>99.99%,淄博鑫美宇氧化铝有限公司)。
Sialon原始配比的Z值为3,将上述原料按特定配比称量后,以无水乙醇为介质,在玛瑙研钵中混合研磨2h,混合均匀的粉料充分干燥后,在不锈钢模具中单轴加压20MPa制成Ф22×5mm的圆片生坯,将生坯放入高压烧结样品的组装模具中,组装方式如图1所示。在铰链式六面顶压机上,经5.0GPa的压力、1750°C的温度以及5～30min的保温时间进行超高压烧结实验。烧结样品经磨平抛光后,进行密度测试、硬度测试,样品制成如文献[1]所述的2×3×12的样条进行抗弯强度测试。对XRD扫描结果进行物相分析,用Rietveld全谱拟合法进行定量计算,用MAUD软件测定晶格常数确定Sialon的Z值,对抛光表面进行腐蚀后进行SEM观察。
2 结果与讨论
2.1 烧结过程中的失效分析
使用内径为22mm的石墨杯后,其显著特征是每当加热阶段的工步时间在210s～230s,温度为1385°C～1420°C之间时,就会出现电流突降,电阻急剧上升的情况。而在之前的18.8mm内径石墨杯的烧结实验中并未出现此问题。电流突降表明加热系统中局部电阻增大。在超高压烧结条件下,加热电流达到上千安培,在这样高的电流下,局部电阻的增大会导致局部发热量过大,若不急停设备,聚集的热量将烧裂顶锤,甚至会发生六面顶压机放炮及危害人身安全的重大事故。为了防止上述情况发生,必须对烧结过程中的电流回路进行具体分析。加热系统的电流回路如下所示:上顶锤→上堵头→上层石墨纸→中层石墨纸→下层石墨纸→下堵头→下顶锤。若发生电流突降,则首先应当考虑是加热回路的某个部分出了问题。有可能是堵头、石墨纸的材质问题,还有是否为顶锤与堵头之间、堵头与石墨纸之间、石墨纸与石墨纸之间的接触不良。
具体原因排查及解决过程如下:
(1)使用内径为18.8mm的石墨杯时从未出现电流突降的现象。初步假定为堵头或者石墨纸出现了变质。采用全新石墨纸及堵头进行3组对照实验。结果发现,电流突降问题依然存在。
(2)由第一步排查可初步判断并非堵头或者石墨纸的材质问题,采用原先的石墨纸以相同的加热曲线对实心石墨块进行加热(实心石墨块与石墨纸之间为氧化镁杯),进行3组对照实验,结果发现,加热过程稳定,没有出现电流突降的现象。实心石墨块烧结后有一定收缩,但依然保持完整的圆柱状。
(3)由第二步排查可确定,断电过程中加热系统的电流回路必然出现了接触不良的情况。小心敲开烧结后的组装块,发现烧结体与实心石墨柱烧结后的完美柱状相比,其上下表面及圆周面都出现严重内凹。初步认为是烧结体各部分收缩不均引起附着在烧结体上的石墨加热纸发生脱离,故造成烧结过程的电流突降乃至中断。
(4)根据第三步分析,加大了上层石墨加热纸的直径,以保证各部分收缩不均匀时仍能使各部分石墨加热纸保持接触,此后电流突降、电阻上升的问题不再出现。证实了电流突降的原因正是由于烧结体收缩不均匀引起的。
本研究中,cBN/Sialon复合材料的制备与本课题组先前所研究的cBN/Al体系不同,其原料中Si3N4的质量分数较大,而Si3N4在烧结过程中收缩比例大,引起了烧结过程中加热系统的崩溃。
2.2 性能测试及表征
如图2所示,烧结体中的主要晶相为cBN,α-Al2O3,β-Sialon。没有发现烧结助剂Y2O3的衍射峰,说明烧结助剂在烧结条件下以玻璃相的形式存在于晶界上。没有发现hBN的衍射峰,说明在本实验的高温高压条件下,cBN是稳定相,这为烧结体拥有良好力学性能提供了可能。从图中还可以发现,随着保温时间的延长,Al2O3的含量逐渐减少,说明固溶随着保温时间的延长而逐步彻底。
a:5min b:20min c:30min
不同保温时间下获得的cBN/Sialon烧结体,随着保温时间延长,各个衍射峰均发生了一定的偏移,这是以Si3N4生成Sialon的固溶过程中的晶格溶胀引起的衍射峰角度偏移。用MAUD软件测定所获得的Sialon晶格常数a,c。Za及Zc通常据以下经验公式得出[7]:
undefined
undefined
其中,Z值为Za和Zc的平均值。根据计算结果,保温5min时的Sialon的Z值最低,随着保温时间的变化,Sialon的Z值逐渐上升,其值分别为0.34,2.76,2.88,这说明在20min之后固溶过程进行得非常缓慢。一般热压烧结Sialon陶瓷的保温时间均在1～4h范围内。而在本研究中,保温时间20min即可得到Z值为2.76的Sialon相,这说明超高压对烧结具有极大的加速作用,这与沈中毅及唐敬友等人的研究结果相符[8,9]。
如图3所示,为观察Sialon的晶体形貌,选择低cBN含量(cBN 10wt% ),保温时间为30min的cBN/Sialon烧结体,在500°C下用熔融氢氧化钠对其抛光表面进行腐蚀,腐蚀时间为150s。结果发现Sialon 棒状晶体具有高的长径比,一部分棒晶较为粗大,但也有部分晶体呈Si3N4的针状结构,这与保温时间较短,晶体发育时间不够充分以及超高压对液固相变过程的抑制作用有关。在这二者的综合作用下,获得的Sialon在一定程度上保持了类似Si3N4针状结构。
硬度测试及抗弯强度测试的结果表明,含cBN 40 wt%的烧结体同时具有较好的硬度及强度,数值分别为24.5 GPa及712MPa,具有一定的实用性。
3 结论
本研究在5.5GPa、1750℃的超高压烧结条件下合成了cBN/Sialon材料。cBN在实验条件下保持稳定。在超高压作用下,Sialon的合成时间大为缩短。随着反应的进行,Z值逐渐增加,保温20min后Z值基本保持不变。超高压下获得的cBN/Sialon材料具有较好的硬度及抗弯强度。原料Si3N4在烧结过程中发生的较大体积收缩引起加热系统的崩溃。增加上下层石墨发热纸的直径能够避免电流突降、电阻突增的危险情况发生。
参考文献
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[8]Z.Y.Shen,J.R.Sun,Chinese journal of high pressure phys-ics.7(1993)1-10
烧结保温材料 第9篇
