无机非金属材料工艺学题库

四、简述题1.有一瓶罐玻璃生产厂欲提高玻璃的化学稳定性、提高机速，对配比应做如何调整？为什么？碱金属氧化物(Na2O，K2O)对玻璃的化学稳定性影响最大。为了提高设计玻璃的化学稳定性，必须使设计玻璃中的Na2O、K2O比现有玻璃降低；增加机速，可适当增加CaO，同时考虑到MgO对提高化学稳定性有利，而又能防止析晶，为此在设计玻璃中强加了MgO，并使MgO＋CaO的含量比原有玻璃中CaO的含量增高。2.硅酸盐水泥熟料烧成后要进行冷却的目的是什么？为何生产实践中要采用急速冷却？熟料冷却的目的：改善熟料质量与易磨性；降低熟料的温度，便于运输、储存、和粉磨；回收热量，预热二次空气，降低热耗、提高热利用率。急速冷却熟料的优点：急冷能防止或减少β-C2S转化成γ-C2S；急冷能防止或减少C3S的分解；急冷能防止或减少MgO的破坏作用；急冷使熟料中C3A结晶体减少；急冷熟料易磨性提高。3.无机非金属材料与金属材料在性能上有那些不同？试分析其原因？无机非金属材料的化学组分主要由元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物、以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐和非氧化物等物质，其化学键主要为离子键或离子—共价混合键。因此，无机非金属材料的基本属性主要体现为高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高抗压良好的抗氧化性、隔热性，优良的介电、压电、光学、电磁性能及其功能转换特性等。但大多数无机非金属材料具有抗拉强度低、韧性差等缺点。4.简述玻璃熔化过程的各个阶段及其特点？1）烧结体的形成在高温作用下，发生一系列物理、化学反应，形成不透明烧结物。对于普通钠钙硅酸盐玻璃而言，这一阶段结束后，配合料转变为由硅酸盐和残余石英颗粒组成的烧结体。2）玻璃液的形成不透明烧结体经进一步加热，未完全熔化的配合料残余颗粒溶解，烧结物开始熔融、扩散，并最终由不透明烧结体变为透明玻璃液。但此时的玻璃液含有大量可见气泡，且玻璃液的化学成分很不均匀。3）玻璃液的澄清玻璃液的澄清是指气体夹杂物从玻璃液中的消除的过程。4）玻璃的均化均化过程是为了消除玻璃液中条纹和其他化学组成与玻璃液组成不同的不均体，从而获得化学组成均匀一致的玻璃液。5）玻璃液的冷却为使玻璃液满足成型所需的粘度要求，经高温澄清、均化后的玻璃液需进一步降温冷却。整个冷却过程应力求平稳进行，以保证玻璃液的热均匀性，并防止出现温度波动，以免引起二次气泡。5.在硅酸盐水泥生产中，当氧化钙含量变化时，对煅烧和矿物形成有何影响？当氧化钙含量提高时，熟料中的C3S增加，熟料强度提高，因此，提高氧化钙含量，有利于提高水泥熟料质量；但氧化钙含量过高，熟料煅烧困难，致使f-CaO增加，熟料强度降低；降低氧化钙含量，熟料中的C3S减少，C2S增多，熟料强度降低，熟料易粉化。6.陶瓷厂在采用注浆成型时，对坯料有何要求？1）流动性好。保证泥浆浇注成形时要能充满模型的各个部位。2）悬浮性好。浆料中各种固体颗粒能在较长的一段时间悬浮而不沉淀的性质称为泥浆的悬浮性。它是保证坯体组分均匀和泥浆正常输送、贮放的重要性能之一。3）触变性适当。受到振动和搅拌时，泥浆粘度会降低而流动性增加，静置后又恢复原状，此外，泥浆放置一段时间后，在维持原有水分的情况下也会变稠，这种性质称为触变性。泥浆触变性过大，容易堵塞泥浆管道，且坯体脱模后易塌落变形；触变性过小，生坯强度较低，影响脱模和修坯。4）滤过性好。滤过性也称渗模性，是指泥浆能够在石膏模中滤水成坯的性能。滤过性好，则成坯速率较快。当细颗粒过多时，易堵塞石膏模表面的微孔脱水通道，不利于成坯。熟料和瘠性原料较多时有利于泥浆的脱水成坯。9.简述钙质原料在典型无机非金属材料中的作用？硅酸盐水泥：CaO——满足生成熟料矿物的要求。CaO量过高，生料易烧性差，熟料中f－CaO增多，会导致安定性不良；CaO量过低，熟料中C2S增多，C3S减少，熟料强度下降。