【正文】 冶金耐火材料 授課教師：郭巍 202305 《耐火材料概論》 宋希文 化學(xué)工業(yè)出版社 2023 《 耐火材料工藝學(xué)》 王維邦 冶金工業(yè)出版社 2023 《耐火材料應(yīng)用》 韓行祿 冶金工業(yè)出版社 1986 《耐火材料學(xué)》 2023 李楠等 冶金工業(yè)出版社 選用教材 參考書(shū)目 平時(shí) 40％，考試成績(jī) 60％ 教學(xué)目的及內(nèi)容： ? 本課程冶金專(zhuān)業(yè)設(shè)置的一門(mén) 選修課程 。 ? 本課程主要內(nèi)容 ： ? 耐火材料基礎(chǔ)知識(shí)：包括定義、性能、分類(lèi)及生產(chǎn)工藝等以及一些常用耐火材料的性質(zhì)； ? 耐火材料在鋼鐵冶金行業(yè)的應(yīng)用 第一章 概論 ? 耐火材料是高溫技術(shù)的基礎(chǔ)材料 ，是重要的 筑爐材料。 耐火材料在冶金、硅酸鹽、化工、動(dòng)力、石油、機(jī)械制造工業(yè)等甚至尖端科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 ? 正確合理選用耐火材料是窯爐正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保證。 耐火材料不僅要求在高溫下不損壞，而且應(yīng)該隔熱，同時(shí)還要具有不同的特殊性能 :強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、耐侵蝕、抗磨損， （保溫、傳熱、熱交換、發(fā)熱體） 。 ? 耐火材料對(duì)節(jié)約能源有非常重要的意義。 合理選用耐火材料，不僅可以提高熱處理過(guò)程中的熱效率，還可以減少能源的消耗。 ? 耐火工業(yè)被稱(chēng)為冶金及其他高溫工業(yè)的支撐工業(yè)和先行工業(yè)。 第一節(jié) 耐火材料的定義及分類(lèi) 金屬 材料 非金屬 一 耐火材料的定義 耐火材料是耐火度不低于 1580℃ 的 無(wú)機(jī)非金屬材料 ，用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及工業(yè)用高溫容器和部件的材料，并能承受相應(yīng)的 物理化學(xué)變化 及 機(jī)械作用 。 ??無(wú)機(jī)材料－水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料 有機(jī)材料 二 耐火材料的分類(lèi) 1 按照耐火度分： 2 按照供貨形態(tài)分為：定形耐火制品和不定形耐火材料 ? 定形耐火材料 — 標(biāo)準(zhǔn)型磚、異形磚、特異形磚、以及實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)用坩鍋等特殊制品。 ? 不定形耐火材料 — 耐火澆注料、噴補(bǔ)料、可塑料、搗打料等。 3 按照 成型工藝 分為：泥漿澆注制品、可塑成形制品、半干壓成型制品、熔融澆注制品、以及用巖石直接切割制品。 4 按照化學(xué)礦物組成分為：酸性、中性、堿性耐火材料 ? 酸性耐火材料 — 硅質(zhì)制品（硅磚） ? 中性耐火材料 — 硅酸鋁質(zhì)制品（半硅磚，粘土磚、高鋁磚等） ,碳質(zhì)制品 ? 堿性耐火材料 — 含有 MgO和 CaO的耐火材料。鎂質(zhì)和白云石質(zhì)（強(qiáng)堿性） 5 按照 燒制工藝 分為：不燒磚、燒制磚、熔鑄耐火制品、耐火混凝土等 第二節(jié) 耐火材料的生產(chǎn)工藝 ? 常規(guī)工藝：原料的選擇 、 破碎 、 粉碎 、 細(xì)磨 、 篩分 、配料 、 混料 、 成型 、 干燥 、 燒成 等幾個(gè)基本工序。 一 原料的選取和制備 （ 1）選礦 （ 2）干燥與煅燒 （ 3）破碎與篩分 二 配料 ? 