镍是一种银白色金属,主要应用于钢铁、金属合金及化工等行业,在国民经济发展中具有重要地位[1]。随着镍资源的不断开发利用,产生的镍尾矿也越来越多。目前,镍尾矿的利用率不高,大量堆积的尾矿不仅占用了土地,若处置不当还对环境造成污染[2]。利用尾矿制备建筑材料是实现尾矿综合利用的有效途径。
不同尾矿的化学成分、物理性质差异大,很难有统一的制备工艺,需要进行具有针对性的试验研究。目前,利用红土镍尾矿制备烧结墙体材料的研究较少,本研究以红土镍尾矿为主要原料制备烧结砖,考察了红土镍尾矿掺量、成型含水率及烧结制度对烧结砖的性能影响,为制定红土镍尾矿烧结砖合理的制备工艺提供实验基础和理论依据。试验中的红土镍尾矿钙、镁、硫含量高,如何避免烧结砖泛霜、爆裂问题是本研究的主要难点。
1试验
1.1试验原料
本实验以广西玉林市龙潭产业园的红土镍尾矿及当地页岩为原料,尾矿的粒度级配见表1,化学成分见表2。
%
从表1可知,原料较细,制砖时需要掺入部分骨架颗粒。 从表2可以看出,红土镍尾矿的Si O2和Al2O3含量偏低,会影响到烧结砖的抗压强度,Mg O和Ca O含量较高,容易引起烧结砖的泛霜问题[3]。硫含量高,要注意烧成过程硫的二次污染问题,实际应用中需配套脱硫设备;从化学成分来看,单纯利用红土镍尾矿制砖存在一定的困难。为了满足原材料的制砖要求,需要配入一定量的页岩,页岩的化学成分见表3。
%
红土镍尾矿的XRD衍射图谱见图1。
由图1可见,红土镍尾矿中主要矿物为石英、钙(镁)黄长石、石膏等。其中石英相(Si O2)、二水石膏相(Ca SO4·2H2O)所占比例最高。石英的主要作用是提供Si O2成分,长石在高温下熔融后形成长石玻璃相填充于坯体颗粒之间,使坯体变得致密,并能熔解其它矿物,有助于提高制品的机械强度。
利用尾矿制烧结砖时,原料的塑性指数是一项重要的工艺性能指标,不但直接关系到粉料的成型性能及其掺入比例, 而且影响到坯体的致密性及最终产品质量。采用塑性指数测试仪对红土镍矿尾矿进行可塑性测定,红土镍尾矿的塑性指数为13.9,可以满足烧结砖的要求。
1.2试验方法
试验流程为:取样→晾干→破碎→筛分→混料→加水搅拌→陈化→成型→干燥→烧结→产品检测。
鉴于尾矿中Mg O、Ca O、SO3的含量偏高,为了防止泛霜及爆裂发生,试验中将尾矿全部通过1 mm筛,将筛分后的尾矿与页岩定量混合,掺入页岩调整配方颗粒级配和塑性,同时降低配方中Mg O、Ca O、SO3的含量,使其满足制砖要求。混合后搅拌均匀,然后再加入定量的水并搅拌,使水分分布均匀。陈化24 h后将泥料放入真空练泥机,在真空度-0.08 MPa,压力3 MPa下挤压成直径5 cm的圆柱型长条,再切割成5 cm小段自然放置2 d,之后放入恒温干燥箱,在(105±5)℃温度下干燥至恒重,最后对试样进行烧结,并进行性能测试。试验烧结采取的升温制度如表4所示。
2试验结果与分析
2.1原材料配比试验
经过前期试验摸索,将焙烧温度固定为1050 ℃,成型水分为18%,于3.0 MPa、真空度-0.08 MPa下挤出成型,在干燥箱中于105 ℃干燥至恒重条件下进行红土镍尾矿掺量单因素试验,结果见图2和图3。
由图2可知,随着尾矿掺量的增加,制品的抗压强度呈逐渐降低的趋势。尾矿掺量小于30%时,制品的抗压强度能达到MU30,尾矿掺量为40%~50%时,强度能达到MU25,尾矿掺量为60%时,强度急剧下降。
由图3可知,随着尾矿掺量的增加,制品的体积密度先增大后减小,吸水率逐渐增大。制品的体积密度为1.86~1.96 g/cm3,比普通烧结砖的密度略微偏大。除了红土镍尾矿掺量为60%试样吸水率过高外,其它制品的吸水率为12.4%~17.5%, 在普通烧结砖允许的范围内。
试验中发现,当红土镍尾矿掺量达到50%时,坯体在干燥表面出现泛灰白现象,烧成后制品表面保留灰白颜色,继续加大尾矿掺量,烧成后表面出现轻微掉皮甚至爆裂。为防止制品泛霜及爆裂并尽可能增加尾矿掺量,红土镍尾矿最佳掺量为40%。
2.2成型含水率试验
成型含水率是影响烧结制品的重要因素之一,适当的含水率有助于提高原料的可塑性,使坯体颗粒粘合在一起,保证试样成型效果,但成型含水率过高或过低都会影响烧结制品的综合性能。成型含水率对烧结砖性能的影响见图4。
由图4可知,试样的抗压强度随着成型含水率的增加而提高,当含水率大于18%时,随着成型含水率进一步增加,试样抗压强度有所下降,试样的吸水率则是随着成型含水率的增加而增大。坯体的成型含水率越大,一方面,有助于坯体颗粒稳固粘结,在烧结过程中使试样反应稳步进行,试样抗压强度增大;另一方面,在干燥和烧结过程中由于水分蒸发留下的空隙变大,从而导致试样吸水率增高,抗压强度下降,试样的最佳成型含水率为18%。
2.3最佳焙烧温度试验
选取红土镍尾矿的掺量为40%,焙烧温度范围为850~ 1150 ℃,温度梯度为50 ℃。对焙烧样品进行烧成收缩率和吸水率测试,以确定该混合料的最佳烧成温度。烧成收缩率和吸水率随焙烧温度的变化曲线见图5。
由图5可以看出,试样的收缩率随着焙烧温度的升高而增大,吸水率随着焙烧温度的升高而逐渐降低。这是因为焙烧温度越高,砖块内部就会因融化而产生越多的液相,液相可填充砖块内部孔隙,使砖块变得小而密实,进而使烧结砖的烧成收缩率增大,使吸水率减小[4]。为保证烧结制品的质量,烧成收缩率不宜过大,否则会使砖块在烧结过程中变形,因此烧成收缩不宜超过5%,而吸水率也应该控制在20%以下,以保证烧结砖的使用寿命,综合考虑,焙烧温度在1050~1100 ℃时最佳。
2.4保温时间试验
红土镍尾矿掺量为40%,成型含水率为18%,焙烧温度为1050 ℃条件下,保温时间对烧结制品性能的影响见图6。
由图6可知,当保温时间小于1 h时,烧结砖的抗压强度随着保温时间的延长而快速提高;当保温时间大于1 h后,烧结砖的抗压强度基本不变。烧结砖的吸水率随着保温时间的延长而逐渐减少。从烧结砖的性能及节能降耗方面综合考虑, 最佳保温时间为1.0~1.5 h。
2.5最佳工艺烧结砖的性能
在最佳工艺条件下对制备的红土镍尾矿烧结砖进行性能测试,结果见表5。
2.6中试试验
