冶金耐火材料

冶金耐火材料授课教师：郭巍2012-05《耐火材料概论》宋希文化学工业出版社2008《耐火材料工艺学》王维邦冶金工业出版社2004《耐火材料应用》韩行禄冶金工业出版社1986《耐火材料学》2010李楠等冶金工业出版社选用教材参考书目平时40％，考试成绩60％教学目的及内容：本课程冶金专业设置的一门选修课程。本课程主要内容：耐火材料基础知识：包括定义、性能、分类及生产工艺等以及一些常用耐火材料的性质；耐火材料在钢铁冶金行业的应用第一章概论耐火材料是高温技术的基础材料，是重要的筑炉材料。耐火材料在冶金、硅酸盐、化工、动力、石油、机械制造工业等甚至尖端科技领域得到广泛应用。正确合理选用耐火材料是窑炉正常运转的重要保证。耐火材料不仅要求在高温下不损坏，而且应该隔热，同时还要具有不同的特殊性能:强度、热稳定性、耐侵蚀、抗磨损，（保温、传热、热交换、发热体）。耐火材料对节约能源有非常重要的意义。合理选用耐火材料，不仅可以提高热处理过程中的热效率，还可以减少能源的消耗。耐火工业被称为冶金及其他高温工业的支撑工业和先行工业。第一节耐火材料的定义及分类金属材料非金属一耐火材料的定义耐火材料是耐火度不低于1580℃的无机非金属材料，用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及工业用高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。无机材料－水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料有机材料二耐火材料的分类1按照耐火度分：2按照供货形态分为：定形耐火制品和不定形耐火材料定形耐火材料—标准型砖、异形砖、特异形砖、以及实验室和工业用坩锅等特殊制品。不定形耐火材料—耐火浇注料、喷补料、可塑料、捣打料等。3按照成型工艺分为：泥浆浇注制品、可塑成形制品、半干压成型制品、熔融浇注制品、以及用岩石直接切割制品。4按照化学矿物组成分为：酸性、中性、碱性耐火材料酸性耐火材料—硅质制品（硅砖）中性耐火材料—硅酸铝质制品（半硅砖，粘土砖、高铝砖等）,碳质制品碱性耐火材料—含有MgO和CaO的耐火材料。镁质和白云石质（强碱性）5按照烧制工艺分为：不烧砖、烧制砖、熔铸耐火制品、耐火混凝土等第二节耐火材料的生产工艺常规工艺：原料的选择、破碎、粉碎、细磨、筛分、配料、混料、成型、干燥、烧成等几个基本工序。一原料的选取和制备（1）选矿（2）干燥与煅烧（3）破碎与筛分二配料是指按照制品的类型和性能要求，将准备好的原料按照设计好的配方按比例配合起来。配料的基本原则是能获得成型后的密实坯体和制品的致密度，从而保证制品的性能。配方包括按规定比例配合的各种原料量。三混练混练过程是将各种配好的物料和结合剂经过混合设备的混合作用达到物料的均匀分布。常用的混合设备有双轴搅拌机、混沙机、和湿碾机。另外混合时还必须按照一定的加料顺序进行，否则达不到均匀混合的目的。四成型混练后的耐火坯料借助于外力和模型，使得颗粒和粉料重新分布，排出部分空气而得到具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品的过程。成型的方式有半干法成型、浇注成型、振动成型、热压成型、电熔铸法、等静压法等。五干燥通常，经过成型后的砖坯含水率都在3.5%以上，强度比较低，必须经过干燥，降低水分含量，提高强度，以便运输装窑和烧成。常用的干燥设备有隧道干燥器。六装窑七烧成（生坯→制品）隧道窑烧结：物料经高温作用，变成具有一定强度和气孔率很低，甚至无气孔的致密石状物的工艺过程。耐火材料的其它生产工艺耐火材料与玻璃工艺相接近的熔铸法与混凝土制备类似的耐火浇注料与搪瓷工艺类似的喷涂料及高温涂层材料与纺织品类似的耐火纤维制品第三节耐火材料的组成及性能本节主要介绍耐火材料的化学矿物组成、结构性能、力学性能、热学性能和使用性能等基础知识。