如何解决耐火材料烧成过程中的裂纹问题

耐火材料在高温窑烧成完出窑后，经常发现制品出现裂纹。对烧成过程坯体内外部受力进行分析，主要为：烧结驱动力(依烧结机理而不同。烧结本身是个复杂的物理化学过程，此处简化为烧结驱动力)、热应力(温度变化时自由膨胀或收缩受限，内部温度场或组织结构不均匀导致)、自身重力、底部台面的支撑力和摩擦力等。

进一步深入分析，烧成过程出现裂纹的原因主要为：

出现裂纹的原因

01混料环节混料不均匀导致坯体内部组织结构不均匀;

02成型环节成型时布料或内部受力不均匀，导致坯体内部组织结构不均匀;成型时加压制度不合理，导致坯体内部层裂;

03干燥环节

干燥速度过快，内部蒸汽压力和热应力共同作用，超过坯体强度时，出现裂纹(严重者出现爆裂);

04烧成环节

·高温窑内部温度场不均匀或者升降温速度过快，导致坯体内部温度场不均匀(尤其在坯体尺寸较大的情况下)，内部产生较大的热应力，超过坯体强度时，出现裂纹;

·坯体内部组织结构不均匀，导致烧结收缩不一致而出现裂纹;对于较大尺寸的坯体，坯体中心部位烧结驱动力不足(尤其是气相烧结，气体不容易进入坯体内部)，导致整体烧结收缩不一致而出现裂纹;

·自身重力和底部摩擦力影响较大时，导致坯体烧结收缩不均匀，出现变形或裂纹。

注：未考虑烧成过程中，因骨料和基质之间因热膨胀系数不匹配所形成的微裂纹;

对于混料、成型和干燥环节出现的问题，可以加强工艺控制来进行改善。对于烧成环节出现的问题，可以采取以下措施：

01

高温窑内部温度场不均匀，除了改进窑内温度场的均匀性以外(加强对流、合理布置加热位置等)，还可以采用TRIZ理论中的发明原理No.15动态特性原理，将高温窑或坯体转动起来，从而使坯体各个部位受热均匀(静态不均匀→动态均匀);

02

高温窑升降温速度过快的问题，可以采用软件模拟坯体升降温过程中的温度场、热应力分布和变化情况，合理设置升降温速度(详见参考文献4);

03

自身重力和底部摩擦力的影响可从坯体烧成后各个部位和方向的收缩率来衡量，如影响较大出现变形和裂纹，可以采取吊烧、底部加垫颗粒、倾斜加垫颗粒和控制升温制度等(详见参考文献5);

04

裂纹的出现一般是由于过大的拉应力引起的，可以采用TRIZ理论中76个标准解中的No.12用场F2来抵消有害作用，额外施加一个压力，(部分)抵消该拉应力，降低变形和裂纹的出现;

05

对于大尺寸坯体，内部中心部位烧结驱动力不足的情况，可以采用TRIZ理论中76个标准解中的No.15双物场模型，采用热压烧结技术，提高整体烧结驱动力，促进烧结。此外，施加的力还能(部分)抵消坯体内部因各种原因出现的拉应力，降低变形和裂纹的出现。

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