根据小试试验确定的工艺条件,参照企业实际生产进行红土镍尾矿制备烧结墙材中试试验,产品尺寸为240 mm×190 mm×90 mm,性能测试结果见表6。中试产品表面光洁,形状规整,颜色基本为红褐色;经测试,所测各项性能均符合GB 13544—2011《烧结多孔砖和多孔砌块》要求,产品质量合格。
3烧结机理分析
红土镍尾矿烧结砖的烧结过程分为2个阶段。第一阶段为烧结温度小于900 ℃时,试样失去吸附水、结晶水、结构水, 部分矿物晶格破坏,开始分解,烧结以固相表面的扩散传质为主。第二阶段为烧结温度大于900 ℃以后,砖坯开始烧成,非结晶物质重结晶形成新的结晶态长石,结晶态长石是烧结砖的骨架颗粒之一[5]。同时,部分长石与石英及硅酸盐形成低共熔物,填充于坯体的骨架颗粒之间。在表面张力的作用下,固体颗粒距离拉近,坯体体积收缩[6]。烧结中后期是以熔融液相作用下的固体颗粒重排和塑性流动传质为主。烧结冷却之后, 熔融液相转变成玻璃相,将骨架颗粒粘结在一起,使砖体具有强度[7,8]。
4结语
(1)以红土镍尾矿与页岩为原料,在适当的工艺条件下, 可以生产出符合GB 13544—2011的烧结制品。尾矿制备烧结砖符合循环经济理念,可为当地新型墙材资源综合利用提供新方向。
(2)红土镍尾矿中钙、镁含量偏高,使用过程需对原料进行一定处理,并严格控制尾矿掺量,从而将有害成分控制在合理范围内,防止烧结制品出现泛霜及爆裂现象;另外,由于尾矿中硫含量高,需注意烧成过程中二次污染问题,实际应用需配套脱硫设备。
(3)在本试验条件下,红土镍尾矿制备烧结砖最佳工艺为:尾矿掺量40%,成型含水率18%,烧成温度范围1050~1100 ℃ ,保温时间1.0 ~1.5 h。 制备的烧结试样强度等级达到MU30。中试制备的烧结多孔砖各项性能均符合GB 13544— 2011中MU15的要求。
摘要：以红土镍尾矿和页岩为原料制备烧结墙体材料。分别对原材料的性质进行了测试分析,研究了红土镍尾矿掺量、成型含水率、烧结制度对烧结制品性能的影响,并对烧结机理进行了阐述分析。结果表明,红土镍尾矿的最佳掺量为40%,最佳成型含水率为18%,最佳烧结温度为1050~1100℃,保温时间为1.0~1.5 h,中试产品符合国家相关标准要求。
关键词：红土镍尾矿,页岩,烧结墙体材料,最佳工艺
参考文献
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烧结保温砖的成孔剂研究进展 第10篇
随着世界能源的紧缺以及环境保护的日益重视,节能与废物利用成为未来发展的主导,开发新型的保温墙体材料,完全符合这一发展趋势。传统的实心粘土砖由于质重、大量消耗资源、保温性差,将逐步被新型的墙体保温材料所取代。新型保温砖具有质轻、导热系数低,有效降低能耗,充分利用工业和农业的废弃物,降低运输成本等优点,完全符合可持续发展的战略目标。
烧结保温砖机理是在砖坯中加入成孔剂,通过烧结使砖体内产生大量孔隙(包括开孔和闭孔),由于气体导热系数很低,仅为固体材料的十分之一,当气孔率很高的烧结轻质砖内充满气体时,可以有效地降低其导热系数,使烧结砖具有良好的保温性能。增加砖体内的孔隙途径有:一是通过在粘土质原料中添加易燃物质,在烧结过程中,由于燃烧后留下的空隙,增强保温砖的绝热性能;二是通过添加多孔材料,利用材料本身的多孔性微观结构,制备烧结保温砖。
2 成孔剂的类型及评价
2.1 成孔剂的类型
目前,成孔剂的种类繁多,如何选择适当的成孔剂成为研究的重点。常用的烧结保温砖的成孔剂主要分两大类:一是有机类成孔剂,常用的有机成孔材料有锯屑、聚苯乙烯、秸秆、纸浆、煤和焦炭等。二是无机类成孔剂,常用的无机成孔材料有珍珠岩、硅藻土、方解石、浮石和蛭石等。一般有机成孔材料比无机成孔材料便宜,并且在焙烧过程中完全释放出热量,起到内燃料的作用,可以节约能源。但是,有机物的燃烧过程中,会大量释放出CO2,污染环境,这也是有机物作为成孔材料的主要缺陷。而无机物作为成孔材料会大大降低粘土的塑性,导致成型水量的增加,从而降低湿坯的强度,给干燥过程带来困难,并且增加了干燥过程的能耗。
2.2 成孔剂的评价标准
烧结保温砖的成孔剂的评价标准有三点:(1)成孔剂对孔结构的影响,在烧结砖中使用不同的成孔剂,其所形成的孔的种类、形状、大小以及孔的排布不同。(2)对砖的强度的影响,由于成孔剂的加入,在砖体内产生空隙,降低了砖的密度,同时强度下降。所以成孔剂的种类以及掺入成孔剂的量要严格控制。(3)砖体的导热性,成孔剂的选择要考虑获得较小的导热系数,保温性能好。
2.3 孔结构对保温性能的影响
加入成孔剂以后,所形成的孔对保温砖的性能影响主要有以下几个方面:(1)孔一般可以分为:开口和封闭两种,开口孔能改善砖的绝热性能,并有一定吸声效果,而封闭的孔由于与外界缺少热量交换,更能改善砖的绝热性能,降低砖的吸水性。(2)孔隙率,孔隙率越高,砖的密度越低,导热系数越低。但是砖的密度也不能过小,随着砖的密度越来越小,砖体内的孔隙出现互相连通,增大了对流换热的强度,导致材料导热系数反而增加。(3)孔的尺寸,一般保温砖内的孔呈微米级,当孔隙率不变时,随着孔径尺寸变小,砖的保温性能越好。这是由于气孔尺寸变小,降低了空气的对流幅度,使对流传热的效率降低,而且气孔数量增多,导致内部气孔壁表面积增加,增加了固体反射面,使辐射传热的效率降低。
3 有机成孔剂
3.1 塑料类
废旧聚苯乙烯。废旧聚苯乙烯作为成孔剂的一种,在国外已经被广泛应用。由于聚苯乙烯的颗粒在高温热解过程中不留下任何残渣,释放出CO2和水蒸气,在砖体内留下孔隙,改善了砖的绝热性能[1]。Sohrab Veiseh and Ali A.Yousefi[2]等人对聚苯乙烯作为成孔剂进行了深入的研究,掺泡沫聚苯乙烯的保温砖见图1,将原料经过发泡预处理,通过对原料的颗粒大小,掺入成孔剂的量以及烧结温度的对砖体的密度、吸水性、抗压强度等影响的研究,发现随着成孔剂的增加,抗压强度和密度下降,吸水性下降。掺入1.5%(wt%)聚苯乙烯砖体,其导热系数为0.24 W/m·K,只有普通砖的1/4,可以满足建筑节能的需求。通过研究发现,聚苯乙烯掺入量为2%时,仍能满足承重墙体材料的要求(见图2)。德国以粘土和塑料为原料,生产轻质保温砖。通过在粘土中掺入6%~20%破碎成颗粒的废旧塑料,通过压制成型后焙烧,塑料在焙烧过程中化成灰,在砖体内留下大量的孔隙,其保温性能比普通砖高一倍[3]。