SiO2R2O3CaO化学成分/%≥971.550.3~0.5方石英磷石英石英矿物组成/%70~8010~12约10耐火度/℃荷重软化开始温度/℃真密度/gcm-3气孔率/％耐压强度/MPa物理性能1720~174016602.34~2.373＜13~14＞16.66高密度高纯硅砖的理化指标一耐火材料的化学、矿物组成耐火材料一般是由多种不同的化学成分和矿物组成构成的非均质体。它的各种性质不仅取决于它的化学成分，而且依赖于其中的物相组成、分布及各相的特性，即取决于制品的化学、矿物组成。（一）耐火材料的化学组成SiO2R2O3CaO化学成分/%≥971.550.3~0.5方石英磷石英石英矿物组成/%70~8010~12约10耐火度/℃荷重软化开始温度/℃真密度/gcm-3气孔率/％耐压强度/MPa物理性能1720~174016602.34~2.373＜13~14＞16.66按照耐火材料的化学组成将其中的成分分为主成分、杂质成分和添加剂。1主成分主成分通常是耐火材料中一种或几种高熔点的耐火氧化物或非氧化物。它是耐火制品的主体，直接决定耐火制品性能。它的性质和数量对耐火材料的性能起决定作用。耐火材料按照其主成分有可分为三类：酸性耐火材料：硅质，半硅质，粘土质；中性耐火材料：高铝质、碳质、铬质（中性偏碱）；碱性耐火材料：含MgO，CaO等→镁质和白云石质，镁铬系和镁橄榄石系及尖晶石系。按照主成分对耐火材料进行划分的意义在于：可以了解耐火材料的化学性质，判断在使用过程中它们之间以及耐火材料与接触物之间有无化学作用。2杂质成分杂质成分则是指由于原料纯度有限而被带入或生产过程中混入的对耐火制品性能具有不良影响的部分。高温下有溶剂作用。3添加剂加入量很少，甚至是极微；弥补主成分在使用性能、生产性能或作业性能等某方面的不足而使用的，通常有结合剂、矿化剂、稳定剂、烧结剂、减水剂、抗水化剂、抗氧化剂、促凝剂和膨胀剂等。能明显改善耐火制品的某种功能或特性，对该制品的主性能无严重影响。耐火材料理化分析通常指分析耐火制品和原料的各种氧化物含量和其它主要成分含量和灼烧量。通过化学成分分析，按所含成分的种类和数量，可以判断原料和制品的纯度，制品的化学特性，并借助有关相图大致估计制品的矿物组成和耐火性能，可以作为选取原料、检查和调整工艺过程、确定使用条件的依据。（二）矿物组成耐火材料的矿物组成一般分为主晶相和基质两大类。主晶相：是指构成制品结构的主体且熔点较高的晶相。主晶相的性质、数量和结合状态直接决定着耐火材料的性能。除要选择熔点较高的化合物或单质外，还希望它们的晶体发育充分、完好，真正发挥主晶相的耐火性能。基质：是在耐火制品主晶相之间填充的结晶矿物或玻璃相。其数量不大，但成分、结构复杂，作用明显，往往对制品的某些性能有着决定性的影响。在使用的过程中，基质往往首先破坏，调整和改变基质可以改善材料的使用性能。二耐火材料的结构性质包括气孔率、吸水率、体积密度和透气度等，是影响耐火材料使用性能的重要因素。1气孔率耐火材料中的气孔大致分为三类：（1）闭口气孔，封闭在制品中不与外界相通；（2）开口气孔，一端封闭，另一端与外界相通，能被流体填充；（3）贯通气孔，贯通制品的两面，流体能通过。气孔率↑强度↓热导率↓抗侵蚀性↓，提高烧成温度，延长保温时间aP以显气孔率Pa即开口气孔和贯通气孔的体积之和占制品总体积的百分率来表示气孔率指标。aP2吸水率吸水率是制品中全部开口气孔所吸收的水的质量与其干燥试样的质量之比。它实质上反映了耐火材料中开口气孔的数量。吸水率测定方法简便，在耐火材料生产实际中常常用来鉴定原料煅烧的质量。3体积密度体积密度是指耐火材料的干燥质量与其总体积之比单位为gcm-3。原料体密，砖坯体密，制品体密体积密度直观地反应了耐火制品的致密程度，它是耐火原料、致密耐火制品质量水平的重要衡量指标。体积密度越高，对耐火材料的强度、抗侵蚀性、耐磨性、荷重软化温度越有利。VdG0＝体4.透气度气体透过耐火制品的难易程度。对透气制品，既要有足够的强度，又要有良好的透气性。如：转炉底部透气砖。三耐火材料的力学性质耐火材料的力学性质是指制品在多种条件作用下的强度等力学性能指标。