陶瓷中：主要起助熔作用，缩短烧成时间，增加瓷器的透明度，使坯釉结合牢固。玻璃中：稳定剂，即增加玻璃的化学稳定性和机械强度，但含量不宜过高，否则会使玻璃的结晶倾向增大，而且易使玻璃发脆。CaO在高温时，能降低玻璃的粘度，促进玻璃的熔化和澄清；但当温度降低时，粘度增加得很快，使成形困难。含CaO高的玻璃成形后退火要快，否则易于爆裂。13.简述普通平板玻璃的主要组成成分及其作用？主要组成成分——Na2O、CaO、SiO2；各成分的主要作用——Na2O，玻璃助熔剂，降低玻璃的粘度，使玻璃易于熔融；CaO，稳定剂，增加玻璃的化学稳定性和机械强度，高温时降低玻璃的粘度，促进玻璃的熔化和澄清；SiO2，玻璃的形成氧化物，作为玻璃的骨架。14.简述影响玻璃化学稳定性的因素？1）玻璃的组成玻璃网络完整性愈高，网络外离子愈少，玻璃化学稳定性愈好。2）侵蚀介质的种类水汽侵蚀能力大于水。弱酸浓度小者大于强者，因前者电解H+强浓度高。碱的侵蚀受阳离子吸附能力，OH-浓度以及生成的硅酸盐溶解度三方面影响。3）热历史急冷玻璃较慢冷玻璃网络疏松，化学稳定性较差；玻璃退火时，若发生析碱，在玻璃表面形成富硅层，而提高玻璃化学稳定性。4）温度压力的影响室温下玻璃相对稳定。但加温加压后，水的电离大大增加，侵蚀作用加剧，0~100℃范围内，温度升高20K，侵蚀作用增大20倍.17.简述陶瓷坯体的干燥过程？生坯与干燥介质接触时，生坯表面的水首先汽化，内部的水借助扩散作用向表面移动，并在表面汽化，然后干燥介质将汽化的水带走。干燥速度取决与内部扩散速度和表面汽化速度两个过程干燥过程可分为四个阶段：1、升速阶段短时间内，坯体表面被加热到等于干燥介质湿球温度的温度，水分蒸发速度很快增大，到A点后，坯体吸收的热量和蒸发水分耗去的热量相等。时间短，排除水量不大。2、等速干燥阶段坯体表面蒸发的水分由内部向坯体表面源源不断补充，坯体表面总是保持湿润。干燥速度不变，坯体表面温度保持不变，水分自由蒸发。到临界水分点后，坯体内部水分扩散速度开始小于表面蒸发速度，坯体水分不能全部润湿表面，开始降速阶段，体积收缩。3、降速干燥阶段表面停止收缩，继续干燥仅增加坯体内部孔隙。干燥速度下降，热能消耗下降，坯体表面温度提高。4、平衡阶段坯体表面水分达到平衡水分时，干燥速度为0，取决与干燥介质的温度和湿度—干燥最终水分。18.简述如何选择陶瓷的成方法？1）产品的形状、大小、厚薄等。一般形状复杂或较大，壁较薄的产品，可采用注浆法成形；而具有简单回转体形状的器皿可采用最常用的旋压、滚压法可塑成形。2）坯料的性能。可塑性较好的坯料适用于可塑法成形，可塑性较差的坯料可用注浆或干压法成形。3）产品的产量和质量要求。产量大的产品可采用可塑法的机械成形，产最小的产品可采用法浆法成形，产量很小质量又要求不高的产品可考虑采用手工可塑成形。4）设备要简单，劳动强度要小。5）经济效果要好。在选择成形方法时，希望在保证产品产量质量的前提下，选用没备最简单，生产周期最短，成本最低的—种成形方法21.在硅酸盐水泥生产中，当KH变化时，对煅烧和矿物形成有何影响？当C3S=0时，KH=0.667，即此时的熟料矿物只有C2S、C3A、C4AF而无C3S；当C2S=0时，KH=1，即此时的熟料矿物只有C3S、C3A、C4AF而无C2S。石灰饱和系数KH应控制在0.667~1.0之间。因此，提高石灰饱和系数KH，可提高C3S在熟料中的含量，熟料强度高，有利于提高水泥熟料质量；但KH过高，熟料煅烧困难，熟料中的f-CaO高，影响水泥的安定性，对水泥强度不利。降低KH值，熟料中的C3S减少，C2S增多，熟料强度降低，熟料易粉化。25.简述影响碳酸钙分解速度的因素。1）温度：随温度升高，分解速度常数K和压力的倒数差都相应增加，分解时间缩短，分解速度增加。但应注意温度过高，将增加废气温度和热耗；预热器和分解炉结皮、堵塞的可能性亦大。2）窑系统的CO2分压：通风良好，CO2分压较低，有利了碳酸钙的分解。3）生料细度和颗粒级配：生料细度细，颗粒均匀，粗粒少，分解速度快。