重点不定形耐火材料基础知识

第1页目录第一章不定形耐火材料基础知识………………21.1不定形耐火材料的定义…………………………21.2不定形耐火材料的分类…………………………21.3不定形耐火材料的特点和工艺流程………………4第二章原材料及其要求…………………………6第一节耐火骨料和粉料…………………………62.1.1作用与要求……………………………………62.1.2几种重要骨料…………………………………7第二节不定形耐火材料用的结合剂………………162.2.1概述…………………………………………162.2.2暂时性结合剂…………………………………182.2.3碳素结合剂……………………………………192.2.4铝酸盐水泥……………………………………202.2.5硅酸盐结合剂…………………………………232.2.6磷酸及磷酸盐结合剂…………………………25第三节不定形耐火材料的添加剂…………………272.3.1概述…………………………………………272.3.2减水剂………………………………………282.3.3铝酸盐水泥结合用的减水剂……………………302.3.4不定形耐火材料用的分散剂……………………302.3.5不定形耐火材料用促凝剂和缓凝剂………………32第三章耐火材料的组成和性质…………………363.1不定形耐火材料的化学矿物组成…………………363.2不定形耐火材料的组织结构……………………383.3不定形耐火材料的热学性质和导电性……………393.4不定形耐火材料的力学性质……………………403.5不定形耐火材料的高温使用性能………………423.6不定形耐火材料的施工性质……………………44第2页第一章不定形耐火材料基本知识1.1不定形耐火材料的定义不定形耐火材料：不定形耐火材料是由耐火骨料和粉料、结合剂或另掺外加剂以一定比例组成的混合料，能直接使用或加适当的液体调配后使用。即该料是一种不经过煅烧的新型耐火材料，其耐火度不低于1580℃。骨料：指粒径大于0.088mm的颗粒料，它是不定形耐火材料组织结构中的主要材料，起骨架作用，它决定了不定形耐火材料的物理力学和高温性能，也是决定材料属性及应用范围的重要依据。粉料：也称细粉，指粒径小于0.088mm的颗粒料，它是不定形耐火材料组织结构中的基质之一，在高温下起连接骨料的作用，使之获得物理力学和使用性能。细粉能填充骨料的孔隙，赋予或改散不定形耐火材料的作业性能及致密度。结合剂：指能使耐火骨料和粉料胶结起来显示一定强度的材料。结合剂是不定形耐火材料的重要组份，可用无机、有机及其复合物等材料，其主要品种有水泥、水玻璃、磷酸、溶胶、树脂、软质粘土和某些超微粉等。添加剂：是强化结合剂作用和提高基质相性能的材料。它是耐火骨料、耐火粉料和结合剂构成的基本组份之外的材料，故也称外加剂。如增塑剂，促凝剂，缓凝剂，助烧结剂，膨胀剂等。另外，对粉料中很细的部分分别规定：粒径中小于5µm的是微粉；粒径中小于1µm的是超微粉。1.2不定形耐火材料的分类第3页表1-1不定形耐火材料按结合剂品种的分类结合剂不定形耐火材料种类结合剂举例胶结形式硬化条件无机水泥硅酸盐水泥、高铝水泥、铝－60水泥、纯铝酸钙水泥、钡水泥、白云石水泥等水合水硬性化合物水玻璃、磷酸、磷酸盐、卤水等化学聚合气硬、热硬粘土软质粘土凝聚水合气硬、热硬超微粉活性氧化硅、氧化铝凝聚水合气硬、热硬有机纸浆废液、焦油沥青、酚醛树脂化学粘附气硬性复合软质粘土与高铝水泥等水合凝聚气硬性表1-2按施工制作方法的分类名称特性施工方法施工设备浇注料具有较好的振动流动性浇注振动台、振动器、人工可塑料具有较好的可塑性捣打捣固机、风镐、人工捣打料半干性捣打捣固机、风镐、人工喷涂料流动性、粘附性、快凝性喷射喷射（火法、湿法、半干法）涂抹料流动性、粘附性涂抹涂抹机、人工投射料粘附性、快速凝固性甩砂、抛砂甩砂机、抛砂机、人工压入料流动性、泵送性压入泥浆泵火泥流动性、粘结性涂抹人工第4页表1-3按耐火骨料的品