材料学结业论文

1材料科学与工程学院《燃料燃烧与耐火材料》课程论文题目学生姓名班级学号2碱性耐火材料在冶金工业的应用现状及发展摘要：碱性耐火材料是指化学性质呈碱性的耐火材料，一般指以氧化镁、氧化镁与氧化钙或氧化钙为主要化学成分的耐火材料。目前，常用的碱性耐火材料的主要品种有镁质、白云石质、石灰质、镁铬质、镁铝质及镁锆质耐火材料。由于碱性耐火材料良好的耐高温性能和抗渣性，目前，广泛地使用于各类冶金设备中。其显著特点是耐火度高，对碱性炉渣和钢液具有良好的化学稳定性，本文主要介绍了碱性耐火材料在冶金工业的应用现状及发展前景。关键词：碱性耐火材料，现状，发展绪论：冶金的目的是从矿石或精矿中提取各种金属或合金。在火法冶炼中，除了获得金属或合金外，同时还产生一定数量的另一熔体——熔渣。冶金熔体是在冶金过程高温下呈熔融态的物质的总称，包括金属熔体、熔渣流和熔盐。熔渣是冶金过程中生成的浮在金属等液态物质表面的熔体。熔渣在冶金过程中的作用有很多：（1）在冶炼过程中，熔渣起熔炼和精炼金属的作用，熔渣几乎容纳了炉料中大部分的杂质，如脱硫、脱磷等精炼反应均在钢渣界面间进行，其产物进入熔渣中（2）熔渣能汇集、分离有用金属或合金（3）炉渣覆盖在金属熔体表面上，使金属不被空气直接氧化，同时减缓气氛中H2O,N2等有害气体溶入金属熔体（4）在焙烧过程中，渣料起粘合剂作用，使烧结快或球团块具有一定的强度（5）在电渣重熔中，熔渣不但对金属进行渣洗精炼，更主要的是熔渣为熔炼过程的发热体（6）熔渣会侵蚀炉衬，缩短炉子的使用寿命熔渣的来源主要有四种：（1）来源于矿石和精矿中的脉石（2）在冶金过程中，部分粗炼和精炼的金属被氧化产生的氧化物（3）被侵蚀和冲刷下来的炉衬材料（4）根据冶炼要求加入的熔剂，如CaO,SiO2,CaF2等炉衬材料一般有耐火材料制成。耐火材料工业曾被描绘为工业背后的工业,以及冶金工业和无机非金属材料工业等其他高温工业的支撑工业和先行工业[1]。耐火材料的发展一定程度上反应了工业科技的发展。耐火材料的应用十分广泛，特别是在冶金工业中，比如炼钢和有色金属冶炼等。耐火材料的作用除了抵抗高温以外，还具有良好的抗渣侵蚀性。耐火材料的抗渣侵蚀性,简称抗渣性,是指耐火材料高温抵抗炉渣侵蚀和冲刷作用而不易损坏的能力。渣蚀是耐火材料使用过程中很常见的,有时甚至是最严重的一种损毁形式。因此,耐火材料抗侵蚀性的好坏是影响耐火材料使用寿命的一个重要因素,也是判断其质量优劣的一个重要指标。耐火材料的抗渣性能的提高和发展对钢铁等工业的发展尤其重要。31、碱性耐火材料的冶金工业中的应用现状1.1冶炼时耐火材料炉衬作用耐火材料在与熔渣直接接触的高温冶金炉、熔化炉、煅烧炉、水泥回转窑等窑炉和高温容器中，通过化学或物理化学作用，极易受熔渣侵蚀。构成耐火材料的一些元素,直接溶解到钢水中,使得熔池中的氧、碳及其他非金属元素增加[2]。在一定条件下,钢水中非金属元素之间相互反应生成非金属夹杂物。在炼钢过程中，脱磷P和脱硫S都是非常重要的过程，因为P会造成钢材冷脆，而S会造成钢材热脆，这两种元素都会影响钢材的使用，降低钢材的质量。钢材脱P要求冶炼时具有较高碱度，这样能提高P的分配系数，2[P]+3(CaO)+5(FeO)=(3CaOP2O5)+5[Fe]促进脱P反应的进行；脱S过程也需要高碱度的条件,同时要求较低的FeO含量，如果耐火材料以及加进去的熔剂造成的碱度较高，这样熔渣中的[O2-]会增多，有利于脱S反应的进行[S]+(O2-)=(S2-)+[O](FeO)=(Fe2+)+(O2-)=[Fe]+[O]为了应对日益严峻的环境污染和排放问题，钢铁产业作为污染最严重的产业之一，而高炉炼铁作为钢铁制造的重中之重，势必在原材料和工艺设备上选择更加对环境有利的材料。而耐火材料作为高炉炼铁必不可少的材料之一，对其性能的要求也将日益严格。在高炉炼铁的过程中，渣的碱度不高，但是选择碱性耐火材料，可以提高高炉炼的质量。