成型

将泥料加工成具有一定形状的坯体的过程称为成型，成型的坯体具有较致密的均匀的结构，并具有一定的强度。

一、成型方法

生产耐火砖制品的成型方法，常用的有以下几种：

（一）注浆成型

将泥浆注入石膏模中，石膏模吸收泥浆中的水分，并在石膏模表面集结成水分较少的泥料膜，时间越长，集结的泥料膜就越厚。注浆后石膏模放置的时间，主要根据制品所需要的厚度来确定。当达到坯体所需厚度时，将石膏模内多余的泥浆倒出，并继续放置一定时间，待坯体具有一定强度后脱模、晾干和进行修坯。注浆成型用泥浆的水分含量，一般为35～45%。此法主要用于生产薄壁中空制品，如热电偶套管，高温炉管和坩埚等。

（二）可塑成型

可塑成型（也称挤压成型），一般指含水量16~25%的呈塑性状态的泥料制坯方法，使可塑性泥料强力通过模孔的成型方法称为挤压成型。通常用连续螺旋式挤泥机或叶片式搅拌机与液压机连用，将泥料混合、挤实和成型。这种成型方法适宜于将可塑泥料加工成断面均称的条形和管形等坯体。

（三）机压成型

机压成型又称半干法成型，指用含水量在2～7%左右的泥料制备坯体的方法。一般采用各种压砖机、捣固机、振动机械成型。与可塑成型相比，坯体具有密度高、强度大、干燥和烧成收缩小、制品尺寸容易控制等优点，半干成型是常用的成型方法。

（四）熔铸成型

这是一种将物料经高温熔化后，直接浇铸成制品的方法。目前主要用于生产电熔刚玉、莫来石和锆刚玉等高级耐火材料。

耐火材料的其他成型方法有热压成型和热压注法成型等多种方法。目前耐火材料制品主要采用机压成型。下面着重介绍机压成型。

二、机压成型

（一）压制过程

普通的机压成型砖坯的压制过程，实质上是一个使泥料内颗粒密集和空气排出形成致密坯体的过程。通常用压力－收缩曲线来表示。从图3－7中看出，压制过程是按几个阶段进行的。在第一阶段中，泥料在压力作用下颗粒发生移动，形成坯体。其特点是泥料压缩量大，而且压缩量几乎与压力成正比增加；当坯体被压缩到一定程度后，就进入了压制过程的第二个阶段。在这个阶段中，成型压力已增加到能使泥料内颗粒发生脆性和弹性变形的程度，所以在压制时由于泥料内颗粒受压变形和多角型颗粒的棱角被压掉，从而使坯体内颗粒间的接触面增加，摩擦阻力增大。因此，使这一阶段的压制特性表现为跳跃式的压缩变化，即呈阶梯形变化曲线；当压制进入第三阶段时，成型压力已超过临界压力，即使压力再升高，坯体几乎不再被压缩。

在耐火材料生产中并不希望三个阶段都进行。因为砖坯成型时要求其颗粒不被压碎而只进行颗粒移动密集和排除空气。所以砖坯的实际压制过程一般都在第一阶段内进行。

砖坯的上述压制特征说明，泥料的自然堆积密度越大，颗粒间的摩擦力越小，泥料受单位压力作用时的压缩量就越大，砖坯的体积密度也就越高。因此，在泥料中加入一些有机活化剂，增大泥料内颗粒的活动能力和降低泥料与模壁之间的摩擦力，可以提高砖坯压制的密实程度。

（二）层密度现象

成型后砖坯的密度沿着加压的方向递变的现象称为层密度。由上方单向加压的砖坯，一般是上密下疏，在同一水平，则中密外疏。在同一块砖坯上会出现密实程度不同的原因，主要是存在着泥料中颗粒与颗粒之间的摩擦(称内摩擦)和压制过程中泥料与模壁之间的摩擦(称外摩擦)。当压制砖坯时，上部料层先受压，压力沿受压方向一层层地往下传递，在传递过程中，部分压力消耗在克服内、外摩擦力的作用上，因而出现压力递减现象，造成砖坯沿受压方向离受压面越远，密实程度越低的不均匀性，即如图3-8所示的那样，D1＞D2＞D3。