种分类耐火骨料不定形耐火材料品种材料举例主要化学成分，％主要矿物高铝质矾土熟料、刚玉Al2O350-95莫来石、刚玉粘土质粘土熟料、废砖Al2O330-55莫来石、刚玉半硅质硅质粘土、腊石SiO265,Al2O330方石英、莫来石硅质硅石、废硅砖SiO290鳞石英、方石英镁质镁砂MgO87方镁石其它碳化硅SiC50碳化硅铬渣Al2O375,Cr2O38铝铬尖晶石多孔熟料Al2O335莫来石、方石英页岩、陶粒SiO290方石英1.3不定形耐火材料的特点和工艺流程1.3.1不定形耐火材料的特点总结如表1-4：表1-4不定形耐火材料的特点项目优点缺点工艺流程流程短、成品率高、供应及时、热耗低、劳动强度小标准缺乏、检验方法不全产品性能整体性好、抗热震性强性能易波动技术经济投资少、建设期短、占地少、见效快开发应用周期短、更新快使用性能适应性强、处理复杂结构、便于修补不便于拆毁第5页1.3.2不定形耐火材料的工艺过程如下图：图1-1不定形耐火材料的生产工艺流程图原材料耐火材料分级物料结合剂掺和料混练粉料水搅拌流动性喷涂料涂抹料耐火泥浇注料可塑性半干性流动性捣打料可塑料泥料预制件现场施工现场干燥现场烧成烧成并交付使用耐火厂成型干燥性能调试成品施工第6页第二章主要原材料及其要求不定形耐火材料的原材料分为耐火骨料、耐火粉料、结合剂和外加剂。采用不同性质的原材料，可配制成不同的性能、使用温度和使用范围的不定形耐火材料。现代的不定形耐火材料，一般采用复合的原材料，充分发挥其各自的特性，以便获得最佳的理化性能，提高产品的使用寿命。不定形耐火材料的物料构成图如下：图2-1不定形耐火材料的物料构成图第一节耐火骨料和粉料2.1.1作用与要求在不定形耐火材料中，耐火骨料用量一般为63％－73％，起骨架作用，能显著影响其性能；耐火粉料用量为15％－37％，起填充骨料空隙和改善施工和易性等作用。有些耐火粉料，如粘土和超微粉等，还是良好的结合剂。其理想的颗粒级配是粗骨料所造成的空隙恰被细骨料所填满，二者间的空隙又被耐火粉料所填充，达到最大的堆积密度，以便获得最佳的性能。耐火骨料分为粗骨料和细骨料。一般颗粒尺寸大于5mm的为粗骨料；5mm-0.088mm的颗粒称为细骨料。骨料临界粒度根据施工制作方法不同而制定，如表2-1所示。目前，耐火骨料临界粒度有减小的倾向，一般用8mm或5mm，泵送料为3mm。不定形耐火材料骨料分散质基质分散体掺合物细粉结合剂添加剂水添加剂第7页表2-1耐火骨料的临界粒度成型方法振动喷涂捣打泵送料临界粒度/mm1010-510-55-32.1.2几种重要的耐火骨料①氧化铝质耐火原料表2-2不同骨料的主要性能表组成、性能骨料种类Al2O3%Fe2O3%TiO2%CaO%SiO2%(Na2O+k2O)%体积密度g/cm3总气孔率％烧结刚玉99．50．10．090．080．050．133．610板状刚玉99．80．05－0．050．10．423．588棕刚玉93．81．40．90．52．7－3．58电熔棕刚玉93．21．03．01．31．10．353．75白刚玉99．30．160．14－0．080．253．68矾土熟料88．51．64．00．45．50．303．49烧结莫来石72．10．50．030．0323．40．282．7512表2-2列出了几种氧化铝质骨料的主要性能。其中刚玉的成分为α‐Al2O3，硬度为9，熔点为2050℃。刚玉具有高的热导性和电绝缘性、优良的化学稳定性和抵抗还原剂作用的能力。它是用工业氧化铝或铝土矿经烧结或电熔后而制成的。当用工业氧化铝电熔时，得到的是白色刚玉，Al2O3含量大于98.5%；当用铝土矿作原料时，则获得普通刚玉，Al2O3含量为91-93%，经处理后，Al2O3含量大于97%；当添加铁屑时，可生产棕刚玉；当添加锆英石时，则得到锆刚玉。即刚玉可分为烧结刚玉和电熔刚玉两大品种，又可分为白刚玉、棕刚玉、锆刚玉和铬钢玉。