无机非金属材料工艺学PPT课件.ppt
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1、1 无机非金属材料工艺学无机非金属材料工艺学 讲讲 义义 俞俞 心心 刚刚 2011年10月2上次课重点:1、色散:玻璃的折射率随入射光波长不同而不同的现象,叫色散。2、隔热玻璃:中空玻璃、真空玻璃、低辐射玻璃3、补色:被吸收光的颜色与观察到的颜色互为补色, 互为补色的两种光合在一起就是白光。4、补色的应用5、石英玻璃和石英晶体6、唐三彩。唐三彩是唐代低温铅釉陶质生活用具和陶塑艺术品的总称。7、紫砂陶是一种质地细腻,含铁量高的特殊陶土烧制成的无釉细陶瓷,称作“紫砂器”。8、重量箱、标准箱(玻璃)9、发展趋势31.6 典型无机非金属材料工艺1.6.1 水泥生产工艺流程水泥生产工艺流程l简单讲,水
2、泥生产工艺流程就是简单讲,水泥生产工艺流程就是“两磨一烧两磨一烧”。l水泥生产工艺流程一般有两种分类方法:水泥生产工艺流程一般有两种分类方法:l 按生料制备方法按生料制备方法:l a)干法;干法; b)湿法湿法 两类两类l 按窑型方法按窑型方法: a)回转窑;回转窑;b)立窑立窑 两大类两大类456 7球磨机球磨机为卧式筒形旋转装置,外沿齿轮传动,两仓、格子形球磨机。物料由进料装置经入料中空轴螺旋均匀地进入磨机第一仓,该仓内设有阶梯衬板或波纹衬板,内装不同规格钢球,筒体转动产生离心力将钢球带到一定高度后落下,对物料产生重击和研磨作用。物料在第一仓达到粗磨后,经单层隔仓板进入第二仓,该仓内镶有平
3、衬板,内装钢球,将物料进一步研磨。粉状物通过卸料箅板排出,完成粉磨作业。 结构特点:球磨机球磨机由给料部、出料部、回转部、传动部(减速机、小传动齿轮、电机、电控)等主要部分组成。中空轴采用铸钢体,内陈可拆换,回转大齿轮采用铸件滚齿加工,筒体内镶有耐磨衬板,具有良好的耐磨性。8l按生料制备方法分:干法与湿法两种。按生料制备方法分:干法与湿法两种。 l干法:干法和半干法两种。干法:干法和半干法两种。干法:原料经烘干、粉碎制成生料粉,然后喂入窑内干法:原料经烘干、粉碎制成生料粉,然后喂入窑内煅烧成熟料的方法。煅烧成熟料的方法。 半干法:将生料粉加入适量的水分制成生料球,再喂半干法:将生料粉加入适量的
4、水分制成生料球,再喂入立窑或立波尔窑内煅烧成熟料的方法。入立窑或立波尔窑内煅烧成熟料的方法。 9l湿法:湿法和半湿法两种湿法:湿法和半湿法两种湿法:将原料加水粉磨成生料浆,再喂入回转窑内湿法:将原料加水粉磨成生料浆,再喂入回转窑内煅烧成熟料的方法。煅烧成熟料的方法。半湿法:将原料加水粉磨成生料浆经除水后,制成半湿法:将原料加水粉磨成生料浆经除水后,制成料饼打碎后入窑煅烧的方法。料饼打碎后入窑煅烧的方法。l按按窑型分回转窑、立窑两大类。按按窑型分回转窑、立窑两大类。 回转窑有可分:干法中空窑、立筒预热器窑、悬浮预回转窑有可分:干法中空窑、立筒预热器窑、悬浮预热器窑和窑外分解窑等。热器窑和窑外分解
5、窑等。10 111213 悬浮预热,分解炉、水泥窑是新干法水泥窑系统的三大块。里面有煤粉燃烧、气固对流传热、化学反应、物料运动现象。是一个大的热工过程、设备。 1415复习与思考(复习与思考(4 4)1 1、水泥生产中希望得到的是、水泥生产中希望得到的是- -硅酸二钙,还是硅酸二钙,还是- -硅酸二钙,为什硅酸二钙,为什么?(应用已学的硅酸盐物理化学知识从结构分析)么?(应用已学的硅酸盐物理化学知识从结构分析)2 2、水泥生产中怎样得到尽量多的、水泥生产中怎样得到尽量多的- -硅酸二钙?(思考,请自己回硅酸二钙?(思考,请自己回去查资料)去查资料)16 1.6.2玻璃生产工艺流程:玻璃生产工艺