1.2碱性耐火材料在冶金工业的应用碱性耐火材料包括镁砖、镁铝砖、镁铬砖、白云石砖等。常用的是镁砖。含氧化镁80%～85%以上的镁砖，对碱性渣和铁渣有很好的抵抗性，耐火度比粘土砖和硅砖高。主要用于平炉、吹氧转炉、电炉、有色金属冶炼设备以及一些高温设备上。1.2.1吹氧转炉转炉炼钢是在高温下进行的。炉衬材料受到高温和热震作用。炼钢过程也是造渣过程，由于炉渣及熔剂的化学侵蚀作用和钢水的搅动，炉衬受到磨损和冲刷等。造成氧气转炉炉衬毁损的主要原因是：在高温下炉渣和钢水的化学侵蚀和机械冲刷作用；频繁装料、出钢操作是炉衬受周期性冷急热的应力作用，装料时废钢和铁水的冲击及机械磨损作用，粉尘和烟气的侵蚀作用。其中以高温炉渣的侵蚀作用最严重，而这些作用往往互相促进。目前，氧图1：氧气顶吹转炉示意图4气转炉的工作衬主要采用含碳的MgO-CaO系耐火材料。几种常用的转炉炉衬性能如下表1所示[3]。表1：几种常用转炉炉衬砖的主要性能性质焦油白云石砖焦油镁白云石砖烧成镁白云石砖（二段）烧成镁白云石砖（合成）显气孔率/%体积密度/(g/cm3)耐压强度/MPa荷重软化温度/℃5.5~6.02.9~2.9540~45＞16505.5~6.02.9~3.035~40＞165014.6（浸前）2.9551.5（浸前）3.15~3.2050~75抗折强度/MPa常温1260℃1400℃1500℃//135.03.0~4.5化学组分的质量分数/%MgOCaOSiO2Fe2O3酌减56.0~60.528.5~33.21.5~1.71.9~2.06.0~7.069.3~78.514.8~19.80.6~1.00.7~1.55.5~9.060.438.50.60.270.4~88.711~17.80.5~1.30.4~1.14.0~5.5性质烧成油浸镁砖再结合镁砖高钙镁砖镁碳砖显气孔率/%体积密度/(g/cm3)耐压强度/MPa荷重软化温度/℃15.4~15.6（浸前）2.93~2.9655~71.42.0~13.7（浸前）3.06~3.1555~70.514.03.0752.03.3~3.52.82~2.90＞40抗折强度/MPa常温1260℃1400℃1500℃135.0~7.32.52~34.6＞3.0化学组分的质量分数/%MgOCaOSiO2Fe2O3酌减95.3~97.11.6~2.60.8~1.20.2~0.698.7~99.50.25~0.70.16~0.20.02~0.26.096.433.190.060.06＞79＜0.5＞2051.2.2电炉目前，根据电炉熔炼工艺特点、热工制度和炉渣的性质，炉墙几乎全部采用碱性耐火材料，在一般炉墙部位，多选用镁砖和镁铬砖。除用烧成制品和烧成砖配合使用外，使用不烧砖效果也很好。国内小型电炉主要采用焦油沥青结合白云石砖和焦油浸渍烧成白云石砖，以及焦油沥青结合的镁质和白云石质捣打料捣制。渣线区域是电弧炉的薄弱环节，大多数已采用直接结合的镁砖和镁铬砖。这些耐火材料作为热电部位的炉衬材料，使用寿命提高两倍以上。电炉热点部位常用材料性能如下表2所示[3]。图2：电炉各部位结构示意图表2：电炉热点部位常用耐火材料性能性能直接结合镁铬砖直接结合镁砖熔铸镁铬砖镁碳砖ABC碳砖化学组分的质量分数/%SiO22.21.12.5-0.30.4-Al2O34.80.115.2-0.20.2-Fe2O34.20.111.0-0.10.1-MgO80.295.454.3595.072.287.7-Cr2O38.5-15.8----C---39.026.210.499.4可视密度/(g/cm3)3.63.53.6----体积密度/(g/cm3)3.03.03.32.42.52.81.8显气孔率/%16.914.88.17.18.55.06.9耐压强度/MPa70.0108.0＞30047.335.035.056.4荷重软化温度/℃1680＞1700＞1700＞1700＞1700＞1700＞1700抗折强度/MPa11.512.5-9.09.010.019（1400℃）1.2.3炉外精炼伴随现代工业对钢铁质量要求的日益提高，炉外精炼已经成为现代冶金中的一个重要环节。