一、干燥收縮與燒成收縮
干燥收縮是指原料在干燥失水后所發生的尺寸變化。原料的干燥過程是在常溫下(105~110℃)進行的脫去吸附水、層間水的過程。將原料按要求制作試樣,測定其干燥至恒重后的尺寸變化,即可計算得到其干燥線收縮率(%)和干燥體收縮率(%)。干燥收縮是粘土的重要工藝技術指標。干燥收縮大,坯體容易變形或開裂。不同種類的粘土其干燥收縮率不同,高嶺土干燥收縮率一般為3%~10%(高嶺土中埃洛石含量越高,干燥收縮率越大),蒙脫石粘土為12%~23%。粘土粒度越細,干燥收縮也越大。
燒成收縮是原料經煅燒后的尺寸形變,以百分率表示。燒成收縮是原料失去結構水,礦物晶體發生結構破壞或物相轉變的綜合反映。燒成收縮是耐火原料與制品燒成工藝流程設計的重要參數。
高嶺土的燒成收縮率與脫水溫度區間有關。以高嶺石為主的高嶺土,脫水溫度區間較窄(400~600℃),收縮率低;以洛埃石為主的高嶺土,脫水溫度區間稍寬(<150℃,400~800℃=,收縮率偏高;含水云母較多的高嶺土,脫水溫度區間也寬(100~300℃和500~800℃),收縮率也高。高嶺石的有序程度也影響燒成收縮。有序度高時,破壞其晶格所需能量大,燒成收縮較小,形成的莫來石呈針狀;有序度低的高嶺石,易于燒成,燒成收縮較大,形成的莫來石晶體較粗大。表1-19為兩種粘土的燒成收縮率。
五、燒結溫度與燒結范圍
粉狀或非致密性原料經加熱到低于其熔點的一定溫度范圍,發生少量易熔成分逐漸液化、顆粒粘結或充填空隙、結構致密度增加、晶粒長大、強度和化學穩定性提高等物理化學變化,成為堅實集結體的過程成為燒結。當氣孔率下降到最低值,密度達到最大值時的狀態稱為燒結狀態,對應的溫度稱為燒結溫度。達到燒結溫度后若繼續加熱,原料密度將持續一段時間無顯著變化。但超過一定溫度,由于重結晶及結晶轉化,氣孔率就開始增大,密度開始下降,出現過燒膨脹現象,同時原料中出現新的液相,且不斷增多,以至原料坯體發生變形。出現這種情況的最低溫度稱為軟化溫度。燒結溫度與軟化溫度之間的溫度范圍稱為燒結范圍。
原料的燒結溫度和燒結范圍與原料的化學組成、礦物晶體結構及雜質含量有關。這組數據時決定原料配比、確定燒成工藝流程、選擇窯爐類型的重要工藝參數。這一點對人工合成耐火原料尤為重要。
在耐火原料的煅燒與合成中,希望燒結溫度低(節能),燒結范圍寬(易于控制質量),經常采用的方法有:
① 細磨使原料粒度變小,活性增加,利于燒結;
② 采用二步煅燒工藝,消除母鹽假象,提高活性,如菱鎂礦和白云石的燒結;
③ 添加合適數量的添加劑,如合成堇青石時加入15%左右的ZrSiO4,可使燒結范圍擴大15℃;
④添加晶核,即在合成原料的配料中預先加入少量極細的欲合成礦務作為晶核。如合成堇青石時加入堇青石微粉,其燒結溫度顯著降低。