【正文】 器時(shí)代以來陶瓷出現(xiàn) 5000年歷史，中國(guó)文明史即為陶瓷發(fā)展史”。 陶瓷的燒制離不開耐火材料，如裝瓷器用的匣缽和砌筑窯體材料。 耐火材料自從 19世紀(jì)開始隨著鋼鐵工業(yè)、有色金屬工業(yè)、水泥與石灰工業(yè)、玻璃工業(yè)及化工工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 27 據(jù) 《 世界金屬導(dǎo)報(bào) 》 2022年 11月 27日?qǐng)?bào)道：全世界約有 2022多家耐火材料公司，年生產(chǎn)能力約 4000萬噸 ，全球耐火材料市場(chǎng)為2200～ 2500萬噸，總價(jià)值約為 1000億 美元。具體應(yīng)用范圍：鋼鐵工業(yè)占 70%，水泥與石灰工業(yè)占 7%，陶瓷工業(yè)占 6%，玻璃工業(yè)占3～ 4%，石化工業(yè)占 4%，有色金屬工業(yè)占2～ 3%，其他 6%。 2022年全世界范圍年銷售額在 1億美元以上的耐火材料公司 20強(qiáng)中，排名第一的是奧地利的 RHI公司，年銷售額達(dá) 16億美元。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 28 在發(fā)達(dá)國(guó)家：耐火材料的生產(chǎn)產(chǎn)量下降，平均價(jià)格在上升，如表 1： 美 國(guó) 日 本 產(chǎn)量 （萬噸） 平均價(jià)格（元 /噸） 產(chǎn)量 （萬噸） 平均價(jià)格 （萬日元 /噸） 1980年 480 370 270 10 2022年 350 650 133 15 下降 27% 上漲 % 下降 51% 上漲 50% 表 1美國(guó)與日本耐火材料的生產(chǎn)情況 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 29 我國(guó)耐火材料的發(fā)展?fàn)顩r 在我國(guó)， 解放前 耐火材料的年產(chǎn)量?jī)H為 ，產(chǎn)品單一，只能生產(chǎn) 粘土磚和硅磚 ，生產(chǎn)簡(jiǎn)陋，多為手工作坊式。 新中國(guó)成立后 ，特別大煉鋼鐵時(shí)代，耐火材料有了一次飛躍，各大鋼廠都建立了配套的耐火廠。1957年開始第一個(gè)五年計(jì)劃，投資近億元改造了一批磚瓦廠是之成為耐火廠，改造擴(kuò)建 鞍鋼、唐鋼、大石橋等一批耐火廠 ，此時(shí)年產(chǎn)量達(dá)到 ?！岸濉逼陂g，投資近 4億元，“三五”“四五”又投資了 ；到 1980年 “五五”結(jié)束，年產(chǎn)量達(dá)到 。 國(guó)內(nèi)耐火企業(yè)的發(fā)展歷程 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 30 “六五”以來，以寶鋼、金川有色冶金和大型合成氮化肥、大型水泥回轉(zhuǎn)窯等國(guó)家重點(diǎn)引進(jìn)工程的建設(shè)與投產(chǎn)，國(guó)家以耐火材料國(guó)產(chǎn)化為契機(jī)，投資近 10億元改造了一批耐火廠如： 青島耐火材料廠 1個(gè)多億的“連鑄三大件 —塞棒、長(zhǎng)水口、侵入式水口”； 上海第二耐火材料廠 。引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，使我國(guó)耐火材料工業(yè)取得了前所未有的長(zhǎng)足發(fā)展。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 31 1）計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代－中國(guó)耐火材料由 33家重點(diǎn)企業(yè) 扶持； 2）改革開放以后，隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，耐 火材料行業(yè)快速發(fā)展起來； 2022年統(tǒng)計(jì)，全國(guó) 有 1136家耐火材料生產(chǎn)企業(yè) 2022年統(tǒng)計(jì)，全國(guó) 有 1359家耐火材料生產(chǎn)企業(yè) 2022年統(tǒng)計(jì)，全國(guó) 有 1505家耐火材料生產(chǎn)企業(yè) 中國(guó)耐火材料工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 32 中國(guó)耐火材料產(chǎn)量如下表所示 年份 1980 1985 1990 1995 2022 2022 2022 2022 產(chǎn)量， 百萬噸 連鑄比的提高和冶煉技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致噸鋼耐火材料消耗下降；另一方面，鋼產(chǎn)量增加；使得 2022年以后中國(guó)耐火材料產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)。 2022年、 2022年和 2022年，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量分別為： 、 ； 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 33 存在的問題和今后的發(fā)展 ?鋼鐵工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，耐火材料生產(chǎn)廠家面臨更大的 成本壓力； ?