无机非金属材料生产过程

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1、第一章概论第一节无机非金属材料生产过程的共性与个性无机非金属材料是三大材料之一，它不同于金属材料和有机高分子材料。而具有自身的 特性。1.耐高温；2.化学稳定性高；3.高强度、高硬度；4.电绝缘性好；5.韧性差。材料工学 的任务就是要研究如何选择合适的原料，通过各种工艺过程、生产出符合各种要求的材料.并 能达到低投入高产出、无机非金属材料生产过程具有其共性与个性。可分别介绍如下：一、无机非金属材料生产过程的共性(一) 原料无机非金属材料的大宗产品，如水泥、玻璃、砖瓦、陶瓷、耐火材料的原料大多来自储量丰富的非金属矿物，如石英砂(SiO2)、粘土(Al2O3.2SiO2.2H2O)、长石(K2O.

2、Al2O3.6SiO2等)、铝钒士(Al2O3.nH2O)、石灰石(CaCO3)、白云石(CaCO3.MgCO3)、硅灰石(CaO.SiO2)、 匕 J匕JJJ匕硅线石(Al2O3.SiO2)等。据统计，氧、硅、铝三者的总量占地壳中元素总量的90%、其中除天然砂和软质粘土外 都是比较坚硬的岩石。(二) 粉料的制备与运输因原料大多来自天然的硬质矿物，要使其重新化合、造型，必须进行矿物的破粉碎再利 用粉料配料，然后才能进行各种热处理或成型。粉体颗粒的大小、级配、形状及其均匀性往 往直接影响产品的质量和产量，也决定了采用设备的性质，随着机械化和自动化水平的提高， 对产品质量要求和原料的均匀性要求愈来

3、愈高，而天然矿物往往均匀性差，当前水泥工业采 取种种措施进行原料的均化，陶瓷工业则成立了许多原料公司，通过对原料进行加工，成分 检验、掺和，提供标准化、系列化的粉料。因此，粉体的制备和运输在无机非金属材料的生 产过程中占有重要的地位。在粉体的制度和运输过程中容易产生粉尘和噪音污染，如何防治 也是无机非金属材料工业着重要解决的问题。近代发展起来的特种陶瓷和玻璃要求很高的原料纯度，因此大多采用化工原料来人工合 成粉体，因而成长出一个新的学科分支一一粉体的合成。由于其需要很高的投入，增加了粉 体的成本，所以只用于少数高性能的功能材料中。（三）高温加热（热处理）由于无机非金属材料工业所用原料的稳定性和

4、耐高温性，要使它们它们相互反应生成新 的高度稳定的物质或使其形成熔融体，必须要在较高的温度下进行（一般都在1000C以上）， 因此大部分无机非金属材料生产都有加热过程，而且是整个生产的核心过程，一般都在用耐 火材料砌筑的窑炉中进行.尽管不同产品的加热方式和目的有所不同：如石灰石（CaCO3）的煅 烧是为了使其分解，得到活性的CaO；水泥的煅烧是使石灰石和粘土等反应，合成硅酸钙类 水泥矿物；玻璃工业中的加热是为了获得无气泡结石的均一熔体，而晶化又是为了使熔体变 成晶体；陶瓷的烧结是让粘士分解、长石熔化；然后和其他组分生成新矿物和液相，最后形 成坚硬的烧结体。但是加热过程中所遵循的基本原理是相同的

5、：如热的传递，气体的流动， 物质的传递，熔体、气体对炉体的侵蚀，气氛的影响等等。在此过程中，加热所需的热量通常来自燃料的燃烧，因此燃料的品种、质量、燃烧的条 件直接影响温度、温度的均匀性以及燃料的消耗。能否合理地组织燃料燃烧是决定质量、产 量和成本的主要因素。水泥生产中的燃料灰分还直接进入产品中，所以其组成对产品的性能 有直接影响。此外，燃料燃烧产生的废气和烟尘对环境将产生较大的污染，也应给予充分的 重视。（四）成型由粉体变成产品都有一个成型过程。尽管成型的方法很多，所基于的原理各不相同但其 任务是相同的都是要使粉体又快又好的形成某种形状，使其具有高强度和尺寸准确的制品。尽管水泥生产只有两磨一