随着炉外精炼技术的飞速发展，对耐火材料的质量、品种提出了新的要求，要求耐火材料必须适应炉外精炼特殊的工艺特征，如间歇式操作带来6的强烈的热震破坏，吹氧脱磷期近1800℃的高温溶蚀，高碱度渣的熔渣侵蚀，长时间的冶炼过程，以及合金化过程中的化学作用和强烈的吹氧搅拌冲刷等。1.2.3.1钢包炉用耐火材料（1）LF精炼钢包。LF炉是目前世界上发展最快的一种精炼炉。LF炉用典型耐火材料是纯白云石砖、轻烧白云石砖、镁砖、镁碳砖。其中近年来我国自行开发的镁钙质碳砖，展示了良好的使用效果。一些国家的LF炉用耐火材料情况如下表3所示[3]。表3：LF炉用耐火材料国别容量/t包底包壁渣线德国1211060碳结合白云石砖直接结合白云石砖碳结合白云石砖碳结合白云石砖镁碳砖（C10%~12%）碳结合镁砖美国1270-碳结合白云石砖Al2O3(70%)砖碳结合白云石砖碳结合高铝砖（Al2O380%）碳结合白云石砖镁碳砖（C10%）日本123--80Al2O3(80%)砖镁碳砖-Al2O3(80%)砖镁碳砖镁碳砖镁碳砖或镁铬砖镁碳砖镁碳砖瑞典60碳结合白云石砖碳结合白云石砖碳结合白云石砖丹麦120碳结合白云石砖碳结合白云石砖碳结合白云石砖（2）VAD,ASEA-SKF精炼钢包通常采用的耐火材料是镁铬砖、镁白云石砖和镁碳砖。1.2.3.2不锈钢精炼炉用耐火材料AOD精炼炉。根据AOD炉的精炼过程工艺及要点，AOD炉要采用耐火度高、高温强度大、抗热震性好、抗渣能力强和不污染钢水的耐火材料。目前，AOD炉用耐火材料大体分为镁铬砖、镁白云石砖(镁钙砖)及白云石砖3种[3]。欧洲的AOD炉衬普遍采用煅烧白云石砖，日本的AOD炉大多数仍采用MgO-Cr20，砖，也有的采用综合砌筑：风眼区10层以下使用MgO-Cr2O，砖，前墙、炉底及其他部位使用MgO-CaO砖。太钢18tAOD炉建成初期，炉衬全部使用镁铬砖。随着镁钙质材料的开发，在风眼区以外的部位逐步推广使用镁钙砖，风眼区一直使用电熔半再结合镁铬砖[4]。1.2.4有色金属冶炼在有色金属冶炼过程中，熔渣中含有大量的铁硅酸盐，对镁砖侵蚀较严重，对含铬的尖晶石的镁铬砖侵蚀要轻一些，因此，有色金属冶炼普遍使用镁铬砖做内衬[5]。72、碱性耐火材料的发展近年来,由于工业、国防以及航空航天工业的飞速发展,对优质钢材，特种钢材,纯净钢的需求越来越高，对其性能的要求也水涨船高。因此，在冶炼纯净钢，特种钢等优质钢材时就必须高度重视和深入研究不同的耐火材料与熔池中钢水之间的反应以及对钢质量造成的影响。因此，耐火材料的研究将迎来持续的蓬勃发展。同时其研究的方向和课题将更加科学化，产业化。一方面是因为耐火材料的主要用户如钢铁、水泥、玻璃、有色金属等行业的技术发展对耐火材料提出了更高的质量和品种要求。另一方面，这些行业在激烈的质量和价格竞争中，向耐火材料提出了严峻的降低吨产品耐火材料成本的要求，致使耐火材料的科研要以更大的投人加快新的优质产品的开发与研究，以适应和满足这些行业的要求。碱性耐火材料因为本身具有的耐火度高，抗渣性能好的优点也将使它成为未来研究方向的主流之一。2.1纯净钢和超纯净钢冶炼近年来,随着纯净钢和超纯净钢冶炼技术的发展,以氧化钙CaO系为主的纯净钢冶炼用耐火材料得到了快速的发展.但纯净钢和超纯净钢冶炼技术是一项长远的研究课题,为了满足纯净钢和超纯净钢冶炼技术进一步发展的需要,与其相关的耐火材料研究也必须加强.未来的纯净钢和超纯净钢冶炼用耐火材料的研究方向主要集中在以下几个方面[6]:(1)氧化钙CaO系耐火材料：提高氧化钙CaO含量是碱性耐火材料研究的趋势，从矿产资源角度考虑，我国白云石资源相对菱镁矿资源较为丰富；从净化钢液角度考虑，在一定范围内，氧化钙CaO含量越高，净化钢液效果越好；从抗渣性角度考虑，随着氧化钙CaO含量的增加，抵抗CaO-S