电冶矾土刚玉以矾土为原料，通过电熔还原脱出SiO2、Fe2O3、TiO2等杂质制得，较电熔白刚玉成本低。组织结构致密，体积密度高，骨料吸水量少，且成型时骨料间移动阻力小，故表现出良好的流动性能。采用电冶矾土刚玉和白刚玉制得的浇注料均有较好的微膨胀性能。高温阶段，以电冶矾土刚玉制得的浇注料体积密度重新增大，显气孔率下降，强度明显增大，表明同白刚玉相比，电冶矾土刚玉能促进高温烧结，主要是由于电冶矾土刚玉熔制过程中会残留有少量杂质。骨料组织结构和杂质成分所形成的玻璃相对热震稳定性有较大影响。采用电熔白刚玉为骨料时，热震后浇注料抗折强度降低率最小，显气孔率变化较小，表明热震后，材料中形成的裂纹较第8页少，热震稳定性较好。以电冶矾土刚玉为骨料时，浇注料热震稳定性有所下降。与电熔白刚玉相比，电冶矾土刚玉结构致密，晶粒粗大、晶界少，且晶界处分布着一定量的含钛碳氮化合物，这类非氧化物的存在有利于阻止CaO-SiO2-FeO系熔渣的渗透及渣的反应。用该材料制备的浇注料在高碱度熔渣环境下，采用电冶矾土刚玉制得的浇注料表现出优良的抗渣侵蚀和渗透性能。《国外耐材99’NO.3P17》棕色板状刚玉：棕色板状刚玉是一种介于高纯白色板状刚玉和低纯烧结矾土之间的棕色板状刚玉(BTA)，它是通过高温液相烧结控制构成莫来石基质显微结构所研制的唯一产品。与棕色电熔氧化铝相比，该骨料具有高化学纯度、高抗侵蚀性、低气孔率、高抗热震性及很好的体积稳定性，而且可以极好地控制其显微结构，具有良好的抗渣及化学侵蚀性能，如表2-3所示。表2-3棕色板刚玉与棕色电熔氧化铝的性能比较名称体积密度g/cm3显气孔率％熔锥比值(标准)重烧线变化％(1580℃×1h)Al2O3%SiO2%Fe2O3%光学显微分析颗粒大小μm棕色板状刚玉≥3.5≤3.0≥+38+1.5≥941.6≤1.3主要为中等棕色刚玉晶体及微量玻璃25棕色电熔氧化铝≥3.6≤2.0≥+38-0.5≥951.3≤0.8大刚玉晶体及大量空隙，玻璃相和内部颗粒之间有空隙100板状刚玉：板片状晶体结构，气孔小且闭气孔较多而气孔率与电熔刚玉大体相当，纯度高，体积稳定性好，极小的重烧收缩，用以生产的耐材或浇注料高温处理后具有良好的热震稳定性和抗弯强度ALCOA公司，但价格较其它氧化铝高。烧结刚玉：就是氧化铝在1750℃～1800℃下烧结，使其转化为刚玉。其纯度比板状刚玉略低，具有体密大、气孔率低、高温下有极好的抗热震性和抗炉渣侵蚀性，晶粒强度高，烧结刚玉强度的变化取决于Al2O3的含量、烧结温度和显微结构，并且这些相的变化给气孔率及烧结晶体杨氏模量带来影响。电熔刚玉：其颗粒（晶体）结构均匀，刚玉晶体发育良好，具有高熔点和高的耐火度，高温下化学性质稳定，耐磨性良好，但是有较高的缩孔。由于外部作用等问题，玻璃物质通过起始晶第9页胚晶化后产生显微结构不均匀。BFA的玻璃矩阵使得晶体脆化，所以，要求热震性能高的应用范围不适用。烧结棕刚玉：实际上就是烧结刚玉的一种变体，即通过液相烧结控制微观结构而生成的一种刚玉。它硬度非常大，并且具有较高的热导性。抗炉渣侵蚀性能比烧结刚玉差一些。由于气孔率低，使横向弯曲断裂强度得到了提高。晶体在烧结后强度也有所提高，烧结后强度增大是由于细小晶粒的晶体内气孔存在所至，这种微观结构不均匀的缺陷使得抗热震性能提高。重新加热改变这些晶粒是有益的，使得在高温下具有很好的体积稳定性。矾土熟料：天然铝矾土在1400℃～1800℃温度范围内煅烧后而得到的，冶金部颁布的对高铝矾土熟料的质量要求如表2-4。铝矾土原料丰富、价格低廉；铝矾土中碱性物质、TiO2和铁的含量不同地影响着其烧结性能，影响着最终制品的可缩性和抗渣侵蚀性。莫来石的含量和低玻璃相组成对矾土有着良好的抗热震性。玻璃相和莫来石相百分比对制品的膨胀和收缩有影响，杂质含量高，抗炉渣侵蚀性就差，因此，在炉渣、金属交界面上剥落程度严重。随着热处理温度的提高，用矾土骨料制得的浇注料，体积密度明显增大，显气孔率迅速下降，呈现较大的收缩。主要由于矾土熟料中杂质成分Si