压制砖坯时的层密度现象，对厚度及高度大的砖坯表现得比较明显，这与压制上述制品压力递减程度有密切关系。

在耐火材料生产中，为了减轻或消除砖坯压制时产生的层密度现象，通常采取如下的几种方法：

1)对厚度及高度大的制品，一般采用双面加压，以缩短压力传递距离，减少压力递减程度。

2)提高模板加工精度和在模壁上涂以润滑油，以降低泥料和模壁之间的摩擦力。

3)在泥料内加入一些活化剂(如纸浆废液等)，以降低压制时泥料内的摩擦力。

4)采用等静压成型，以及压砖操作时采取多次加压。

（三）弹性后效

弹性后效通常是指在模型内由泥料制成的坯体受力时产生的变形，在外力解除后引起坯体膨胀的现象。造成这种现象的主要原因是泥料内含有空气和水分，在成型加压时它们发生压缩和迁移。而在撤压后。又发生再迁移和膨胀，从而引起坯体的体积膨胀。

成型时，坯体受压方向所受到的压力数倍于横向压力，因而弹性后效在纵向(受压方向)上较大。当成型压力取消后，坯体的横向膨胀被模壁所阻，纵向周边的膨胀又为侧壁摩擦力所阻，因此使砖坯纵向中间部位呈现出较大的膨胀。

由弹性后效引起的砖坯体积膨胀，当砖坯强度不足时，会使砖坯产生垂直于加压方向的裂纹(又称层裂)。

（四）提高砖坯成型质量的主要措施

1.要求泥料具有适当而稳定的颗粒组成

压制砖坯时，如泥料中粗颗粒过多，易使砖坯边角不严。表面粗糙和顾粒脱落；泥料过细，则由于泥料中气膜(或水膜)大，压制时弹性后效大，易引起层裂。

2.压力和水分间必须相适应

泥料中的水分主要起着结合作用和润滑作用，它有利于泥料在成型压力作用下颗粒间发生移动。水分含量较低的泥料成型时，其内摩擦较大，要获得致密坯体，就必须有较高的成型压力。但水分含量大的泥料则不能采用高压力成型，因为高水分泥料成型时的弹性后效大，而且水分易向坯体的不致密处集中，因此采用高压力成型时易产生过压裂纹。

总的来说，成型压力和泥料水分含量要求成反比。例如，粘土制品，当采用低压力成型(手工成型)时，泥料水分一般为8～9%；而采用高压成型(机压成型)时，水分就应低些，一般为3～5%。

3.成型操作

摩擦压砖机成型时，初压应轻而缓慢，有利于泥料中空气排除，如果初压过重过急，表层压密，空气不能外逸，就易产生过大的弹性后效而使砖坯开裂。所以目前生产中均采用先轻后重的压砖原则。

（五）成型设备及模具

1.成型设备

目前，成型耐火材料坯体用的机械设备主要有摩擦压砖机、杠杆压砖机、液压机、回转压砖机、振动成型机等。关于生产中具体选用何种设备，需根据制品的形状、尺寸、性能要求以及生产数量等因素综合考虑而定。

(1)摩擦压砖机

用摩擦轮通过丝杠带动滑块作上下往复运动的压砖机。该压砖机结构简单，易操作和维修，适应性强，是耐火材料生产中应用较多的成型设备。常用的摩擦压砖机的规格有公称压力为kN、kN、kN，高吨位的有kN、kN、kN等。成型中注管砖或较厚的砖型，采用高冲程摩擦压砖机。摩擦压砖机结构示意图见图3-9。

（2）液压摩擦压砖机

在压砖过程初期宜施加低压力，可使成型的泥料在砖模中排气。液压摩擦压砖机初压采用液压缸将压块压下加压（其压力仅为最终压力的几十分之一），之后再利用摩擦机构产生的冲击力打击压块，完成压砖。这种采用油压预压和摩擦压力结构相结合的压砖机，使用性能比一般摩擦压砖机优越，但需增加液压系统，所以造价高。

（3）液压压砖机

该机特点是用液体传递能量产生静压力，工作平稳，双面加压，调节压力方便，容易满足耐火制品成型工艺的要求，压砖质量好。为适应耐火材料各种制品发展的需要，高性能、带有真空脱气的高吨位液压压砖机有了进一步的发展，如kN、kN、kN、kN压力的液压压砖机先后开发应用，可以用来成型多种耐火制品，诸如转炉大型衬砖及含碳特殊制品等，都能获得致密和外形尺寸精度高的砖坯。所以液压压砖机，在使用中显示出适应性大，操作自动化程度高和成型精度高等方面的优越性。液压压砖机的设备费用高，维护复杂。其结构示意图见图3-10。

（4）等静压机

通过液体或气体传递压力使坯体各个方向均匀受压得到致密成型。等静压机分为冷等静压机和热等静压力两种。在耐火材料工业中主要应用冷等静压机，工作介质用油或水。由于等静压机设备费用高，生产效率低，所以只用于其它成型设备满足不了工艺要求的和不能成型的、形状复杂的、大型及细长形的制品，如成型长水口砖、浸入式水口砖及整体塞棒以及特殊制品等。其结构示意图见图3—11。