4）生料悬浮分散程度：生料悬浮分散差，相对地增大了颗粒尺寸，减少了传热面积，降低了碳酸钙的分解速度。因此，生料悬浮分散程度是决定分解速度的一个非常重要的因素。这也是在悬浮预热器和分解炉内的碳酸钙分解速度较回转窑、立波尔窑内快的主要原因之一。5）石灰石的种类和物理性质：结构致密、结晶粗大的石灰石，分解速度慢。6）生料中粘土质组分的性质：高岭土类活性大、蒙脱石、伊利石次之，石英砂较差。活性越大的，在800℃下越能和氧化钙或直接与碳酸钙进行固相反应，生成低钙矿物，可以促进碳酸钙的分解过程。18.SiO2在典型无机非金属材料中的作用？答：硅酸盐水泥：与氧化钙一起形成硅酸钙。如果熟料中SiO2过高，熟料煅烧困难，特别当氧化钙含量低，硅酸二钙含量多时，熟料易于粉化。硅率过低，则熟料中硅酸盐矿物太少而影响水泥强度，且影响窑的操作。在玻璃中：SiO2是玻璃形成氧化物，以硅氧四面体[SiO4]的结构组元形成不规则的连续网络，成为玻璃的骨架。在陶瓷产品烧成过程中，二氧化硅的体积膨胀可以起着补偿坯体收缩的作用。高温下石英部分地溶解于液相中，增加熔体的粘度，而未溶解的石英颗粒构成坯体的骨架，减少变形的可能性。由于石英属瘠性原料，因而可减小坯体的干燥收缩和缩短干燥时间。14.简述拟定陶瓷烧成制度的一般原则？答：⑴坯料在加热过程中的形状变化通过分析坯料在加热过程中的形状变化，初步得出坯体在各温度或时间阶段可以允许的升、降温速率等。这些是拟定烧成制度的重要依据之一。⑵坯体形状、厚度和入窑水分同一组成坯体，由于制品的形状、厚度和入窑水分的不同，升温速度和烧成周期都应有所不同。壁薄、小件制品入窑前水分易于控制，一般可采取短周期快烧，大件、厚壁及形状复杂的制品升温不能太快，烧成周期不能过短。坯体中含大量可塑性粘土及有机物多的粘土时，升温速度也应放慢。有学者根据不稳定传热过程的有关参数推算出，安全升、降温的速度与陶瓷坯体厚度的平方成反比。⑶窑炉结构、燃料性质、装窑密度它们是能否使要求的烧成制度得以实现的重要因素。所以在拟定烧成制度时，还应结合窑炉结构、燃料类型等因素一道考虑，也就是把需要的烧成制度和实现烧成制度的条件结合起来，否则先进的烧成制度也难以实现。⑷烧成方法同一种坯体采用不同的烧成方法时，要求的烧成制度各不相同。日用瓷的素烧温度总是低于本烧的温度。釉面砖素烧的温度往往高于釉烧的温度。一些特种陶瓷可在常压下烧结外，还可用热压法、热等静压法等一些新的方法烧成。热压法及热等静压法的烧成温度比常压烧结的温度低得多，烧成时间也可缩短。因此拟定烧成制度时应同时考虑所用的烧成方法。15.如何加速玻璃的熔制过程？答：1）添加剂实践中使用的加速玻璃融化的添加剂有助熔剂、澄清剂。2）搅拌与鼓泡在池窑上增设搅拌与池底鼓泡装置可提高玻璃液的澄清和均化速度。3）电助熔与全电熔电助熔是在燃料加热的同时，在池窑融化部、加料区和作业部增加电加热，以提高玻璃液的熔化速度。4）富氧燃烧富氧燃烧可提高燃料利用率，提高熔化温度，加速熔化过程。5）高压与真空熔炼高压与真空熔炼有利于玻璃中可见气泡的消除，前者可使可见气泡中气体溶解至玻璃液，后者可导致可见气泡的迅速膨胀而加速上浮。16.简述工艺因素对陶瓷显微结构的影响？答：1.原料粉末的特征颗粒大小、分布、聚集程度影响最为明显。1）颗粒大小影响成瓷后晶粒尺寸。a、粗粒多：成瓷后晶粒尺寸增加小；b、细粒多：成瓷后晶粒尺寸增加大，因为比表面大，利于晶粒发育长大。2）粒度分布范围影响产品的密度：即气孔率分布范围窄，则密度高，粉末要求聚集成团，因团粒之间的空隙往往大于颗粒之空隙。2.添加掺杂物1）掺杂物进入固溶体，增加晶格缺陷，促进晶格扩散，使坯体致密，减少气孔；2）晶粒周围形成连续的第二相，促进绕结。如第二相不易移动，则阻碍晶界移动，抑制晶粒长大，多数情况下掺杂物会抑制晶粒粗化，减缓晶界移动速度，但也会加速晶粒生长，与其数量种类有关。3.烧成制度1）烧成气氛是影响产品结构、性能的重要因素之一。气孔率、晶粒尺寸、缺位形成、阳离子价态、矿物组成如：TiO