3.2 可燃农业废弃物类
目前,农业废弃物主要用作动物的饲料,肥料和燃料等,很少用于建筑材料的生产中。随着传统建筑材料的大量消耗,有必要开展寻找替代材料的研究。常用做成孔剂农业废弃物有粉碎的稻草、秸秆、稻壳等。经过粉碎的农业废弃物在原材料中起着纤维性的填充料和加强材料结构的作用,有利于坯体强度的提高,加快湿坯的干燥过程,而在焙烧期间又是一种燃料,可以节约能源。通常农业废弃物要粉碎到3 mm以下才能使用。这类材料的挥发分很大,灰分很小,能在砖体内留下孔隙,是一种很好的气孔形成剂。一般认为[4],掺入有机成孔剂以后,由于纤维素吸收水分,导致需要加入更多的水来保持塑性。有机物废渣加入粘土后,能够比较均匀的分布在砖坯中,在混合和挤出成型的过程中都不存在问题。干燥过程是生产烧结砖过程中的重要一步,任何细小的裂缝在烧结过程中都会变大。有机物废渣的增加导致干燥收缩率的增加,干燥收缩率变大主要是由于有机物的加入,导致原料的塑性降低,需要加入的成型水分量变大。虽然随着有机物的添加导致所需水的增加,但有机纤维本身孔洞性和吸收性在一定程度上还是对收缩起到了缓冲的作用。还有随着有机物的加入量的增加,烧结保温砖的吸水率会增大,影响的砖的耐久性能[5]。所以,必须严格控制有机物的加入量,保证烧结砖的机械性能。
3.3 含有机物的工业、生活废渣
这类成孔剂包括:污水处理厂污泥、下水道淤泥、造纸工业的废泥、纺织工业的废料、制革工业废料等。但这类废料作为成孔剂必须经过严格的实验以及烧结过程和产品的污染物检测,以确定是否可行。因为这类材料含有重金属如Pb、Zn、Cr、Cu等;此外,有的废料在焙烧过程中释放出大量有害气体。这类工业废弃物掺入,不但可以节约能源,而且保护环境。皮革工业中的废渣含有重金属Cr,如果不加以处理会危害环境。B.O.BITLISLI and E.KARACAKI[6]利用制革工业中的固体废弃物经过粉碎后掺入到粘土中。研究了掺入重量为1%、3%、5%和10%的固体废弃物,随着掺入量的增加,砖的密度、导热系数和抗压强度下降明显。通过实验,确定最佳的固体掺入量为5%。Demir[7]等人研究了利用造纸工业的残渣掺入到粘土中制砖。首先将纸浆废渣溶解于水中,然后加入粘土中,掺入废渣量分别为0%(A)、2.5%(B)、5%(C)、10%(D),在900℃高温下进行焙烧,通过对烧结制品机械性能的测定(如表1),随着废渣掺量的增加,烧结砖的表观气孔率和吸水率增加,而密度和抗压强度下降。这是由于随着废渣的增加,砖坯内有机物的含量增加,经过高温焙烧以后,有机物转化为CO2和水蒸气,只留下少量的灰分,在砖体内留下孔隙所致。根据土耳其的国家标准以及掺量对性能的影响,确定适宜掺入量为2.5%~5%,研究发现,掺入造纸废渣以后,由于长纤维的吸水能力,加大了砖坯成型的含水量。另外,随着有机废渣的加入,增强了砖坯的抗弯强度和干燥强度,使之不容易开裂,提高产品质量。经观察发现硫酸盐浆的残渣在砖坯内分布均匀,是一种非常有效的成孔剂,并且砖的机械性能达到使用标准。
4 无机成孔剂
4.1 矿物类成孔剂
矿物类成孔剂主要有珍珠岩、蛭石、硅藻土、浮石等。珍珠岩是一种酸性火山玻璃岩,主要有玻璃质组成。蛭石是一种层状结构的含镁的水铝硅酸盐次生变质矿物,原矿外似云母,通常由黑(金)云母经热液蚀变作用或风化而成,因其受热失水膨胀时呈挠曲状,形态酷似水蛭,故称蛭石。珍珠岩和蛭石经破碎、筛分、预热焙烧后,体积迅速膨胀,成为多孔粒状物料,比重低,具有很强的保温隔热功能,被广泛运用于保温墙体材料。Ilker Bekir Topcu和Burak Is1kdag[8]将珍珠岩掺入到粘土中,制备轻质保温砖。珍珠岩在高温下急速膨胀,内部产生大量孔隙,可以大大降低导热系数。通过对不同掺量的珍珠岩保温砖的容重、烧结收缩率、抗压强度和导热系数的比较,确定最佳掺入量为24%~30%,当掺入量为30%时,烧结砖的导热系数为0.21 W/(m·K),远远小于普通砖的导热系数0.46 W/(m·K),有很好的隔热保温效果。田红龙[9]等人利用珍珠岩尾矿烧结保温砖,粘土/尾矿砂为1.25~1.5:1为了使配合料的粒度组成粗化,降低干燥收缩率,减少干燥开裂,同时降低能耗,在配料中添加了粒度不超过3 mm的以煤矸石为主的添加剂,添加比例为5%~8%(质量比)。在900℃~1000℃范围内烧结,对产品的各项性能进行测定,烧结砖强度高、质轻、导热系数在0.4 W/(m·K)左右,有较好的绝热保温性能。硅藻土属非金属黏土矿物,其主要化学成分为非晶体二氧化硅(或称无定形二氧化硅),伴有少量蒙脱石、高岭石、石英等黏土杂质和有机质。在显微镜下观察,硅藻土呈现形态迥异的各种藻体形状,单个藻体大小从几微米到几十微米不等,藻体内外表面分布着众多纳米级微孔,这是硅藻土区别于其他非金属黏土矿物的基本物理特性。硅藻土具有显微多孔结构特征,具有堆密度小、比表面积大、吸附性能强、分散悬浮性能好、物化性能稳定、相对不可压缩性、隔音、消光、隔热、绝缘、无毒无味等优异的性能,可以作为保温材料。以硅藻土为主要原料添加一些可燃材料,经混合、成型、烧结等制成的产品。其孔隙率为50%~80%,导热系数为0.06 W/(m·K)~0.10 W/(m·K),因此具有很好的保温隔热性能,最高使用温度可达900℃。表2列出了常用于保温材料的几种矿物的性能.。
4.2 泡沫玻璃
