2022年耐火材料工藝學(xué)

1、耐火材料工藝學(xué)武漢科技大學(xué)國(guó)家級(jí)精品課程第4章 碳復(fù)合耐火材料-本節(jié)課主要內(nèi)容了解碳復(fù)合耐火材料發(fā)展的背景、歷程及地位理解“碳”與“炭”的區(qū)別掌握石墨的特性及含碳耐火材料的優(yōu)點(diǎn)熟知目前含碳耐火材料急需解決的問(wèn)題已學(xué)知識(shí)點(diǎn)回顧1、耐火材料制備過(guò)程中的物理、化學(xué)以及工程學(xué)問(wèn)題；2、耐火材料的組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及它們之間的關(guān)系；3、耐火材料使用過(guò)程中的物理與化學(xué)過(guò)程及其損毀機(jī)理。一、耐火材料學(xué)主要研究的內(nèi)容已學(xué)知識(shí)點(diǎn)回顧1、使用壽命、降低消耗過(guò)去及大多現(xiàn)在；2、耐火材料的功能化現(xiàn)在及未來(lái)；3、節(jié)能減排未來(lái)。二、耐火材料研究的目標(biāo)過(guò)去，現(xiàn)在和將來(lái)已學(xué)知識(shí)點(diǎn)回顧高爐煉鐵將鐵礦石制備還原成含碳鐵水的過(guò)程：

2、Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2,Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2 煉鋼過(guò)程將含碳鐵水中的碳氧化、除雜、合金化的過(guò)程三、鋼鐵冶金的過(guò)程已學(xué)知識(shí)點(diǎn)回顧1、考慮耐火材料的耐火度。例如粘土磚的耐火度為1730，而其使用溫度僅為1350。2、考慮耐火材料的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過(guò)其荷重軟化點(diǎn)來(lái)表征。耐火材料的使用溫度必須要低于其荷重軟化點(diǎn)。例如粘土磚的耐火度為1730，而其荷重軟化點(diǎn)為1350，因此最高使用溫度僅為1350。3、考慮耐火材料要具有高的熱穩(wěn)定性；四、高溫工業(yè)選擇耐火材料的依據(jù)已學(xué)知識(shí)點(diǎn)回顧具有高溫化學(xué)穩(wěn)定性 。例如，硅磚只能做酸性熔渣的耐火材料，而不能做為堿性熔渣的耐火材料；而鎂磚則恰

3、好相反，只能做堿性熔渣的耐火材料?？紤]材料的致密度。滿(mǎn)足前述條件下，盡量選擇體積密度小的材料，以減少蓄熱增強(qiáng)體溫。 在用作電爐內(nèi)襯時(shí)，還需考慮其導(dǎo)電性。耐火材料的性能必須要滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，在此基礎(chǔ)上，考慮其經(jīng)濟(jì)要求，盡量使生產(chǎn)成本最低。 傳統(tǒng)耐火材料：MgO、Al2O3 、MA、A3S2離子晶體、熔點(diǎn)高、儲(chǔ)量豐富與爐渣親和性潤(rùn)濕性好、脆性材料、熱導(dǎo)率小抗渣性與熱震穩(wěn)定性差4.1 碳復(fù)合耐火材料發(fā)展概況(背景、歷程和地位) （1）背景氧化物為主特點(diǎn)：新的冶煉技術(shù)的需要鐵水的預(yù)處理頂吹、頂?shù)讖?fù)吹、超高功率電爐爐外精煉、連鑄比的不斷提高。要求耐火材料使用壽命(service life)要高。上個(gè)世紀(jì)8