中國(guó)耐火材料企業(yè)的研發(fā)力量有待加強(qiáng)。不能僅僅作為 一個(gè)加工基地； ?應(yīng)注意可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。如：礦山的管理、耐火材料的 回收利用、環(huán)境友好耐火材料的使用； ?潔凈鋼的生產(chǎn)對(duì)耐火材料提出了更高的要求，除了要求 長(zhǎng)壽以外，還要求對(duì)鋼水無污染； 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 34 出口情況： 耐火原料： 我國(guó)已成為世界耐火原料市場(chǎng)的主要供應(yīng)國(guó)。在出口的原料中，礬土熟料占60%；鱗片石墨占 % ；砂占 30%； 2022年 1～ 9月：出口原料（ 10種），同比 增 加 %，創(chuàng)匯 億美元，平均價(jià)格： /噸。 出口耐火制品： ，同比增加 %，創(chuàng)匯 ，平均價(jià)格： /噸。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 35 當(dāng)今耐火材料的發(fā)展， 一極是不定形化， 而另一極則是 定形耐火材料的高級(jí)化 ，概括起來就是朝著高純化、精密化、致密化和大型化。著重開發(fā)氧化物和非氧化物復(fù)合的耐火材料。 高純化： 減少了硅石、粘土、葉臘石等天然原料 用量 ,轉(zhuǎn)向燒結(jié)、電熔氧化鎂、碳化硅等 人工合成原料。 精密化： 研制復(fù)雜和高精度形狀的加工技術(shù)。 致密化： 采用高壓成型、高溫?zé)傻脑O(shè)備和技 術(shù)，使高純?cè)现瞥傻闹破罚ㄓ绕浯笮? 制品）致密度得以保證。 發(fā)展趨勢(shì)： 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 36 六、寶鋼 —耐火材料的應(yīng)用 寶鋼一、二期國(guó)家概算投資 ，三期為 。一期 ～ ；二期 投產(chǎn)；三期 1993年開始建設(shè) ，（包括一座 4350m3高爐，與之配套的 450m２ 的燒結(jié)機(jī)和 4座 50孔焦?fàn)t； 2臺(tái) 250t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐及 2臺(tái) 1450mm板坯連鑄機(jī)，1580mm熱連軋機(jī)， 1420mm冷連軋機(jī)， 1550mm冷連軋機(jī)，一座 150t超高功率雙爐底直流電弧爐及一座相應(yīng)鋼包精煉爐和一臺(tái)六流管坯連鑄機(jī)。） 1998年初投入熱負(fù)荷試車，當(dāng)年年產(chǎn)鋼能力超過 1000萬噸；達(dá)產(chǎn)后年產(chǎn)粗鋼 1100萬噸，產(chǎn)品板材 。 寶鋼的有關(guān)情況 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 37 煉鋼工藝流程 降碳、去硫磷、調(diào)硅錳 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 38 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 39 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 40 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 41 鋼鐵工業(yè)使用耐火材料的情況 耐火材料和鋼鐵工業(yè)密不可分，從人類開始從事煉鐵技術(shù)以來，人們就開始使用耐火材料。 耐火材料主要應(yīng)用在冶金行業(yè)，～ 70％；其次是用在建筑行業(yè)，～ 20％；其它行業(yè)～ 10％。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 42 １、簡(jiǎn)介 焦?fàn)t是獲得焦炭及煉焦化學(xué)副產(chǎn)品的熱工設(shè)備。主要部分為碳化室。 一、焦?fàn)t用耐火材料 （ Refractories for coke oven） 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 43 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 44 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 45 碳化室是由爐墻、爐底、爐頂和爐門組成。碳化室工作室工作是周期性的，裝煤時(shí)爐墻表面溫度降至 500～ 600 ℃ ，結(jié)焦末期爐墻表面溫度又升至 1000～ 1100 ℃ 。溫度的大幅波動(dòng)，使砌體產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致砌體出現(xiàn)裂紋、組織松散、強(qiáng)度降低，還受到煤料成焦時(shí)的膨脹壓力，致使墻面鼓脹和凹陷等。 裝煤和推焦時(shí)，爐墻和爐底經(jīng)常受到強(qiáng)烈的機(jī)械磨損和撞擊，另外，爐墻還承受化學(xué)侵蝕和碳素沉積的作用。因此， 碳化室墻、底用硅磚砌筑。 ２、碳化室用耐火材料 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 46 焦?fàn)t，尤其現(xiàn)代化大型焦?fàn)t對(duì)硅磚的要求時(shí)及其嚴(yán)格的。 