泡沫玻璃保温砖集保温、隔热、保冷、吸声等功能于一身,密度小,吸水率低,导热系数小,强度高等优点,得到了专家们的高度重视,并获得了社会的承认。由废玻璃粉和发泡剂等经配料、成型烧制而成,气孔率达80%~95%,气孔直径为0.1 mm~5 mm,且大量为封闭而独立的小气泡。其表现密度为130 kg/m3~300 kg/m3,导热系数为0.052 W/(m·K)~0.07 W/(m·K),抗压强度为0.8 MPa~15 MPa。邓家平等[10]人研制的建筑用泡沫玻璃保温砖的原料由玻璃质材料和助熔剂、发泡剂、稳泡剂组成。废玻璃与珍珠岩尾矿的比例以1:(1~2)为宜,助熔剂的适宜用量为5%~9%(整体材料百分比),发泡剂的量为0.5%~2%,稳泡剂的用量在1%~3%范围内效果比较好。通过先进的生产工艺,制备出的优质保温砖的导热系数为0.05 W/(m·K)~0.07 W/(m·K)(见表3),目前,在我国的长春地区已经投入了实际生产,且经济效益可观。Bettzieche,,H.[11]研究将泡沫玻璃颗粒作为成孔剂加入到粘土中,烧制保温砖。由于玻璃的加入,和粘土形成新的增加强度的相。因此,有可能减弱抗压强度随着多孔性增加而减小的趋势。
4.3 可燃性矿物类废渣成孔剂
这类物质包括有煤渣、煤粉、焦炭、煤矸石、粉煤灰等。这类材料作为成孔剂,效果不是很理想,主要原因就是这类材料在焙烧期间能量的大量释放,对工艺控制有一定影响,另外燃烧后灰分较多,不利于气孔的形成,保温性差。目前,国内利用粉煤灰掺入制砖原料中,烧结砖的保温性能比较差。在这方面,南通地区开发利用70%~75%的淤泥和25%~30%的粉煤灰生产淤泥烧结砖[12]。烧结粉煤灰砖容重为1 300 kg/m3~1 400 kg/m3,每块砖平均重为2 kg,比普通砖轻0.5kg。导热系数为0.460 W/(m·K),大大低于普通砖,有质轻、保温的特点。
5 存在问题与研究方向
随着成孔剂的加入,为了达到成型所要求的塑性,必须提高砖坯的成型含水率。由于成孔剂的加入,在砖坯中起到骨料的作用,降低砖坯的致密度,加快干燥过程,降低能耗,并且砖坯不易开裂。经过烧结以后,在砖体内产生孔隙,从而降低砖体密度,导热系数也随之降低,起到保温的效果。
成孔剂在实际应用中存在的主要问题有:(1)成孔剂的合理使用量,因成孔剂的加入,导致砖体的密度降低,同时抗压强度也随着降低,吸水率提高,导致砖体的质量下降;(2)成孔剂所含的热量必须考虑到焙烧过程所需热量的总和;(3)成孔剂在焙烧过程中排放的有害气体的控制;(4)成孔剂中重金属含量及产品放射性强度的控制。
目前,研究方向有以下几个:(1)不断开发新型的成孔剂,达到节能利废的目的。(2)由于成孔剂的加入,对烧结制品的抗压强度有明显的影响。目前的研究重点就是如何在加入的成孔剂以后,减小砖体的抗压强度变化。(3)由于成孔剂的加入,导致吸水性增强,对产品的耐久性能产生影响,如何提高产品的质量,也是当前的研究重点。
参考文献
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[3]静斋,轻质保温砖[J],建材工业信息,1999(01).
[4]Ismail Demir.An investigation on the production of construction brick with processed waste tea[J].Building and Environment,2006,41(9).
[5]Ismail Demir,Effect of organic residues addition on the technological properties of clay bricks[J].Waste Management,2008,28(3).
[6]B.O.BITLISLI,E.Karacaki,Utilization of leather industry solid wastes in the production of porous clay brick[J].Journal of the Society of Leather Technologists and Chemists,2006,19(1).
[7]Ismail Demir,M.Serhat BaspInar,Mehmet Orhan,Uti-lization ofkraft pulp production residues in claybrick production[J].BuildingandEnvironment,2005(40).
[8]IlkerBekirTopcu,Burak Is1kdag,Manufacture ofhigh heat conductivityresistant claybricks containingper-lite[J],BuildingandEnvironment,2007,42(10).
[9]田红龙,丛树民,戴睿.珍珠岩尾矿烧结砖的实验研究[J],房材与应用,1999(06).
[10]邓家平,唐晓宇.建筑用泡沫玻璃保温砖的生产及应用[J],新型建筑材料,1995(04).
[11]Bettzieche,,H.Pore-forming in brickmaking clay by means of expanded glass granules[J],Ziegelin-dustrie International,2000(5).
烧结保温材料 第11篇
关键词：节流式除尘器 降低能耗 控尘必要风量
中图分类号：TF046 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（a）-0053-02
目前情况下，钢厂烧结配料除尘系统往往采用布袋式除尘器或静电除尘器进行集中控尘处理。这些除尘系统存在占地面积大、系统复杂、能耗高、前期投资高等缺点。现阶段，节能减排成为全国钢铁企业发展的主流背景，在保证除尘系统除尘效果的前提下如何降低能耗，成为每个钢铁企业与研究机构不断探索的新方向。
该文提出了一种新型烧结配料除尘系统。此次探究是在全面、准确地了解了钢厂烧结配料除尘系统具体运行状况后，以降低生产过程能耗为目标而设定的技术方案与系统设计。
1 以现有某钢厂烧结配料除尘系统为例，分析系统现状
某钢厂（年产粗钢110万t），其烧结配料系统是将生石灰、烧结返料、矿粉、焦炭粉等物料按一定比例进行掺配，然后送入烧结机进行烧结。整个烧结配料工序共有16个产尘点，选用两台传统布袋式除尘器（总功率为100 kW，总排放量为79 000 m3/h）进行除尘。