6、流程:l玻璃生产最基本的工艺流程为:玻璃生产最基本的工艺流程为:l l 原料预处理原料预处理-配料配料-熔化熔化-冷却冷却-成型成型-退火退火-切割切割-包装包装-入库。入库。17鲍林第五规则(节约规则):在一个晶体中,本质不同的结构组元鲍林第五规则(节约规则):在一个晶体中,本质不同的结构组元的种类,倾向最少数目。的种类,倾向最少数目。18192021222324252627281.6.3 陶瓷工艺生产流程。陶瓷工艺生产流程。2930 31生产工艺流程图生产工艺流程图原料检验原料检验 配料配料 球磨球磨 海绵切削海绵切削 上浆上浆 称量称量 干燥干燥 半成品检测半成品检测 烧成烧成 质检(全
7、质检(全检)检) 质检(外观抽检)质检(外观抽检) 质检(内质检测)质检(内质检测) 装箱入装箱入仓仓322 2、无机非金属材料工艺原理、无机非金属材料工艺原理2.1 2.1 原料及其预处理原料及其预处理2.1.1 2.1.1 钙质原料钙质原料(1 1)钙质原料的种类及性质)钙质原料的种类及性质 无机非金属材料工业常使用的主要钙质无机非金属材料工业常使用的主要钙质原料有:原料有: 方解石方解石33l英文名:calcitel俗名:双飞粉l分子式:CaCO3l分子量:100.09lCAS号:471-34-1l主要成分:lCa(钙)lC(碳)lO(氧)三种元素34l概述概述l方解石是一种碳酸钙矿物,
8、天然碳酸钙中最常见的就是它。因此,方解石是一种分布很广的矿物。方解石的晶体形状多种多样,它们的集合体可以是一簇簇的晶体,也可以是粒状、块状、纤维状、钟乳状、土状等等。敲击方解石可以得到很多方形碎块,故名方解。方解石的色彩因其中含有的杂质不同而变化,如含铁锰时为浅黄、浅红、褐黑等等。但一般多为白色或无色。无色透明的方解石也叫冰洲石,这样的方解石有一个奇妙的特点,就是透过它可以看到物体呈双重影像。因此,冰洲石是重要的光学材料。方解石是石灰岩和大理岩的主要矿物,在生产生活中有很多用途。我们知道石灰岩可以形成溶洞,洞中的钟乳石、石笋等其实就是方解石构成的。35l特性l方解石是最重要的碳酸盐矿物,化学成
9、分:CaCO3 ,三方晶系,有完全的菱面体解理、玻璃光泽,透明至半透明,普通为白色或无色,含有其他颜色亦不少,条痕白色,硬度3.0,比重2.62.8,遇冷稀盐酸剧烈起泡,纯净透明的称为冰洲石(Iceland Spar),具有强烈双折射和三组完全解理。l分解温度:分解温度:900900以上。以上。36l产状产状l方解石的晶体形状多种多样,石灰岩、大理岩和美丽的钟乳石之主要矿物即为方解石。在泉水中可沉积出石灰华,在火成岩内亦常为次生矿物,在玄武岩流的杏仁孔穴中,沉积岩之裂缝内常有方解石充填而成细脉,或透过生物学作用,以贝壳或岩礁的方式产出。37l用途l冰洲石因具双折射,常被利用于偏光棱镜,如以一定
10、的方式切割成柱状,可当显微镜之棱镜,检测矿物之光学性,其品质要件须为:无色透明,内部不含气泡或裂痕,不带双晶或歪曲,0.5吋(12.5mm)立方以上。一般方解石用于化工、水泥等工业原料。方解石在冶金工业上用做熔剂,在建筑工业方面用来生产水泥、石灰。38l颜色l Beige Calcite 米黄色方解石 (Beige = 哔叽) lBlue Calcite 蓝色方解石 lCobaltian Calcite 含钴方解石 (南非) lGreen Calcite 绿色方解石 (中国) lGolden Calcite 金色方解石 (中国) lOrange Calcite 橙色方解石 (加拿大、墨西哥)