该指标表征制品抵抗外力作用而不被破坏的能力。1耐压强度2抗折强度3耐磨性1耐压强度耐压强度是指耐火材料在一定的温度下单位面积所能承受的压力。(Mpa)耐火材料的耐压强度分为常温耐压强度和高温耐压强度。它是衡量耐火材料质量的重要性能指标之一，间接地反映出制品的组织结构，如致密度、均匀性和烧结性等。2抗折强度抗折强度是指耐火材料能承受的最大弯曲应力的能力，又称抗弯强度。(Mpa)耐火材料的抗折强度亦分为常温抗折强度和高温抗折强度。高温抗折强度高的制品，在高温条件下，对于物料的冲击、磨损、液态渣的冲刷等，均具有较好的抵抗能力。3耐磨性耐磨性是指耐火材料抵抗坚硬的物体或气流的摩擦、磨损、冲刷的能力。耐火材料的耐磨性取决于其矿物组成、组织结构和颗粒结合的牢固性以及材料本身的密度、强度等。四耐火材料的高温使用性能耐火材料的使用性能是指耐火材料在高温下使用时所具有的性能。包括耐火度、荷重软化温度、高温蠕变性、体积稳定性、抗热震性、抗侵蚀性等。四耐火材料的高温使用性能耐火材料的使用性能是指耐火材料在高温下使用时所具有的性能。是与其使用寿命相关的性质。耐火度荷重软化温度高温蠕变性高温体积稳定性抗侵蚀性抗热震性1耐火度耐火度指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔融和软化的性质。单位℃测定方法：试锥法常用耐火材料的耐火度耐火度不是耐火材料的熔点制品的化学矿物组成直接决定其耐火度，提高原料纯度提高耐火度问题：耐火度是否就是耐火材料的最高使用温度？2荷重软化温度（荷软点）耐火材料对高温和荷重同时作用的抵抗能力，也表示耐火材料呈现明显塑性变形的软化范围。测定方法：给耐火材料施以恒定压负荷，并加热，测定其发生明显变形时的温度点即为荷软点。荷软点:TH:0.6％变形温度点TK:40％变形温度点荷重软化温度范围：TK－TH荷软点的测定是为了判断材料的使用条件、荷重能力几种耐火制品的荷软点砖种0.6％开始变形温度℃（TH）40％变形温度点℃（TK）荷软范围TK－TH℃一级粘土砖（耐火度1730℃）14001600200三级粘土砖（耐火度1580℃）12501500250莫来石砖（耐火度1770℃）16001800200硅砖（耐火度1730℃）1650167020镁砖（耐火度2000℃）1550158030问题：耐火材料荷重软化温度范围的宽窄说明什么？结晶相、晶体构造和性状晶相与液相的数量及液相粘度比较：粘土砖、硅砖、镁砖工艺因素影响荷软点的因素提高荷软点措施提高原料纯度改善结合相成分直接结合的主晶相陶瓷结合孤岛状主晶相砖种开始变形温度℃（TH）40％变形温度点℃（TK）TK－TH℃一级粘土砖（耐火度1730℃）14001600200三级粘土砖（耐火度1580℃）12501500250莫来石砖（耐火度1770℃）16001800200硅砖（耐火度1730℃）1650167020镁砖（耐火度2000℃）15501580303高温蠕变性当耐火材料在高温下长时间承受某一较小的荷重时，产生塑性变形，变形量会随时间的延长而逐渐增加，甚至会使耐火材料破坏，这种现象叫蠕变。测定蠕变的意义在于可以了解制品发生蠕变的最低温度，预测耐火制品在实际使用过程中承受负荷的变化，评价制品的使用性能。4抗渣性抗渣性是指耐火材料在高温下抵抗炉渣的侵蚀和冲刷作用的能力。冶金渣、燃料灰分、飞尘、热烟气等。直接溶解、反应溶解、侵入变质溶解。抗渣性是耐火材料重要的使用性能，对于改善耐火材料的生产工艺、指导其正确使用具有重要意义。5高温体积稳定性—耐火材料在高温下长期使用时，其外形体积保持稳定不发生变化的性质。残余收缩或膨胀检测方法:重烧线变化。重烧↓体稳定性↑炉顶砖6抗热震性抗热震性是指耐火制品抵抗温度迅速变化而不破坏的能力。热震破坏：热冲击断裂和热震损伤。以抗热震次数来表示。由于耐火材料在受热状态下使用，承担抵抗热量、隔绝热量、传递热量的功能。因此耐火材料的热学性质也是其性质的重要方面。耐火材料的热学性质主要包括热容、热膨胀性和导热性。