是指按照制品的類(lèi)型和性能要求，將準(zhǔn)備好的原料按照設(shè)計(jì)好的 配方 按比例配合起來(lái)。配料的基本原則是能獲得成型后的密實(shí)坯體和制品的致密度，從而保證制品的性能。 配方包括按規(guī)定比例配合的各種原料量 。 三 混練 ? 混練過(guò)程是將各種配好的物料和結(jié)合劑經(jīng)過(guò)混合設(shè)備的混合作用達(dá)到物料的均勻分布。 ? 常用的混合設(shè)備有雙軸攪拌機(jī)、混沙機(jī)、和濕碾機(jī)。另外混合時(shí)還必須按照一定的 加料順序 進(jìn)行，否則達(dá)不到均勻混合的目的。 四 成型 ? 混練后的耐火坯料借助于外力和模型，使得顆粒和粉料重新分布，排出部分空氣而得到具有一定尺寸、形狀和強(qiáng)度的坯體或制品的過(guò)程 。 ? 成型的方式有半干法成型、澆注成型、振動(dòng)成型、熱壓成型、電熔鑄法、等靜壓法等。 五 干燥 ? 通常，經(jīng)過(guò)成型后的磚坯含水率都在 %以上，強(qiáng)度比較低，必須經(jīng)過(guò)干燥，降低水分含量，提高強(qiáng)度，以便運(yùn)輸裝窯和燒成。 常用的干燥設(shè)備有隧道干燥器 。 六 裝窯 七 燒成（生坯 → 制品） 隧道窯 ? 燒結(jié)：物料經(jīng)高溫作用，變成具有一定強(qiáng)度和氣孔率很低，甚至無(wú)氣孔的致密石狀物的工藝過(guò)程。 耐火材料的其它生產(chǎn)工藝 ? 耐火材料 與玻璃工藝相接近的熔鑄法 與混凝土制備類(lèi)似的耐火澆注料 與搪瓷工藝類(lèi)似的噴涂料及高溫涂層材料 與紡織品類(lèi)似的耐火纖維制品 第三節(jié) 耐火材料的組成及性能 ? 本節(jié)主要介紹耐火材料的 化學(xué)礦物組成 、 結(jié)構(gòu)性能 、 力學(xué)性能 、 熱學(xué)性能 和 使用性能 等基礎(chǔ)知識(shí) 。 S iO 2 R 2 O 3 Ca O 化學(xué)成分/% ≥9 7 1 . 5 5 0 . 3 ~ 0 . 5 方石英 磷石英 石英 礦物組成/% 70 ~ 80 10 ~ 12 約 10 耐火度 / ℃ 荷重軟化開(kāi)始溫度 / ℃ 真 密度 / g ? cm 3 氣孔率 / ％ 耐壓強(qiáng)度 / M P a 物理性能 1 7 2 0 ~ 1 7 4 0 1 6 6 0 2 . 3 4 ~ 2 . 3 7 3 ＜ 13 ~ 14 ＞ 1 6 . 6 6 高密度高純硅磚的理化指標(biāo) 一 耐火材料的化學(xué)、礦物組成 ? 耐火材料一般是由多種不同的化學(xué)成分和礦物組成構(gòu)成的 非均質(zhì)體 。它的各種性質(zhì)不僅取決于它的 化學(xué)成分 ，而且依賴(lài)于其中的 物相組成 、 分布及各相的特性 ，即取決于制品的化學(xué)、礦物組成。 （一） 耐火材料的化學(xué)組成 ? 按照耐火材料的化學(xué)組成將其中的成分分為主成分 、 雜質(zhì)成分 和 添加劑 。 1 主成分 ? 主成分通常是耐火材料中一種或幾種高熔點(diǎn)的耐火氧化物或非氧化物。它是耐火制品的主體，直接決定耐火制品性能。它的性質(zhì)和數(shù)量對(duì)耐火材料的性能起決定作用。 ? 耐火材料按照其主成分有可分為三類(lèi)： ? 酸性耐火材料 ：硅質(zhì)，半硅質(zhì)，粘土質(zhì)； 中性耐火材料 ：高鋁質(zhì)、碳質(zhì)、鉻質(zhì)（中性偏堿）； 堿性耐火材料 ：含 MgO， CaO等 → 鎂質(zhì)和白云石質(zhì)，鎂鉻系和鎂橄欖石系及尖晶石系。 ? 按照主成分對(duì)耐火材料進(jìn)行劃分的意義在于： 可以了解耐火材料的化學(xué)性質(zhì)，判斷在使用過(guò)程中它們之間以及耐火材料與接觸物之間有無(wú)化學(xué)作用。 