11、l Utah Honeycomb Calcite 犹他州蜂巢方解石39l鉴定特征鉴定特征l菱面体完全解理,硬度不大,加稀盐酸剧烈起泡。l方解石晶体方解石晶体l呈菱面体和偏三角面体,其聚形呈钉头状和犬牙状,以块状、粒状、纤维状和钟乳状集合体产出,白色、无色、灰色、红色、棕色、绿色和黑色,条痕白色到灰色,透明到半透明,玻璃到珍珠光泽或暗淡光泽。40 石灰石 主要矿物:方解石,并含有白云石、硅质(石英或燧石)、含铁矿物和粘土杂质。 颜色:灰白、淡黄色。 性质:性脆,普氏硬度8-10,密度2.62.8g/cm3;强度:30170MPa。 分解温度:一般为800。41 泥灰岩 是由碳酸钙和粘土物质同时沉
12、积所形成的均匀混合的沉积岩。 主要成分:碳酸钙和粘土,按重量碳酸盐成分占3070 。 白垩 是由海生生物外壳与贝壳堆积而成。 白垩易于粉磨和易烧性都较好。42 方解石与石灰石区别: 一般石灰石的碳酸钙含量为90左右,接近100的称为方解石。石灰石含有白云石、硅质(石英或燧石)、含铁矿物和粘土杂质。 43 (2)钙质原料的组成与作用l主要成分:CaO、CO2及少量的SiO2、AL2O3、Fe2O3、l l MgO 等杂质。l主要矿物:方解石、少量的白云石、硅质(石英及燧l 石)、含铁矿物R2O、SO3和黏土质杂质。l主要作用:提供制成无机非金属l l 材料所需的CaO。44l硅酸盐水泥:钙质原料
13、是烧制硅酸盐水泥熟料的主要l 原料之一。1吨水泥需1.2-1.3 吨石灰质l 原料。(大力发展高标号水泥的意义?)l 制备硅酸盐水泥熟料的钙质原料一般是l 石灰石(为什么)和泥灰岩。 陶瓷:陶瓷使用的钙质材料一般为方解石(为什么)。 钙质原料在生产中主要起助熔作用,缩短烧成 时间,增加陶器的透明度,使坯釉结合牢固。45l 玻璃:玻璃中的CaO主要是通过方解石、石灰石、白垩、l 沉淀碳酸钙等原料引入的。l 作用主要是稳定剂,即增加玻璃的化学稳定性l 和机械强度,但含量不宜过高,否则会使玻璃的l 结晶倾向增大,而且易使玻璃发脆。 CaO(10-12%)时增加 粘度。而且当温度降低时,粘度增加得很快
14、,使成 型困难。46l(1)粘土类原料的种类l l粘土是多种微细的矿物的混合体,它主要是由铝硅酸l盐类岩石如长石、伟晶花岗岩、斑岩、片麻岩等经长l期风化而成。47l(2)粘土类原料的组成1)化学组成:主要为SiO2、Al2O3和结晶水2)矿物组成及性质:工业中所用粘土中的主要矿物 可分为高岭石类、蒙脱石类及 伊利石类三种。 48495051525354上次课重点:1、水泥生产 “两磨一烧”2、新型干法水泥制备主要设备 悬浮预热,分解炉、水泥窑是新干法水泥窑系统的三大块。3、玻璃生产过程 原料预处理-配料-熔化-冷却-成型-退火-切割-包装-入库。4、钙质原材料 方解石和石灰石区别及应用(在水泥
15、、玻璃、陶瓷中的作用)。水泥:主要原料;陶瓷:助熔剂;玻璃:稳定剂,增加化学稳定性及提高机械强度。5、粘土 化学组成:主要为SiO2、Al2O3和结晶水l 矿物组成:高岭石类、蒙脱石类及伊利石类三种。 颗粒组成:55565758596061处理选项:已分析所有元素 (已归一化)626364656667686970l2)结合性l 结合性是指粘土能结合非塑性原料形成良好的l可塑泥团、有一定的干燥强度的能力。一般情况下,l可塑性强的粘土,其结合性也大。71l3)离子交换性l 粘土粒子由于表面层的断键和晶格内部离子的不等价置换而带点,它能吸附溶液中的异性离子,这种被吸附的离子又可被其他离子所置换,这种