由于其除尘器距离产尘点较远，除尘管道压力损失高，管路系统复杂，很难实现每个除尘点风量的精确分配。部分产尘点除尘风量大于实际需用风量，造成风量浪费；而在部分产尘点处又因风量不足导致除尘管道内部风速较低，使得管道堵塞，难以取得较好的控尘效果。
此外，配料过程中各种物料粒径、含水量不同，配料过程中产尘点的扬尘量也不同，给整个系统增加了除尘风量分配的难度。比如说生石灰、烧结返料转接点，扬尘大，除尘所需集尘风量也大。
在实际的使用中，只要系统内的任何一个产尘点工作，都必须启动除尘设备对整个系统进行控尘，造成了大量的风量浪费，除尘设备能耗过高。
烧结配料除尘系统结构简图如图1所示。
2 新型烧结配料除尘系统
相较于传统烧结配料除尘系统的“管路系统复杂，管道压力损失高，能耗高”的特点，新型烧结配料除尘系统采用“精细化分散处理”，为每个产尘点单独配置节流式除尘设备。
设备体积小，可靠近产尘点放置，有效降低除尘管道复杂程度，减小系统总压损，实现节能。
使用柔性落料与控尘技术，并精确选择除尘风机工作点，使除尘风量尽可能接近控尘必要风量，避免风量浪费，以及物料大量损失。
每台除尘设备分别与相应产尘点联动，系统控制灵活，有效降低设备实际使用能耗。
2.1 系统工作原理
原料经过柔性落料系统降尘后，含尘气体经集尘罩、风管进入节流式除尘器。在节流式除尘器内部含尘气体首先与水进行强烈碰撞物质交换，使灰分被水捕集，气体得到第一次净化；随后激起的水幕对含尘气体进行二次喷淋净化，达标气体经风机管道排放。
2.2 新型烧结配料除尘系统方案说明
2.2.1 溜槽设计说明
（1）保留原有溜槽。
（2）对原有溜槽漏料处进行修补。
2.2.2 集尘罩设计说明
（1）拆除原有集尘罩。
（2）新增集尘罩尺寸：6 000×800×350。
（3）集尘罩与皮带密封方式：软皮密封。
2.2.3 集尘管道设计说明
（1）集尘管道风速：12～13 m/s。
（2）集尘管道尺寸：280 mm。
（3）集尘管道长度：直管9 m，弯头4个。
2.2.4 除尘器选型说明
除尘器选型说明如表1所示。
2.2.5 水管路设计说明
管道型号：DN40镀锌管。
2.2.6 矿浆回收设计说明
（1）回收方式：送入中转水箱，统一打入大型沉淀池。
（2）管道型号：DN40尼龙管，长度16 m。
（3）矿浆回收泵选型。
矿浆回收泵选型如表2所示。
2.2.7 电控设计说明
（1）模式：单台自动控制。
（2）控制方式。
控制方式如表3所示。
新型燒结配料除尘系统，计算每个产尘点所需必要风量，尽可能降低产尘点除尘风量，提高集尘效率，降低能耗。新系统共使用8台ZSL150B型节流式除尘器，系统总功率为68.8 kW，总排放量为28 000 m3/h，节能31.2 kW，减排51 000 m3/h。
3 新型烧结配料除尘系统的优点
（1）新型烧结配料除尘系统为每个产尘点单独配置节流式除尘设备，降低除尘管道复杂程度，减小系统总压损，实现节能。
（2）精确选择除尘风机工作点，使除尘风量尽可能接近控尘必要风量，避免风量浪费以及物料大量损失。
（3）结构简单，前期投资相对较少。
4 结语
钢厂除尘能耗高、污染严重，目前还处在一个急待改善的阶段。随着人们环保与节能意识的提升，要求改变这种高耗能生产方式的愿望更加迫切。新型烧结配料除尘系统还处在实验探究阶段，下一步将验证该系统在实际处理烧结配料除尘过程中的运行状况，如果能够稳定运行且达到高效节能的目的，该新型烧结配料除尘系统将带来巨大的社会和经济效益。
参考文献
[1]周兴求.环保设备设计手册[M].化学工业出版社，2004.
烧结砖瓦原材料颗粒偏析现象浅析 第12篇
生产烧结砖瓦原材料一经确定, 那么它的矿物组成、化学成分就不会变化了, 因此而决定的制砖工艺、产品性能也基本不变。这种原材料最终适合生产什么砖及如何生产制作, 最终则由该原材料的颗粒状况决定。
对原材料颗粒状况分析研究的内容很多, 比如颗粒的形状、颗粒的质量、颗粒的大小、临界颗粒的控制、颗粒的粒度级配、颗粒的分布、颗粒的亲水性能、颗粒的电磁性能、颗粒的热反应性能等。其中原材料颗粒粒度尺寸的分布, 即原材料临界颗粒和颗粒级配的合理控制尤能表现出每种制品坯体的特征, 对确定生产什么品种、规格的砖瓦产品和制定相应合理的生产工艺技术, 选用适用的设备, 以及对提高产品的性能、质量有极为重要的作用。因此, 实际生产中一定要确定并控制好原材料的临界颗粒与颗粒级配。更重要的是要保证各生产环节对原材料的加工制备过程中, 不能破坏原材料颗粒级配正常良好的状态, 不能出现颗粒混合不均匀现象, 也就是说要防止和消除颗粒偏析现象, 确保生产运行正常和产品质量优良。
2 什么是颗粒偏析
颗粒偏析又称颗粒离析、粒度偏析, 简称离析或偏析, 是指原材料中颗粒粒径组成符合工艺规定, 并且混合良好均匀的颗粒发生了一定程度的分离, 按颗粒的大小 (或轻重) 各自聚集的现象, 形成按颗粒的大、中、小 (或轻、重) 分层、分聚结构。颗粒偏析现象可能发生在原材料加工制备的各生产环节, 极易发生在坯体的挤出成型过程中, 特别是那些硬质原材料粉碎较粗、细小粉料较少的生产线和两种以上不同原材料混合的生产线更容易发生。原材料发生颗粒偏析破坏了原材料的混合均匀度, 可严重影响坯体成型和坯体的结构, 降低制品的质量, 是砖瓦生产应该重视和防范的问题。
3 颗粒产生偏析的原因
生产砖瓦的原材料为细小散状粉体物料, 它的物态特征除了具有与气态物质相类似的可压缩性、与固态物质相类似的抗变形能力外, 同时还具有与液态物质相类似的流动性。它的流动性和颗粒的形状、大小、密度、表面状态、空隙率等有关。根据在生产各环节所受外力不同, 它的流动形式可分为重力流动、压缩流动、离心力流动、液态化流动等形式, 实际生产中多是两种以上的流动形式混合共存。在这些不同形式的流动过程中, 粉体物料会因颗粒不一致、不均匀而各自流动运行的方式和路线不同, 最终形成颗粒偏析、分层。砖瓦生产过程形成颗粒偏析的原因很多, 并且往往是在多种原因的同时作用下形成的, 十分复杂。具体颗粒偏析产生的机理, 尚有待于更多的深刻研究, 特别是砖瓦行业对原材料颗粒偏析的评价标准, 更有待大量研究、试验后得出科学的结论。如果不考虑其他原因, 单纯从颗粒组成状况分析原材料颗粒偏析现象, 那么砖瓦生产中原材料形成颗粒偏析的情况有两种。