首先是外觀上光潔度與平整度要求很高。磚的棱角齊整、尺寸公差小。另外，硅磚為鱗石英、方石英并與殘余石英及玻璃相共存的復(fù)合體，其中只有 鱗石英 形成結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)成堅(jiān)固的骨架，使磚具有良好的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為此必須使石英達(dá)到充分轉(zhuǎn)化，促使磚中大量鱗石英的形成。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 47 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家所生產(chǎn)的硅磚真密度一般為： ~，控制硅磚中殘存石英含量使殘余膨脹幾乎為零。 現(xiàn)代大型焦?fàn)t碳化室墻面采用致密硅磚砌筑，顯氣孔率控制在 16％～ 17％，以提高爐墻導(dǎo)熱性，增加生產(chǎn)能力。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 48 爐門 由于經(jīng)常開啟，溫度波動(dòng)較大，朝向碳化室一側(cè)一般 采用粘土磚砌筑 ，也可用堇青石磚和不定形耐火材料，耐火材料與外殼之間充填隔熱材料。 碳化室靠爐門的墻，也稱 爐頭 ，處于溫度波動(dòng)大的區(qū)域，因此多 用粘土磚、高鋁磚、硅線石磚和紅柱石磚 砌筑。 爐頭和爐門損壞時(shí)一般用磚補(bǔ)砌，或用耐火可塑料及澆注料修補(bǔ)，較好的修補(bǔ)方法為火焰噴補(bǔ)法。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 49 ３、燃燒室用耐火材料 燃燒室由爐墻、爐底和爐頂組成。爐墻與碳化室共用，需砌筑嚴(yán)密，不得有氣體串通，該側(cè)面主要受高溫、煤中所含鹽類和燃?xì)獾淖饔?。爐底與斜道上的空氣和煤氣道相通。燃燒室工作層用 硅磚砌 筑，其技術(shù)要求與碳化室用磚相同。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 50 ４、焦?fàn)t硅磚簡(jiǎn)介 以 鱗石英為主晶相 的硅質(zhì)制品。 現(xiàn)代焦?fàn)t是由成千種磚形，上萬噸耐火材料砌筑的龐大熱工設(shè)備。硅磚是其砌體的主要材料，構(gòu)成了焦?fàn)t的基本部分：蓄熱室、斜道、燃燒室、碳化室、爐頂?shù)?，占耐火磚總量的 60～ 70％。 焦?fàn)t的一個(gè)爐役約 20～ 30年，有的高達(dá) 45年。焦?fàn)t硅磚的質(zhì)量好壞直接影響到爐役的長(zhǎng)短。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 51 焦?fàn)t硅磚使用性能要求 荷重軟化溫度高 焦?fàn)t硅磚在高溫下能承受爐頂上裝煤車的動(dòng)負(fù)荷，并可在長(zhǎng)期使用中不變形。 熱導(dǎo)率高 焦炭是用焦煤在碳化室中靠燃燒室的熱傳導(dǎo)加熱而煉成的，所以，砌筑燃燒室的硅磚應(yīng)該有較高的熱導(dǎo)率。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 52 高溫時(shí)有良好的熱震穩(wěn)定性能 由于焦?fàn)t周期性的裝煤、出焦，引起燃燒室墻兩側(cè)硅磚的溫度急劇變化。正常操作的溫度波動(dòng)范圍內(nèi)不會(huì)引起硅磚的嚴(yán)重裂紋和剝落，因?yàn)樵?600℃ 以上，焦?fàn)t硅磚具有良好的抗熱震性能。 體積穩(wěn)定性 晶型轉(zhuǎn)化良好的硅磚中，殘存石英不大于 1％，加熱時(shí)的膨脹集中在 600 ℃ 以前，之后膨脹顯著趨緩。在焦?fàn)t正常操作時(shí)，溫度不會(huì)降至 600 ℃ 以下，砌體的變化也不會(huì)大，可長(zhǎng)期保持砌體的穩(wěn)定和嚴(yán)密性。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 53 某焦?fàn)t硅磚的理化性能 項(xiàng) 目 指 標(biāo) 備 注 SiO2，％ ≥94 耐火度， ℃ ≥1690 荷重軟化溫度， ℃ ≥1620 重?zé)€變化 ,1450℃ ,% ≤ 顯氣孔率，％ 22～ 25 依使用部位而定 常溫耐壓強(qiáng)度， MPa ≥20 碳化室墻和爐底 ≥30MPa 熱導(dǎo)率， W/(m?K) ≥ 參考指標(biāo) 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 54 焦?fàn)t硅磚的礦物組成： 真密度為 ，其礦物組成為：鱗石英 60～ 70％，方石英 15～ 25％，殘存石英 3～5％，玻璃相及其它～ 10％。焦?fàn)t硅磚殘存石英少，鱗石英多，可以減輕烘爐時(shí)的膨脹和在使用過程中由于殘存石英的轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的膨脹。 注： 新砌焦?fàn)t烘爐的溫度－時(shí)間升溫曲線應(yīng)合理制定，尤其是在 600℃ 前膨脹較激烈的階段應(yīng)嚴(yán)格控制。 2022/5/24 材料科學(xué)與工程學(xué)院 55 是將精鐵礦、粘結(jié)劑和溶劑等混合料球在爐內(nèi) 1300℃ 左右的高溫氧化焙燒，將料球燒結(jié)為 球團(tuán)礦 的設(shè)備。 爐體絕熱層用硅藻土磚和粘土質(zhì)隔熱磚，工作層用 粘土磚，焙燒帶以下用高鋁磚 。