16、性质称为粘土的离子交换性。l 离子交换能力的大小可用离子交换容量即pH=7时每100g干粘土吸附的阳离子或阴离子的毫摩尔(mol)数来表示。72l4)触变性l 粘土泥浆或可塑泥团在静置以后变稠或凝固,l当受到搅拌或振动时,黏土降低而流动性增加,l再放置一段时间后又能恢复原来状态,这种性质l称为触变性。l 触变性的大小可用厚化度来表示,泥浆厚化度l指泥浆放置30min和30s后相对粘度之比。可塑性泥l团的厚化度则指静置一定时间后,球体或圆锥体压l入泥团达一定深度时剪切强度增加的百分数。颗粒l表面荷电是粘土土产生触变性的主要原因。737475767778798081l5)膨化性l 粘土加水后,体积
17、会在不同程度上有所增加,这种性质称为膨化性。这种性质主要是因粘土颗粒层间吸水膨胀和颗粒表面水膜形成所致。 通常用膨胀容来反映粘土的膨化性能。它是指粘土在水溶液中吸水膨胀后,单位质量(g)所占的体积(3)。82l6)收缩l 粘土和坯料的收缩实际上可分为三种:干燥收缩、烧成收缩和总收缩。 干燥收缩:粘土经110干燥后,由于自由水及吸附水排出所引起的颗粒间距离减小而产生的体积收缩。 烧成收缩:干燥后的黏土经高温煅烧,由于脱水、分解、熔化等一系列的物理化学变化而导致的体积进一步收缩。83l 粘土的收缩情况主要取决于它的组成、含水量、吸附离子及其他工艺性能。细粒粘土及呈长形纤维状粒子的粘土收缩较大。l
18、测定收缩是研制模型及制作生坯尺寸放尺的依据。8485 粘土焙烧过程中,当坯体气孔率开始明显降低,而体积开始产生显著收缩时的温度称为开始烧结温度(图31中T1)。温度继续升高,至坯体中气孔率降至最低、 收缩率达最大,并致密度达最高时的温度,称为完全烧结温度(图31中T2)。当温度再继续升高至开始出现变形时的温度称为软化温度(图31中T3)。通常可以将T1至T3的温度区间称为粘土制品的烧成温度范围。 其中T1T2,一般为粘土砖瓦等多孔制品的烧结温度范围,焙烧时烧成温度应控制在粘土的开始烧结和完全烧结温度之间,以使制品具有一定的孔隙率。T2T3为地砖等密实陶瓷制品的烧结温度范围,焙烧时烧成温度应控制
19、在稍高于粘上的完全烧结温度(即T2),以使制品既密实,但又不会产生形变。8687l8)耐火度 是指材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度。它反映了材料抵抗高温作用的性能。粘土的耐火度取决于化学组成。一般随Al2O3含量的增加而提高,随杂质含量增加,尤其是随Fe2O3碱金属氧化物含量的增加而显著而降低。测定:将一定细度的原料制成一截头三角锥(高30mm) 下底边长8mm、上顶边长2mm),在一定升温制度 下,测出三角锥顶端软化下弯至锥低平面时的温 度,即粘土原料的耐火度。8889(5)粘土的荷电原因补充知识: 扩散双电层理论9091929394 动电位( 电位)959697粘土荷电原因有:1、
20、粘土晶格中的同晶取代(如Si4+被Al3+取代, Al3+被 Mg2+等)2、粘土表面腐殖质的解离3、粘土颗粒的边棱破键98(6)粘土的离子交换99100(7)粘土-水系统的稳定性 电位越高,系统越稳定101102(8)粘土-水系统的粘度和流动性 适量的电解质的加入可以降低粘土泥浆的粘度,增加其流动性。 过量的电解质使泥浆内粘土颗粒聚集使粘度增加。此过程称为泥浆的絮凝。 原因:适量电解质加入有助于粘土颗粒表面双电层结构的形成,使 电位升高,增加颗粒间的排斥力;过量电解质将使过量的反离子进入紧密吸附层,降低 电位,减小颗粒间的排斥力。103104l(9)粘土质工业废渣l 某些工业废渣(如:赤泥、