6、烧，没有成型工序，但水泥要真正投入使用，也一定要经过成型。 水泥只是个中间胶凝材料。使用时要加上水和其他一些材料浇注成堤坝、管道、梁柱、预制 板或作为防水涂层、砌筑胶泥涂抹于其他制品的表面.其成型的机理是水泥的水化，生成各 种水化产物而变成坚硬的水泥石。因此，水泥生产中配方、煅烧、粉磨、产品检验都要充分 考虑今后成型的需要。（五）干燥由于有些天然原料如粘土、砂等常含有水分而不好加工，需要烘十。有时为了粉碎、均 化、混合又常常要往原料中加水制成浆体。各种浆体都要脱水烘干、有些成型方法要在粉料 中加水方能完成（如陶瓷中的可塑成型和注浆成型），成型后的制品必须经过干燥，才能进入 烧成。虽然干燥的对象

7、和水分高低不一定相同。但都是要从物料和制品中除去水，所以就有 共同的作用原理，如热量的传递，水分的蒸发，加热的方式、空气的温度和流速对水分蒸发 的影响，干燥过程中坯体的收缩等。二、天机非金属材料生产过程的个性无机非金属材料的生产过程具有许多共同点，但是由于无机非金属材料品种多，门类杂， 因此生产工艺过程往往是五花八门，同一生产过程中的作用机理也往往不同，所采用的设备 差别很大，要求也不同，再加上近年又发展了很多新品种和新工艺.使本来就复杂的生产工 艺更加复杂。为了分析其不同点，可以将复杂的工艺过程分解为几个简单生产过程的组合。 如将粉体的制备过程以P （Powder）来表示，热处理过程用H （

8、Heating）来表示，成型以F （Formation）来表示，则生产工艺过程叶以有P-H-P，H-P-F，P-H-F，P-F-H等组合，现简 述如下。（一）胶凝材料类这类产品首先要经过热处理合成能水化的矿物，如水泥矿物（3CaOSiO2、2CaOSiO2 等），然后磨成细粉，最后成型。因此，它的生产过程组合应是H-P-F。而水泥是由各种原料 粉磨配料而来的，所以也可将此类过程写成P-H-P-F，就水泥粉的制备而言也可写成P-H-P。石灰是由石灰石煅烧而来，石灰石的煅烧一般在坚窑中进行。为了便于煅烧，一般选用 石灰石大块，所以没有预先粉磨过程。天然石膏的化学分子式为CaSO4 2H2O。要使其

9、变成半水石膏，只要用炒锅在100200C 下进行炒制即可，故原料开始要磨细.但炒后维持粉末状，不用再粉磨。碳化硅（SiC）磨料的生产和水泥粉生产过程很相似，是将石英砂与石油焦碳粉经混合在 电阻炉中加热至2500C上。由固相、气固相反应生成SiC，放出CO,然后将大块的SiC晶体 破粉碎并经分级处理，制成各种细度的磨料。（二）玻璃、玻璃纤维、铸石、人工晶体类玻璃由于它的透明性、整体性和化学稳定性，大都被用作建筑、各种交通工具的采光材 料和各种密封容器，它是利用硅酸盐高粘度的熔融体急冷而成.它要先将各种原料粉碎成粉 体 经配料、熔化，最后冷却固化而成型。因此它是属P-H-F系列。如果将熔融体直接拉

10、成丝,可制得各种玻璃纤维。由于玻璃纤维的高强度、高绝缘性和优 良的保温性能，使它成为一个独立的工业分支，而特种的光导玻璃纤维则是近代光通信的基 础。玻璃作为采光材料，日用器件、美术品，化学仪器和各种特殊容器，还有一个很重要的 工序是后加工，也称深加工。后加工分热加工和冷加工两大类。热加工主要有热应力钢化， 夹层、灯工、热喷涂、烤花等等。冷加工包括碾磨抛光、雕刻、喷花、蚀刻、制镜等等。如果将熔融体冷却到一定的温度，或将玻璃块重新加热到一定温度，使其晶化，则能形 成微晶玻璃和各种多晶体、单晶体。这些材料具有比玻璃更优秀的品质，如微晶玻璃的高强 度、高韧性。熔注耐火材料的高致密度和优良的抗高温侵蚀性

11、能，人造宝石的高硬度和优良 的光学性能，铸石（cast stone ）的高耐磨性等等。铸石是由辉绿岩、玄武岩、高炉渣等熔融、 浇注成形、再品比而成，有些人工晶体，如人造氟云母、锂云母、多晶CaF2等都是先制成熔 体，然后形成晶体，因此这类材料的特点是在玻璃工艺的基础上再加一晶化过程，可写成P-H-F-H。（三）砖瓦、陶瓷、耐火材料类砖瓦、陶器工业是最古老的工业，它是利用天然微细矿物粘土的可塑性、易烧结性，经 各种成型方法制成坯体，再经高温烧成。此类产品的工艺过程的组合应为P-F-H。这里的热 处理过程称烧成或烧结，它是通过粉体间的固相反应，或形成液相产生固液反应、气固反应， 使粉体间产生牢固的