4、0年代初至80年代末的二伊戰(zhàn)爭(zhēng)石油危機(jī)重油緊缺-如何節(jié)能降耗？能源危機(jī)的需要（2）歷程國(guó)外國(guó)內(nèi) 上世紀(jì)70年代末期，日本九洲耐火材料公司渡邊明等人研制成功鎂碳磚，在多國(guó)申報(bào)專(zhuān)利；鎂碳磚最先用于電爐電極的熱點(diǎn)部位；1978年用于轉(zhuǎn)爐底吹轉(zhuǎn)爐供氣嘴，1979年用于轉(zhuǎn)爐的各個(gè)部位。 1980前后年開(kāi)始研究含碳耐火材料，且列入國(guó)家“七五”(19851989)科技攻關(guān)項(xiàng)目。 1987年912月在鞍鋼三煉鋼廠轉(zhuǎn)爐上試用鎂碳磚后，僅用一年時(shí)間就超額完成了“七五”轉(zhuǎn)爐爐齡達(dá)千次的攻關(guān)目標(biāo)。 上世紀(jì)80年代后期，在全國(guó)各大中小鋼廠普遍推廣使用MgO-C質(zhì)耐火材料作為轉(zhuǎn)爐和電爐的爐襯。 （3）地位 碳復(fù)合耐火材料

5、是目前鋼鐵冶金工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種耐火材料，圖示說(shuō)明。煉鐵系統(tǒng)煉鋼系統(tǒng)連鑄系統(tǒng)高爐主溝渣溝鐵溝 Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C高爐出鐵場(chǎng)Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C鐵溝澆注料高爐出鐵口用Al2O3-SiC-C炮泥出鐵口溝蓋主溝渣溝鐵溝擺動(dòng)流槽 高爐出鐵口組成高爐出鐵口Al2O3-SiC-C質(zhì)炮泥Ironmakingtorpedo ladle（魚(yú)雷罐）煉鐵魚(yú)雷罐(運(yùn)送鐵水、鐵水預(yù)處理脫P(yáng),S)Al2O3-SiC-C磚 Al2O3-MgO-C磚 Al2O3-SiC-C磚紅柱石磚或Al2O3-SiC-C磚低水泥澆注料紅柱石磚轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)頂吹氧氣管底吹氬氣管轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)鐵水

6、包轉(zhuǎn)爐Al2O3-SiC-C磚MgO-C磚(MgO-CaO-C磚)鞍鋼250T轉(zhuǎn)爐氧槍出鋼口轉(zhuǎn)爐爐口耳軸轉(zhuǎn)爐耐火材料內(nèi)襯吹氣時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)氣體空間渣層金屬液內(nèi)襯全部是碳復(fù)合耐火材料三相交流電爐煉鋼示意圖 工作襯全部是含碳耐火材料內(nèi)襯：MgO-C，高碳導(dǎo)電爐底磚（MgO-C磚）及MgO-C搗打料(陽(yáng)極)直流電弧爐連鑄系統(tǒng)鋼包:渣線(xiàn)MgO-C磚包襯Al2O3-MgO-C磚連鑄三大件塞棒Al2O3-C質(zhì)長(zhǎng)水口Al2O3-C質(zhì)浸入式水口Al2O3-C質(zhì)滑板Al2O3-ZrO2-CSEN（submerged entry nozzle）浸入式水口SES（Submerged entry shroud）浸入式水

7、口雙板滑動(dòng)式水口工作示意中間包底滑板執(zhí)行機(jī)構(gòu)鋼包渣線(xiàn)MgO-C包襯:Al2O3-MgO-CAl2O3-MA-C鋼包中間包系統(tǒng)長(zhǎng)水口Al2O3-C鋼殼渣線(xiàn)：鎂碳磚 包襯：鋁鎂碳磚鋼包結(jié)構(gòu)示意圖鋼包(盛鋼桶)內(nèi)襯耐火材料出完鋼后的鋼包渣線(xiàn)鋼水作用區(qū)精煉爐鋼包碳復(fù)合耐火材料的種類(lèi) 煉鐵系統(tǒng)（高爐炮泥、鐵溝、渣線(xiàn)、魚(yú)雷罐等）： Al2O3-SiC-C、Al2O3-MgO-C系列 煉鋼系統(tǒng)（轉(zhuǎn)爐、電爐）： MgO-C、MgO-CaO-C系列 連鑄系統(tǒng)（鋼包、鋼包滑板、水口、長(zhǎng)水口、中間包滑板、浸入式水口、塞棒等）： MgO-C、Al2O3-C、MgO-Al2O3-C系列（4） “碳”與“炭”的區(qū)別 “碳