21、粉煤灰、煤矸石等)其化学成分与黏土相近,因此,它们可代替天然粘土作硅酸盐工业生产的原料。105l(10)粘土原料的作用l粘土是硅酸盐水泥、陶瓷和耐火材料生产的主要原料之一。硅酸盐水泥生产中,粘土原料主要提供SiO2、Al2O3以及Fe2O3等成分。衡量粘土质量主要有黏土的化学成分(硅率、铝率)、含砂率、含碱量以及粘土的可塑性、热稳定性、正常流动度的需水量等工艺性能。106l l 因粘土具有独特的可塑性与结合性,调水后成为软泥,能塑造成型,烧后变得致密坚硬。这样一种性能,构成了陶瓷生产的工艺基础,赋予陶瓷以成型性能与烧成性能以及一定的使用性能。因而它是陶瓷生产的基础原料。107上次课重点:1、测
22、定粘土颗粒的方法:常用的是筛分析(0.06mm以上)、沉降法(1-50m)2、粘土的工艺性质:取决于粘土的化学组成、矿物组成和颗粒组成3、可塑性:可塑性是指粘土与适量水混练后形成的泥团,在外力作用下,可塑造成各种形状而不开裂,当外力除去之后,仍能保持该形状不变的性能。 通常用塑性限度(塑限)、液性限度(液限)、塑性指数或塑性指标、相应含水率等参数来反映粘土的可塑性。l塑限:粘土由固体状态进入塑性状态时的含水量。l液限:粘土由流动状态进入塑性状态时的含水量。l塑性指数:是粘土的液限与塑限之间的差值。l塑性指标:是粘土在工作水分下,泥料受外力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积1084、触变性:粘土
23、泥浆或可塑泥团在静置以后变稠或凝固,当受到搅拌或振动时,粘度降低而流动性增加,再放置一段时间后又能恢复原来状态,这种性质称为触变性。 粘土产生触变性原因:颗粒表面荷电。5、收缩:干燥收缩、烧成收缩和总收缩。6、耐火度:是指材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度。它反映了材料抵抗高温作用的性能。粘土的耐火度取决于化学组成。一般随Al2O3含量的增加而提高,随杂质含量增加,尤其是随Fe2O3碱金属氧化物含量的增加而显著而降低。7、粘土荷电原因有:1)粘土晶格中的同晶取代(如Si4+被Al3+取代, Al3+ 被 Mg2+等);2)粘土表面腐殖质的解离;3)粘土颗粒的边棱破键。8、扩散双电层理论1
24、092.1.3 2.1.3 石英类原料石英类原料 (1)(1)石英类原料的种类和性质石英类原料的种类和性质 石英:石英:是自然界中构成地壳的主要成分。部分以硅酸盐化合物状态存在,构成各种矿物岩石。另一部分则以独立状态存在,成为单独的矿物实体。 普通结晶状的二氧化硅矿石通称石英。 水晶水晶:最纯的石英晶体称为水晶。外形呈六方柱锥体,无色透明或被微量元素染成一定的色泽。110111脉石英脉石英:在石英的成矿作用过程中,除了极少数的二氧化硅结晶为水晶之外,大量的二氧化硅热水溶液填充在岩石裂隙之间,冷凝之后成为致密块状结晶态石英,或者凝固为玻璃态石英,并呈矿脉状产出,这种石英称为脉石英。外观颜色纯白,
25、半透明,呈油脂光泽,断口呈贝壳状。石英岩石英岩(硅石硅石):由单一的硅酸凝胶胶结的砂岩,经过变质作用,脱水之后其中的石英颗粒再结晶长大,断面变得致密,硬度提高,这种状态的石英称为石英岩。砂岩:是由黏土或其他物质胶结细粒二氧化硅晶体的水成岩石称为砂岩。 112(2)石英的组成石英的组成 石英化学成分为Si02,常含有少量杂质成分,如A12O3、Fe203、CaO、MgO)、Ti02等。 (3)石英在加热过程中的晶型转变石英在加热过程中的晶型转变 石英是由SiO24-互相以顶点连接而成的三维空间架状结构。连接后在三维空间扩展,由于它们以共价键连接,连接之后又很紧密,因而空隙很小,其他离子不易侵入网
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