3.1 颗粒大小差异相对悬殊造成的颗粒偏析
原材料中的大粒径颗粒较大并且较多, 小颗粒太小并且较少时极易造成颗粒偏析现象, 或者较大和较小的颗粒含量都适当, 但中等粒径的颗粒含量较少, 也就是说当颗粒级配不当时容易造成颗粒偏析现象。这种细小颗粒含量较多的原材料往往塑性指数不低, 使我们误认为其成型没有问题。但这种原材料在生产线各环节的运行过程中, 大颗粒和小颗粒受到重力 (或挤压力、离心力等) 作用的大小差异较大时, 会因缺少中等粒径颗粒的过渡、衔接作用, 很容易分别离散而各自聚集到一起, 破坏了原材料颗粒混合的均匀程度, 造成颗粒偏析现象。
3.2 颗粒密度差异相对悬殊造成的颗粒偏析
这种情况多在两种以上不同原材料混合时发生。既便混合料的颗粒粒径级配良好, 也有可能发生颗粒偏析现象。因为颗粒级配是按颗粒的粒径尺寸大小确定的, 相同粒径的颗粒分属于不同种类的原材料时, 它们颗粒的尺寸大小一样时但质量可能相差很大, 比如粉煤灰类 (密度700 kg/m3左右) 和页岩、煤矸石类 (密度1 300 kg/m3左右) 的混合料, 这两类原材料的密度相差约1.5~2.0倍。即便把这两类原料按良好的粒径级配混合拌合的很均匀, 但在生产线各生产环节运行过程中, 粒径相同的颗粒会因轻的轻、重的重而受到的重力 (或挤压力、离心力等) 作用不同, 使轻颗粒和重颗粒分别离散各自聚集到一起, 破坏了混合料颗粒混合的均匀程度, 造成颗粒偏析现象。
实际生产中发生颗粒偏析时, 往往是上述两种现象同时混合出现, 只不过其中有一种很明显为主要原因, 而另一种不明显, 不是主要原因。特别是颗粒粒径比越大, 或质量比、密度比越大的粉体混合料, 就越容易发生较严重的颗粒偏析。
4 生产中容易产生颗粒偏析的环节
在烧结砖瓦的生产线上, 原材料随生产流程运行过程中, 在一些生产环节和工序很容易造成原材料颗粒偏析现象。
4.1 原材料在开采、运输过程形成的颗粒偏析
制砖原材料的开采方式一般有两种, 一是平地开采, 往下挖料;一是丘陵山地开采, 往上挖料。这些原材料的状态可以说是原生态的, 其颗粒组成未必恰当, 甚至有可能存在严重的颗粒偏析情况。但在这个阶段对其颗粒组成可以不予重视, 可待采挖以后送到生产工厂进行加工制备、掺配处理时再解决颗粒组成问题。这个阶段重点是选用矿物化学成分适用的原材料和排除有害杂质, 不管是平地还是丘陵山地取料, 不管采用哪种开采方法, 都要保证采挖的原材料矿物化学成分均匀一致。原材料成分的均匀程度越好, 该原材料颗粒组成均匀性良好的可能性就越大。
对原材料开采地紧邻生产工厂的企业, 一定要多点式或多层式混合均匀地开采原材料, 尽可能对原材料进行预均化处理, 严禁无规划的现采现用, 乱采乱用。这是保证生产工艺正常运行, 保证产品质量的重要措施, 也具有防止原材料颗粒偏析的效果。
如果原材料开采地离生产工厂距离较远, 采挖以后的原材料是分散状集料, 那么原材料在装车运输过程中会发生离析分层。这是因为运输车辆在运输途中, 不同粒径 (或密度) 的颗粒受振动力和重力共同作用下发生离析分层, 大的 (或重的) 落到下层, 小的 (或轻的) 浮在上层。在这个过程中, 粒径比 (或密度比) 越大, 颗粒偏析就越严重;路途远颠簸振动越严重、路上时间越长, 颗粒偏析就越严重。这种运输过程颠簸振动造成的原材料颗粒偏析一般是难以避免, 但仅限于每辆运输车内, 只要不是一进厂就直接倾卸到给料机或破碎机、搅拌机里使用, 完全可以在进厂后的各生产环节和生产工序弥补消除。
4.2 原材料在堆积、存储过程形成的颗粒偏析
原材料在进厂后的卸料、堆积、存储过程中, 因运输过程形成的颗粒偏析基本可以经混合后消除, 但可能会形成新的颗粒偏析现象。在堆场卸料堆放过程中, 原材料颗粒偏析的主要机制是休止角离析, 一般是大颗粒、重颗粒往下面或外围流散;小颗粒、轻颗粒在中心和上部集中。随着料堆高度增加和倾角的增大, 总体离析指数不断增大;当倾角达到休止角时, 总体离析指数仍在增长, 但各层离析指数趋于恒定。
采用料仓储料时的颗粒偏析机理与堆场堆积储料相似。由于松散状物料中不同颗粒之间的粒径、密度等差别, 当物料从顶部落入料仓时, 粗细 (或轻重) 颗粒就开始分层, 细粒 (或轻粒) 集中在料仓的中央, 粗粒 (或重粒) 则滚到周边, 从而造成颗粒偏析现象。
如果堆积存储的料堆已经成为严重离析状态, 那么铲运设备取料时是不可能将大堆原材料混合均匀的, 先取得是料堆外围的大块料、重质料, 后取得是料堆中心的细小料、轻质料。如果直接将不均匀的料装卸到给料机或破碎机、搅拌机进行加工处理时, 会造成生产线上运行的原材料一段和一段的成分及颗粒不一致。如果再没有其他有效的均化设备, 则会影响坯体的成型操作和坯体的结构, 降低坯体成型质量和产品性能质量。
防止原材料堆积存储过程或料仓卸料过程的颗粒偏析, 最好采用多点卸料、布料, 采取多处、多点、多层混合取料, 尽可能提高取料的均匀性, 防止和消除颗粒偏析现象。
4.3 原材料在配料、给料过程造成的颗粒偏析
生产中原材料准确定量配料和均匀给料的生产设备, 本来是可以实现原材料最大程度的合理配比和混合均匀, 可以在很大程度上避免和防止颗粒偏析。在这一环节如果工艺设计不当, 或者操作运行不当, 反而会形成原材料的混合不匀和颗粒偏析。比如有的生产企业对几种不同原材料的配比给料, 不设置可以调节控制给料量的给料机, 而是用装载车简单计量混合, 难以保证每车、每铲的均匀准确计量;有的直接由人工下料给料, 一会儿这种料多了, 一会儿那种料少了, 保证不了各种原材料同步、均匀按既定的比例混合给料, 导致原料颗粒级配混乱和颗粒偏析。
生产中的各种筛选设备、粉碎设备和搅拌设备可以把各种原材料很好地混合均匀, 但这些设备都是在一条生产流水线上连续性运行, 原材料类似流水状态依次经过这些设备, 仅能把即时进入设备的物料混合均匀, 无法把前一时段和后一时段的物料混合。所以, 要想很好的控制原材料的颗粒级配和防止颗粒偏析, 除了依靠原材料准确定量、配料和均匀混合给料的设备外, 还应该在每台筛选设备、粉碎设备和搅拌设备之后设计一处物料积存设施, 可以把该设备在一段较长时间加工的物料堆积混合, 然后再输送到下一工序。这样可以适当防止流水线上前一时段和后一时段的物料的不均匀, 同时还可以起到流水线上物料运行的缓存、周转作用。