2 雜質(zhì)成分 ? 雜質(zhì)成分則是指由于原料純度有限而被帶入或生產(chǎn)過(guò)程中混入的對(duì)耐火制品性能具有不良影響的部分。高溫下有溶劑作用。 3 添加劑 ? 加入量很少，甚至是極微； ? 彌補(bǔ)主成分在使用性能、生產(chǎn)性能或作業(yè)性能等某方面的不足而使用的， ? 通常有 結(jié)合劑、礦化劑、穩(wěn)定劑、燒結(jié)劑、減水劑、抗水化劑、抗氧化劑、促凝劑和膨脹劑等 。能明顯改善耐火制品的某種功能或特性，對(duì)該制品的主性能無(wú)嚴(yán)重影響。 耐火材料理化分析通常指分析耐火制品和原料的各種氧化物含量和其它主要成分含量和灼燒量。 通過(guò)化學(xué)成分分析，按所含成分的種類(lèi)和數(shù)量，可以判斷 原料和制品的純度 ，制品的 化學(xué)特性 ，并借助有關(guān)相圖大致 估計(jì)制品的礦物組成和耐火性能 ，可以作為選取原料、檢查和調(diào)整工藝過(guò)程、確定使用條件的依據(jù)。 （二）礦物組成 ? 耐火材料的礦物組成一般分為主晶相和基質(zhì)兩大類(lèi) 。 ? 主晶相 ： 是指構(gòu)成制品結(jié)構(gòu)的主體且熔點(diǎn)較高的晶相 。主晶相的性質(zhì)、數(shù)量和結(jié)合狀態(tài)直接決定著耐火材料的性能。除要選擇熔點(diǎn)較高的化合物或單質(zhì)外，還希望它們的晶體發(fā)育充分、完好，真正發(fā)揮主晶相的耐火性能。 ? 基質(zhì)： 是在耐火制品主晶相之間填充的結(jié)晶礦物或玻璃相。 其數(shù)量不大，但成分、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作用明顯，往往對(duì)制品的某些性能有著決定性的影響。在使用的過(guò)程中，基質(zhì)往往首先破壞，調(diào)整和改變基質(zhì)可以改善材料的使用性能。 二 耐火材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì) ? 包括 氣孔率、吸水率、體積密度和透氣度 等，是影響耐火材料使用性能的重要因素。 1 氣孔率 耐火材料中的氣孔大致分為三類(lèi)：（ 1）閉口氣孔，封閉在制品中不與外界相通；（ 2）開(kāi)口氣孔，一端封閉，另一端與外界相通，能被流體填充；（ 3）貫通氣孔，貫通制品的兩面，流體能通過(guò)。 氣孔率 ↑ 強(qiáng)度 ↓ 熱導(dǎo)率 ↓ 抗侵蝕性 ↓ ，提高燒成溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間 aP以顯氣孔率 Pa即 開(kāi)口氣孔和貫通氣孔的體積之和占制品總體積的百分率來(lái)表示氣孔率指標(biāo)。 aP2 吸水率 ? 吸水率是制品中全部開(kāi)口氣孔所吸收的水的質(zhì)量與其干燥試樣的質(zhì)量之比 。 ? 它實(shí)質(zhì)上反映了耐火材料中開(kāi)口氣孔的數(shù)量。吸水率測(cè)定方法簡(jiǎn)便，在耐火材料生產(chǎn)實(shí)際中常常用來(lái)鑒定原料煅燒的質(zhì)量。 3 體積密度 ? 體積密度是指耐火材料的干燥質(zhì)量與其總體積之比 單位為 g?cm3。 ? 原料體密，磚坯體密，制品體密 ? 體積密度直觀地反應(yīng)了耐火制品的致密程度，它是耐火原料、致密耐火制品質(zhì)量水平的重要衡量指標(biāo)。體積密度越高，對(duì)耐火材料的強(qiáng)度、抗侵蝕性、耐磨性、荷重軟化溫度越有利 。 Vd G0＝體 ? 氣體透過(guò)耐火制品的難易程度。 ? 對(duì)透氣制品，既要有足夠的強(qiáng)度，又要有良好的透氣性。如：轉(zhuǎn)爐底部透氣磚。 三 耐火材料的力學(xué)性質(zhì) ? 