（5）杠杆压砖机

利用机械杠杆结构组成的压砖机，在固定模内进行双面加压，其冲头行程值是恒定的，适用压制尺寸较小的标普型粘土砖，在高压杠杆压砖机上也可压制镁质制品。这种压砖机的加压制度调节困难。

（6）振动成型机

在加压条件下靠振动力成型的设备，用以成型复杂的异型和巨型砖。振动成型设备类型甚多，按振动器驱动方式，有机械的、电磁的、气动的及液压的；按振动器—加压装置的设置方式，分为下部振动—上部加压、上部振动—上部加压和侧部振动—上部加压等形式。

2.模具

无论采用哪种成型机械，对其砖模的结构和模板的质量都是很关键的间题。在设计和制作模具时一般应考虑以下几个原则：

(1)缩放尺率。耐火制品的外形尺寸必须符合规定要求，而砖坯在干燥和烧成过程中都将发生体积变化，特别在烧成过程中体积变化较大。一般制品产生收缩，而硅砖则由于多晶转变作用产生膨胀。因此，在设计模型时必须考虑缩放尺，以保证制品尺寸的正确性。在实际生产中，砖模尺寸通常按下式进行计算。

对于烧成时收缩的制品：砖模尺寸＝成品尺寸+成品尺寸×放尺率

对于烧成时膨胀的制品：砖模尺寸＝成品尺寸－成品尺寸×缩尺率

一般是根据不同砖种和泥料，通过实际试验来确定的。目前，我国生产硅砖时，缩尺率一般为2~3%；粘土砖放尺率为1～2%。

计算砖模尺寸时应注意，由于砖坯烧成时装窑的受压方向和非受压方向的收缩(或膨胀)值不同，所以对同一块制品根据其烧成时受压和非受压情况规定不同的缩放尺率。对烧成时收缩的制品，其受压方向的放尺率应大些，通常较非受压方向增加0.5～1%；而对烧成膨胀的制品，其受压方向的缩尺率就应小些。

(2)模板安装应有锥度，下口小、上口大、对称，并要保证制品尺寸合格。模型安装后的锥度一般为千分之五。有的砖型尺寸公差要求小，模板安装也可没有锥度，采用活动模板的办法解决。内模板外侧设计锥度，坯体出模时连同内模一起顶出，外模板固定。

(3)模板必须表面光洁、平整、并有较高的硬度。

(4)尽可能使该制品的最大面积作为受压面。

(5)模型内的沟棱处带弧度，模板死角处带1～2mm圆弧。

(6)有模底凸出部分，尽量做成活楔。

(7)不平的面应做成活底。

(8)厚度超过mm的制品，应考虑两面加压。

砖坯干燥的目的是为了提高半成品的强度，以便能够安全运输，堆放和装窑。湿坯经干燥后还能保证在烧成初期可快速升温。特别是在水分含量高的砖坯，若干燥不好，烧成时就会产生严重开裂和变形。

一、砖坯的干操过程

砖坯的干燥过程实质上是经预热后的热空气(或热烟气)把热量传递给坯体，坯体吸收热量而提高温度，从而使水分蒸发逸出坯体，并随热气体排出干燥器。水分从坯体排除的过程，一般分两个阶段进行，即等速干燥阶段和减速干燥阶段。

在等速干燥阶段中，主要是排除砖坯表面的物理水，水分蒸发在坯体表面进行。随着水分排除，坯体相应地收缩。故此阶段的干燥速度应慢些，以免坯体急剧收缩而产生开裂，这对含水量高的大型或特异型制品尤为重要。当等速干燥阶段基本结束进入减速干燥阶段时，水分的蒸发便由坯体表面逐渐移向坯体内部，这时坯体的干燥速度受温度、孔隙数量及其大小等因素影响，砖坯从载热体中吸收的热量，一方面提高坯体温度，同时供给水分蒸发。在这个阶段中砖坯的干燥速度与砖坯的温度，以及水蒸气自孔隙向外传递的速度有关。水分在孔隙中蒸发以后，自坯体的内部移向表面，然后扩散至载热体中。当坯体温度升高，而水分蒸发量恰为水蒸气自孔隙中向外传递的最大量时，此时坯体的安全干燥速度最大。因此，在这个阶段内，若温度过低，会使水分蒸发量减少，干燥过程就延缓；若温度过高，则会造成坯体内部蒸发的大量水分来不及排出，从而使砖坯产生毛细裂纹，甚至开裂。因此，砖坯干燥时，首先要选择和控制适宜的载热体温度和湿度，以保证砖坯具有最大的安全干燥速度。