4.4 原材料在陈化过程中形成的颗粒偏析
原材料进入陈化库从库顶抛洒落库的过程中也可能发生颗粒偏析, 其机理和原材料堆积时产生离析的机理类似, 只不过这时的原材料是已经加水的湿料而不是分散干料。这时颗粒粒径都比较小, 又有水的粘合作用, 颗粒相对结合紧密不易分散, 颗粒偏析的现象不严重, 往往也不会引起注意和重视。实际操作采用布料机水平横向动态移动卸料, 多斗取料机纵向相对固定取料的方式, 这样横向布料纵向取料的方式可以把不同时段投放到陈化库的原材料又混合一次, 一般即可实现取料相对混合均匀, 可以避免颗粒偏析。
4.5 原材料在挤出成型过程形成的颗粒偏析
原材料在进入挤出机之前的各生产环节, 如果颗粒组成不当或之前已经发生颗粒偏析现象, 往往不易发现, 也就不会被注意和重视。生产工艺的常规质量检测也很少对这些环节的原材料取样进行颗粒组成检测。在这些环节, 颗粒组成不当的缺陷还没有直接反映到坯体成型的好坏和产品质量性能的优劣, 但这些缺陷已经成为影响坯体成型和产品质量性能的隐性因素, 最终会在螺旋挤出机内坯体挤出成型时暴露而发生问题, 影响到坯体的挤出成型和产品的质量。
原料在挤出坯体成型过程的颗粒偏析常见有以下两种情况。
4.5.1 挤出机挤出泥条不成型
这种情况表现为挤出机开机最先挤出的几条泥条成型尚好, 之后挤出的泥条越来越差, 机口的中心部位出料慢, 两侧快, 泥条一出机口就向两边开裂, 不能愈合, 无法成型。随后泥条越出越慢, 泥缸发热, 电机传动带打滑或跳闸, 特别是挤出机螺旋绞刀主轴转速较快的时候更严重。如果不及时停机, 可能会发生泥料撑破泥缸或绞刀破裂等严重事故。停机打开泥缸, 可以发现靠近绞刀主轴中心粘满细小颗粒的泥料, 而且比较密实;绞刀外缘泥料粘裹较少, 较松软, 颗粒也较大, 是明显而典型的颗粒偏析现象。
4.5.2 挤出机挤出泥条断面分层
这种情况表现为泥料进入挤出机似乎可以正常挤出泥条, 外观看不出严重质量缺陷, 但坯体泥条断面有分层现象。这种分层实质上也是一种特殊的颗粒偏析现象, 是一部分物料和另一部分物料分离, 中间有微细但有害的空隙层, 表现有多种层状纹理。最常见的分层现象为一环套一环的多层环形纹分层和“螺旋纹”形分层现象, 此外常见的还有“S”形纹分层现象和“Y”形纹分层现象等。这些分层表现在刚成型的坯体上, 有的严重, 分层表现较为明显, 大多不严重, 较为隐匿, 甚至被认为是合格产品。分层现象在烧结普通实心砖大面上较明显可见, 在多孔砖面上较隐匿难以发现。有分层现象的坯体在干燥和焙烧过程中容易产生裂纹, 特别是烧成后制品强度会降低, 制品耐久性、抗冻性和抗风化性降低, 制品容易顺延分层纹理开裂、粉碎。按国家标准《烧结普通砖》GB5102规定:只要有螺旋纹的砖就是不合格品, 是不容许出现在产品中的。
原材料颗粒在挤出机螺旋挤出过程中产生颗粒偏析, 分层现象是非常普遍的, 几乎不可避免, 只是严重程度不同而已。相对而言, 原材料性能很好的坯体, 或是没有特殊较高质量要求的砖瓦产品, 可以忽视由这些因素造成的较轻微的分层。对分层敏感性强的坯体原材料以及高质量要求的产品来说, 这些因素造成的分层将会成为不可接受的质量缺陷。
造成这些颗粒偏析和分层的原因很多, 可以肯定的是有成型真空挤出机设备的结构、性能和使用方面的原因。因为成型过程中原材料颗粒在螺旋绞刀挤出作用下, 同时存在有压缩流动、离心力流动和液态化流动等形式, 颗粒基本以流动分层的形式出现, 都是在最高的应变区域内由于变形而引起, 由不等轴颗粒的定向而引发的结果。坯体泥料颗粒会受到剪切、滑动、分离以及重新愈合所引发的物理过程的综合作用而产生颗粒偏析和分层。具体原因有螺旋绞刀和螺旋绞刀头的几何形状、螺距和螺旋导角、泥缸衬套、挤出机头、挤出机口和芯头芯架的形状及尺寸、挤出泥条的速度和温度、抽真空程度、挤出螺旋主轴的转速、泥条的行进方式、机头或机口的油润滑或水润滑等等, 都可能单独或混合作用而形成颗粒偏析和分层。如果能够确定性、针对性的解决相应这些问题, 是可以有效消除或减轻挤出成型过程的原材料颗粒偏析和坯体分层缺陷。比如, 适当降低螺旋绞刀主轴转速, 或者在挤出机上位于绞刀头后位置安装阻泥棒, 或在挤出机上机头位置安装导泥翼片等, 都可以缓解坯体的螺旋纹分层缺陷。
5 结束语
烧结砖瓦原材料在生产过程的各环节、各工序都可能会产生颗粒偏析现象, 特别是在螺旋挤出成型坯体的过程中, 几乎不可避免都会产生不同程度的颗粒偏析和坯体分层缺陷, 而且往往都是表现和暴露在坯体挤出成型过程中及成型的坯体中。其首先有挤出机方面的种种原因, 但绝不仅仅是挤出机方面的原因, 必须要考虑到所有可能的影响因素, 才能全面地解决问题。特别是要首先考虑到坯体原材料特性、颗粒状态及制备效果。在实际生产中, 挤出成型过程的坯体颗粒偏析和坯体挤出成型分层的最起始原因和根本原因, 大多还都是因为原材料在进入挤出机之前的颗粒级配不当或颗粒均匀性欠佳, 这是经常可见的问题。这些问题多产生于挤出机之前的原材料配比和制备阶段:坯体原材料颗粒级配不合理, 配料控制不当、不均匀, 搅拌不充分, 在先前的捏合处理期间出现不均匀的剪切应力, 在坯体原材料颗粒尺寸分布范围内出现的可塑性不一致, 以及原材料颗粒组成的分散程度上的变化、非塑性成分的不均匀、原材料中添加剂搅拌分布不均匀等等因素, 都可能是引发缺陷的原因。如果果真是这些因素造成的不可接受的质量缺陷, 仅靠在真空挤出机组上采取相应措施的作用是甚微的, 可能有的偶然显效, 但根本上永久性地消除解决问题是不可能的, 最终还必须解决好原材料在每个生产环节合理恰当的颗粒级配和良好的均匀混合。
参考文献
[1]张文法, 湛轩业译.陶瓷材料挤出成型[M].北京:化学工业出版社, 2012 (8) .
[2]湛轩业译.烧结砖瓦产品的制造及其产品性能[M].北京:中国建材工业出版社, 2010 (10) .