1碳复合耐火材料-碳复合耐火材料的理论1

碳复合耐火材料1碳复合耐火材料的理论2009年2月濮耐技术陈勇题纲1前言2耐火材料的发展概况3耐火材料的性质和性能4碳复合耐火材料5碳复合耐火材料的显微结构类型6碳复合耐火材料的理论基础题纲1前言2耐火材料的发展概况3耐火材料的性质和性能4碳复合耐火材料5碳复合耐火材料的显微结构类型6碳复合耐火材料的理论基础炼钢随着冶金及高温工业的不断发展，新型耐火材料制品也不断推陈出新；与此同时随着耐火材料质量的提高及品种的日益完善，促进了冶金工业及相关领域的进步。碳复合耐火材料是适应冶金工业的需要，于70年代后期至80年代中期研制、开发、生产和推广的一种新型复合耐火材料。碳复合耐火材料由于其优良的使用性能从而使冶金工业发生了划时代的巨变。1前言耐火材料的使用性能与任何材料一样，也是随着原料质量的提高、生产工艺的改进等相关过程的不断进步与完善而不断提高的。1前言2.1原料的发展与变化（1）天然原料——如硅石、粘土；（2）精选料——将纯度不同的原料进行分选，挑选出高纯度原料；（3）人工合成料——精选料进行高温合成如MA（镁铝尖晶石）、ZM（锆莫来石）、ZA（锆刚玉）和合成mullite等；（4）从以氧化物、硅酸盐，不断到发展到以氧化物和非氧化物并重的格局如SiC、C等。2耐火材料的发展概况2.2生产工艺的发展与变化（1）精料精配；（2）高压成型；（3）高温烧成；（4）微粉（1~10m）和超微粉（0.1~1.0m）及纳米粉体（1~100nm）的应用。2耐火材料的发展概况2.3耐火材料制品的发展与变化（1）50年代前——粘土质耐火材料为主；（2）50年代——碱性耐火材料大量使用；（3）60年代——电熔耐火材料使用；（4）70年代——开发出直接结合MgO-Cr2O3；（5）80年代——含碳复合耐火材料的开发利用；（6）90年代——复合耐火材料；（7）21世纪——高科技（Hi-Tec）复合耐火材料。2耐火材料的发展概况性质和性能耐火材料本身具有的、区别于其它耐火材料的特征称为耐火材料的性质(nature)；某种耐火材料或制品所具有的性质与功能的总称即为耐火材料的性能(property)。3耐火材料的性质和性能思考耐火材料是化合物吗？3调整成分和温度3.1耐火材料的性质3耐火材料的性质和性能物质结构化学组成显微结构性质显微结构3耐火材料的性质和性能显微结构是在SEM、OM下所观察到的组织结构（晶相、玻璃相、气孔、各相的组成结构、数量、几何形状、分布等）显微结构化学-相组成工艺过程使用性能显微结构特征对判断耐火制品的性能、质量和质量稳定性以及使用效果有重要的作用，是评定耐火材料适应性的重要判据。3耐火材料的性质和性能耐火材料中的相3耐火材料的性质和性能晶体相——最重要的组成相,决定着耐火材料的物化性能玻璃相——非晶态材料,由熔融的液相凝固而成气相——存在于耐火材料气孔中的气体思考：什么叫相？3耐火材料的性质和性能系统中物理状态、物理性质和化学性质完全均匀的部分称为一个相（phase）。系统里的气体，无论是纯气体还是混合气体，总是一个相。若系统里只有一种液体，也总是一个相。若系统中有两种液体，如乙醚与水，中间以液-液界面隔开，为两相系统，考虑到乙醚里溶有少量水，水里也溶有少量乙醚，同样只有两相。不相溶的油和水在一起是两相系统，激烈振荡后油和水形成乳浊液，也仍然是两相。复习相的概念3耐火材料的性质和性能不同固体的混合物，是多相系统，如花岗石（由石英、云母、长石等矿物组成），又如无色透明的金刚石中有少量的黑色的金刚石，都是多相系统。相和组分不是一个概念，例如，同时存在水蒸气、液态的水和冰的系统是三相系统，尽管这个系统里只有一个组分——水。一般而言，相与相之间存在着光学界面，光由一相进入另一相会发生反射和折射，光在不同的相里行进的速度不同。复习相的概念3耐火材料的性质和性能体系的相数P：气体：一般是一个相，如空气组分复杂。液体：视其混溶程度而定，可有1、2、3…个相。固体：有几种物质就有几个相，如水泥生料。但如果是固溶体时为一个相。固溶体：固态合金中，在一种元素的晶格结构中包含有其它元素的合金相称为固溶体。在固溶体晶格上各组分的化学质点随机分布均匀，其物理性质和化学性质符合相均匀性的要求，因而几个物质间形成的固溶体是一个相。复习相的概念玻璃相3耐火材料的性质和性能玻璃相的作用：粘结分散的晶体相、降低烧结温度，抑制晶粒长大、充填气孔等。