砖坯干燥时，伴随着水分蒸发过程还常有一些物理－化学变化发生。例如，在硅酸铝制品的泥料中，通常还加入少量的亚硫酸纸浆废液，在干燥时浓缩而对坯体中颗粒进行胶结，使坯体强度增加；硅砖中由胶体状态的Ca(OH)2转变为结晶水化物Ca(OH)2H2O以及它与活性SiO2作用所生成的含水硅酸盐(CaOSiO2nH2O)等，均使硅砖坯体强度增加；用水玻璃结合的不烧制品，干燥时水玻璃发生缩聚作用，使坯体的强度得到显著提高等等。

二、干燥方法及干燥设备

目前我国耐火材料厂所用的干燥方法主要有以下几种。

1.隧道干燥器干燥

隧道干燥器干燥是大、中型耐火材料厂使用最普遍的一种干燥方法。它是属于连续式生产的干燥设备。其热源(载热体)通常用热烟气或用预热器将空气预热后，由干燥器一端(出车端)用鼓风机送入，从另一端(进车端)用抽风机排出。载热体的温度规定视制品种类、形状、大小和坯体内水分含量多少等因素而异，一般送风温度~℃，排气温度60~90℃。

隧道干燥器常用的规格为：高1.65m、宽0.95m，其长度波动较大，视各厂厂房具体条件而定，一般在25～30m左右。

砖坯在隧道干燥器内的干燥时间一般以推车时间表示，其波动范围较大，通常推车间隔时间为15～45分钟左右。对大型或特异型制品，在进入隧道干燥器以前，应在室温条件下先进行自然干燥24～48小时，然后再进入隧道干燥器干燥，以防干燥时因收缩过快而开裂。

干燥后砖坯的残余水分一般要求为：粘土制品2～1.0%；硅质制品少于1～0.5%；镁质制品小于1.0%。

2.室式干燥器干燥

室式干燥器(或称格子干燥器)是一种间歇式干燥设备，干燥小车推入后，送入载热体进行干燥。由于这种干燥器内载热体的温度和湿度易于调整，因此适宜于干燥大型和特异型制品。此类干燥器的热源一般也采用预热器预热的空气，也有在干燥器内壁安设暖气管道，直接加热干燥器内的空气进行干燥。

耐火材料制品大部分采用机压成型，成型后砖坯水分含量较低，在干燥过程中收缩不大，因而干燥比较容易，甚至有的工厂将粘土砖、高铝砖等砖坯直接码垛在带有干燥段的隧道窑窑车上进行烧成。这样，可以缩短生产周期，减少运输废品。

三、造成干燥废品的原因

砖坯由于干燥造成的废品主要有开裂和变形两项。砖坯在干燥过程中，随坯体内水分含量不同而发生不同程度的收缩，湿坯的水分越大，干燥后收缩也越大。砖坯在干燥时，一般来说，表面温度高，收缩大；而中心部位则温度低，收缩小。这种收缩的不均匀性导致砖坯内部产生应力，当这种应力超过砖坯本身的机械强度时，就会造成砖坯干燥开裂和变形。砖坯干燥时收缩的不均匀性也可能由泥料的不均匀性引起；而变形也可能是砖坯放置不平等造成。但是，在干燥对初期温度应低些，使坯体内水分缓慢排出，然后再在较高温度下干燥，这是防止砖坯产生干燥开裂的基本方法。

四、半成品检查

经干燥后的砖坯，通常又称之为半成品。它们在装窑前一般都要按半成品技术条件规定进行检查。其目的是不使已经损坏或不合格的砖坯装入窑内焙烧，以提高成品合格率和免除不必要的燃料消耗。

半成品的检查项目主要有外形尺寸公差、缺角、缺棱、扭曲变形和层裂等。检查出来的废品，可以经粉碎后按一定比例掺入泥料内搭配使用。.

造成半成品不合格的原因，大致有以下几种：

机压成型砖坯：

1)因泥料颗粒过粗或泥料混练不均，造成粗颗粒集中部位表面粗糙(麻面)或边角脱落。

2)模板安装不好或压砖操作不当，造成裂纹或尺寸不合格。

3)泥料水分不合适，造成层裂或裂纹等。

手工成型砖坯：

1)脱模不当而造成微细裂纹或缺角缺棱。

2)因砖板不平造成扭曲变形等。

其他，如干燥不当造成开裂，或者装卸搬运不小心，运输过程中振动太大等而造成砖坯边角脱落。

半成品的检查除外形项目，还有坯体的气孔率、体积密度检验。