12、连接而具有强度。它不要求完全合成某种矿物，主要是通过各种反应把 原来的粉末烧结在一起 所以制品常有各种原料的残余相，有反应物、析出物，有固相、液相、 气相，是一个结构复杂的烧结体。根据烧结体致密度的不同，可分陶器、半瓷器（炻器、瓷 器等。为了防渗漏，易于清洗、美化制品、陶瓷表面常上一层釉一称施釉工序。釉坯的匹配、 施釉技术的好坏对产品质量影响很大，釉可以施在坯上一次烧成，也可以施在已烧好的素坯 上、二次烧成。这层釉实际上是玻璃体，所以这类陶瓷可以说是烧结体和玻璃体所组成的复 合材料。搪瓷（vitreous enamel）和各种涂层技术与陶瓷的上釉很类似，只是它们是将无机非金属 材料的釉层施在金

13、属基体上，是无机非金属材料和金属的复合。耐火材料的工艺过程和陶瓷基本上没有什么差别，主要是化学成分的不同。它大多是由 耐温很高的晶相组成，如A12O3、莫来石、死烧MgO等，只有很少一点液相起粘接作用。耐 高温的耐火材料甚至完全没有液相，而是由固相烧结而成，如由刚玉砖、重结晶SiC，或反 应烧结Si3N4、Si3N4结合SiC等。二次世界大战后发展起来的特种陶瓷，它们用量不大，但对性能的要求很高，特别强调 某种功能。如装置瓷、集成电路的基片要求高的电绝缘性，高温结构陶瓷的高强度、高韧性 和耐高温性，磁性瓷的高导磁率和其它一些磁性参数，铁电、压电和半导体陶瓷则必须满足 各种敏感参量和电参量之间的

14、稳定关系。因此，虽然它们的生产工艺过程和普通陶瓷基本相 同，但在原料的制备、成型方法和烧成手段上引进了很多新内容，除所用原料大多是人工合 成的纯度很高的化工产品外，还要根据性能的要求进行严格的配料。另外，这些原料大多是 瘠性料，自身难以成型，往往要加各种有机粘结剂使其成型，如热压注法、札膜法、喷射法、 冷等静压法。最后还应用了很多新的烧结方法，如反应烧结、热压烧结、热等静压烧结等等。近代发展起来的磨具和碳素工业，其生产工艺过程与陶瓷很接近，只是它们所用的原料 不同。陶瓷磨具是将不同颗粒度的磨料和陶瓷原料混炼在一起，经成型后烧成不同形状和尺 寸的陶瓷结合磨具。碳素材料是很重要的电极材料和各种电工

15、元件，也是一种重要的耐火材 料。它是利用各种碳素原料（天然石墨或碳粉石墨化而来）加有机胶结物（如沥青、树脂等） 胶结成型、然后经焙烧而成。第二节无机非金属材料的几种典型生产工艺流程一、水泥生产工艺历程水泥的生产工艺流程按生料制备方法的不同可分为干法与湿法两大类。原料经烘干、粉 碎制成生料粉。然后喂入窑内锻烧成熟料的方法称为干法；将生料粉加入适量的水分制成生 料球。再喂入立窑或立波尔窑内根烧成熟料的方法一般称为半干法，亦可归入干法。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亦称为湿法。50年代出现的悬浮预热窑，在60年代取得了较大发展，大大降低了熟料热耗，70年代 出现的窑外分解技

16、术。使熟料产量成倍提高。热耗也有较大幅度的下降。同时，生料的均化 和原料预均化技术的发展，烘干兼粉磨设备的不断改进，使熟料质量进一步提高、冷却机热 风用于窑外分解炉，窑废气用于原料及煤粉的烘干，以及成功地利用窑尾废气进行发电，使 余热得到了比较充分的利用。这样，水泥的生产方法就开始逐步发生变化，出现了向干法发 展，以及湿法改干法的趋向。悬浮预热器和窑外分解窑就成为当前世界各国竞相发展的窑型。从世界各国的情况统计，即使原料平均水分高达10%,干法生产（窑外分解）比湿法仍可以 降低能耗，而且经济上也是合理的，因此我们这里着重介绍水泥窑外分解干法生产的工艺流留I-h2 瞿外分解忘F注水沛.I：产流程示意图来自矿山的石灰石1，经过一级破碎6和二级破碎7成为碎石，进入碎石库8。矿山开采 的粘土 2,汽车运输进厂，经粘土破碎机10破碎后与碎石经计量按一定配比进入预均化