玻璃相的熔点低，热稳定性差,导致耐火材料在高温下产生蠕变,且强度不及晶体相，因此应控制玻璃相含量。气孔3耐火材料的性质和性能开口气孔易造成虹吸（毛细吸管）现象,恶化耐火材料的使用性能；同时气孔易造成应力集中，降低耐火材料材料的强度。气孔分哪几种？3耐火材料的性质和性能材料的性能反映材料的结构，而材料的结构决定材料的性能。不同的组织结构，使具有相同化学组成的耐火材料具有不同的性能。因此从材料学的观点出发，掌握并控制材料的显微结构是人为地设计并获得优良性能材料的前提。3.2物质结构3耐火材料的性质和性能指化学结构键、晶体结构。3.3化学成分3耐火材料的性质和性能指CaO、MgO、Al2O3、SiO2等构成耐火材料的化学成分。不同的组织结构使具有相同化学成分的耐火材料具有不同的性质。如化学成分相同的SiO2,存在着石英(quartz)、方石英(cristobalite)和鳞石英(tridymite)，它们的组织结构不同，从而具有不同的性质。3.4耐火材料的性能3耐火材料的性质和性能耐火材料的性能力学性能耐压强度、抗折强度、耐磨、扭转强度、高温蠕变、弹性模量热学性能热膨胀、热导率、热容、热传导性、导电使用性能耐火度，荷重软化温度、高温体积稳定性、热震稳定性、抗渣、耐真空、施工性能3.5耐火制品、工艺过程、结构与性能的关系3耐火材料的性质和性能相同原料由于不同的工艺条件，可以获得不同结构的制品，具有不同的性能，满足不同的使用条件。4碳复合耐火材料4.1含碳耐火材料开发研制的背景背景新冶炼技术的应用顶底复吹、全连铸、炉外精炼、铁水预处理电炉及转炉寿命太低能源危机顶吹、顶底复吹、超高功率电炉、炉外精炼、铁水预处理、连铸比的提高等。热震稳定性差；抗渣性差；使用寿命(servicelife)低。新的冶炼技术的应用顶底复吹转炉示意图4碳复合耐火材料4碳复合耐火材料在这样的一种背景下，迫切需要一种耐火制品既能节省能源、又能提高炉衬寿命且适应现代新冶炼技术所要求的使用性能。1970年,日本九州耐火公司的渡边明发明了MgO-C砖。MgO-C砖在发明之初主要用于电熔热点部位,使超高功率电炉的炉衬寿命由老式碱性砖的2~3天提高到2~3周,从而促进了电炉炼钢生产率的显著上升。1979年，MgO-C砖开始用作转炉炉衬材料，实验证实，这种含碳制品同样适用于转炉，且同样能大幅度提高转炉炉衬的使用寿命。4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状我国含碳制品的研究从80年开始，86年前后在全国各大、中、小钢厂全面推广使用，使我国很多钢厂的转炉炉衬的使用寿命迅速突破千炉大关。4.2碳复合耐火材料的使用现状现状几乎所有的电炉、转炉炉衬材料均为含碳制品使用寿命几乎均在千炉以上，通过溅渣护炉,宝钢及武钢等钢厂的炉衬寿命均超过一万炉次。碳复合耐火材料使用现状几乎所有的电炉、转炉炉衬材料均为含碳耐火材料；使用寿命几乎均在一万炉以上，通过采用溅渣护炉技术,武钢、济钢等钢厂的炉衬寿命均超过三万炉次。但吨钢耐材消耗还有待努力降低!4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状上世纪70年代中期开始，耐火材料工作者进行了含碳耐火材料的研究；70年代末期，日本九洲耐火材料公司渡边明等人研制成功镁碳砖，并在多国申报专利；镁碳砖最先用于电炉电极的热点部位；1978年用于底吹转炉供气嘴，1979年用于转炉的各个部位。电炉结构示意图4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状国外开发研究历程我国在1980前后年开始研究含碳耐火材料，并被列入国家“七五”(1985~1989)科技攻关项目。1987年在鞍钢三炼钢厂转炉上试用MgO-C砖后，仅用一年时间就超额完成了“七五”转炉炉龄达千次的攻关目标。上世纪80年代后期，在全国各大中小钢厂普遍推广使用MgO-C质耐火材料作为转炉和电炉的炉衬。武钢二炼钢厂转炉4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状国内开发研究历程碳复合耐火材料是目前钢铁冶金工业中应用最为广泛的一种耐火材料。