耐火材料的力學(xué)性質(zhì) 是指制品在多種條件作用下的強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo) 。 該指標(biāo)表征制品抵抗外力作用而不被破壞的能力 。 1 耐壓強(qiáng)度 2 抗折強(qiáng)度 3 耐磨性 1 耐壓強(qiáng)度 耐壓強(qiáng)度是指耐火材料在一定的溫度下單位面積所能承受的壓力。 (Mpa) 耐火材料的耐壓強(qiáng)度分為 常溫耐壓強(qiáng)度和高溫耐壓強(qiáng)度 。它是衡量耐火材料質(zhì)量的重要性能指標(biāo)之一，間接地反映出制品的組織結(jié)構(gòu)，如致密度、均勻性和燒結(jié)性等。 2 抗折強(qiáng)度 抗折強(qiáng)度是指耐火材料能承受的最大彎曲應(yīng)力的能力，又稱(chēng)抗彎強(qiáng)度。 (Mpa) 耐火材料的抗折強(qiáng)度亦分為 常溫抗折強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度。高溫抗折強(qiáng)度高的制品，在高溫條件下，對(duì)于物料的沖擊、磨損、液態(tài)渣的沖刷等，均具有較好的抵抗能力。 3 耐磨性 耐磨性是指耐火材料抵抗堅(jiān)硬的物體或氣流的摩擦、磨損、沖刷的能力。 耐火材料的耐磨性取決于其礦物組成、組織結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)合的牢固性以及材料本身的密度、強(qiáng)度等。 四 耐火材料的高溫使用性能 ? 耐火材料的使用性能是指耐火材料在高溫下使用時(shí)所具有的性能。包括 耐火度、荷重軟化溫度、高溫蠕變性、體積穩(wěn)定性、抗熱震性、抗侵蝕性 等 。 四 耐火材料的高溫使用性能 ? 耐火材料的使用性能是指耐火材料在高溫下使用時(shí)所具有的性能。是與其使用壽命相關(guān)的性質(zhì)。 ? 耐火度 ? 荷重軟化溫度 ? 高溫蠕變性 ? 高溫體積穩(wěn)定性 ? 抗侵蝕性 ? 抗熱震性 1 耐火度 耐火度指耐火材料在無(wú)荷重時(shí)抵抗高溫作用而不熔融和軟化的性質(zhì)。單位 ℃ 測(cè)定方法：試錐法 常用耐火材料的耐火度 ? 耐火度不是耐火材料的熔點(diǎn) ? 制品的化學(xué)礦物組成直接決定其耐火度，提高原料純度提高耐火度 ? 問(wèn)題：耐火度是否就是耐火材料的最高使用溫度？ 2 荷重軟化溫度（荷軟點(diǎn)） 耐火材料對(duì)高溫和荷重同時(shí)作用的抵抗能力，也表示耐火材料呈現(xiàn)明顯塑性變形的軟化范圍。 ? 測(cè)定方法 ： 給耐火材料施以恒定壓負(fù)荷，并加熱，測(cè)定其發(fā)生明顯變形時(shí)的溫度點(diǎn)即為荷軟點(diǎn)。 ? 荷軟點(diǎn) : TH: ％變形溫度點(diǎn) TK :40％變形溫度點(diǎn) ? 荷重軟化溫度范圍： TK－ TH 荷軟點(diǎn)的測(cè)定是為了判斷材料的使用條件、荷重能力 幾種耐火制品的荷軟點(diǎn) 磚 種 ％開(kāi)始變形溫度 ℃ （ TH） 40％變形溫度點(diǎn) ℃ （ TK） 荷軟范圍 TK－ TH ℃ 一級(jí)粘土磚 （耐火度 1730 ℃ ） 1400 1600 200 三級(jí)粘土磚 （耐火度 1580 ℃ ） 1250 1500 250 莫來(lái)石磚 （耐火度 1770 ℃ ） 1600 1800 200 硅 磚 （耐火度 1730 ℃ ） 1650 1670 20 鎂 磚 （耐火度 2023 ℃ ） 1550 1580 30 問(wèn)題 ： 耐火材料荷重軟化溫度范圍的寬窄說(shuō)明什么？ 結(jié)晶相、晶體構(gòu)造和性狀 晶相與液相的數(shù)量及液相粘度 比較：粘土磚、硅磚、鎂磚 工藝因素 影響荷軟點(diǎn)