Blastfurnace4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的在冶金工业中的作用Principleoftheblastfurnaceprocess热风炉燃烧室耐火黏土炉身具有顶部封闭装置的炉喉4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状主沟渣沟铁沟Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-CBlastFurnaceCastingHouseAl2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C铁沟浇注料高炉出铁口用Al2O3-SiC-C炮泥高炉出铁场4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状高炉出铁口Al2O3-SiC-C质炮泥4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状Ironmaking——torpedoladle鱼雷罐炼铁——鱼雷罐(运送铁水、铁水预处理脱P,S)Al2O3-SiC-C砖鱼雷罐4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状转炉炼钢系统铁水包转炉Al2O3-SiC-C砖MgO-C砖(MgO-CaO-C砖)鞍钢250T转炉投产4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状转炉结构示意图氧枪出钢口转炉炉口耳轴环转炉底耐火材料内衬吹气时的流动状态气体空间渣层金属液内衬全部是碳复合耐火材料4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状三相交流电炉炼钢示意图工作衬全部是含碳耐火材料4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状耐高温的MgO-C导电炉底砖及MgO-C捣打料(阳极)直流电弧炉4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状连铸系统钢包:渣线——MgO-C砖包衬——Al2O3-MgO-C砖连铸三大件塞棒——Al2O3-C质长水口——Al2O3-C质浸入式水口——Al2O3-C质滑板——Al2O3-ZrO2-CSEN-submergedentrynozzlemold双板滑动式水口工作示意中间包底部滑板执行机构4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状钢包渣线MgO-C包衬Al2O3-MgO-C钢包—中间包系统长水口Al2O3-C4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状钢壳渣线：镁碳砖包衬：铝镁碳砖钢包结构示意图4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状出完钢后的钢包渣线钢水作用区精炼炉钢包4碳复合耐火材料4.2碳复合耐火材料的使用现状4碳复合耐火材料4.3碳复合耐火材料的特点定义：由两种或两种以上不同性质的耐火氧化物（MgO、CaO、Al2O3、ZrO2等）和碳素材料及非氧化物材料为原料，用碳素材料作为结合剂而制成的一种多相复合耐火材料。4碳复合耐火材料4.3碳复合耐火材料的特点复合材料既可以保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特性，它可以根据需要进行设计，取长补短，从而最大限度地达到使用要求的性能。如MgO-C砖有效地利用了镁砂的抗侵蚀能力强和利用碳的高导热性及低膨胀性,补偿了碱性制品抗剥落性差的最大缺点。在碳素原料中用得最多的是鳞片石墨、其次还有碳黑、电极粉、人造石墨等。目前碳复合耐火材料需解决的问题石墨的高导热热损失大,不利于节能!作为炉衬材料向钢液中渗碳不利于冶炼低碳钢等品种钢4碳复合耐火材料4.3碳复合耐火材料的特点4碳复合耐火材料4.4石墨的特性石墨作为耐火材料原料具有如下特性:对炉渣的不湿润性（non-wettingforslag）高的导热性（Highthermalconductivity）低的热膨胀性（Lowthermalexpansion）除此以处，石墨与耐火材料在高温下不发生共熔，耐火度高。4碳复合耐火材料4.4石墨的特性石墨的指标比重：2.03~2.09；硬