8、”是一種元素，符號(hào)為C。 “炭” 是碳，且以無(wú)定形碳為主的人造物質(zhì)(artifact, non-natural )。 炭的化學(xué)成分主要是碳，且其中的碳以無(wú)定形(非晶)結(jié)構(gòu)存在。 “碳”與“炭”的關(guān)系： 炭=無(wú)定形碳+雜質(zhì)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)重點(diǎn)看是不是無(wú)定形碳，從而確定該用何字。三維結(jié)構(gòu)（5） 石墨的特性及含碳耐火材料的優(yōu)點(diǎn) 石墨是元素碳的一種同素異形體（金剛石、C60、石墨烯、納米碳管）。 天然石墨類(lèi)型 致密結(jié)晶狀石墨 （塊狀）:結(jié)晶明顯,晶體肉眼可見(jiàn)，直徑0.1毫米 ，品位高，含碳量為6065%，有時(shí)達(dá)8098%。 鱗片石墨，呈鱗片狀，有大鱗片和細(xì)鱗片之分。品位1025%之間?？筛⌒院?。 隱晶質(zhì)石

9、墨（土狀石墨）。晶體直徑1微米，特點(diǎn)是表面呈土狀，缺乏光澤，潤(rùn)滑性差。品位較高。一般的6085%。少數(shù)高達(dá)90%以上。石墨外觀 是以石油焦、瀝青焦等為主要原料，以瀝青為結(jié)合劑，壓制成型后，經(jīng)25003000高溫非氧化氣氛下進(jìn)行石墨化處理而得。 特點(diǎn)：含碳量高（99以上），灰分少（不超過(guò)0.5），但其結(jié)晶程度不如天然鱗片狀石墨，且生產(chǎn)工藝復(fù)雜。 含碳耐火材料中大量使用的是天然鱗片石墨（自然界的薄片石墨）。人造石墨石墨結(jié)構(gòu)示意圖 石墨（Graphite）的基本性質(zhì) 真空中熔點(diǎn)為3850,揮發(fā)點(diǎn)為4250；低壓下升華溫度:2200 ,其強(qiáng)度隨溫度的升高而增加。 六角網(wǎng)狀平面上的每個(gè)碳原子與周?chē)荚?/p>

10、形成三個(gè)共價(jià)鍵,另一個(gè)電子在該平面上自由移動(dòng),且與相鄰平面上碳原子的剩余電子作為電子云存在于網(wǎng)狀平面間,使石墨具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性。 石墨具有各向異性,宏觀膨脹系數(shù)不大;在溫度驟變時(shí)其體積變化小,同時(shí)具有良好的導(dǎo)熱性能,因而石墨抗熱震性能優(yōu)良。耐高溫性能好；導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好；特殊的抗熱震性能；潤(rùn)滑性，石墨層間結(jié)合力弱,使之具有潤(rùn)滑性;鱗片越大,潤(rùn)滑性越好。石墨在常溫下具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性,不受任何強(qiáng)酸強(qiáng)堿及有機(jī)溶劑的侵蝕.良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。但石墨在空氣中易氧化，用于碳復(fù)合耐火材料時(shí)應(yīng)該采取必要的防氧化措施。石墨結(jié)構(gòu) 石墨的性質(zhì)（1）對(duì)爐渣的不濕潤(rùn)性（ non-wetting for

11、 slag ）（2）高的導(dǎo)熱性（ high thermal conductivity ）（3）低的熱膨脹性（ low thermal expansion ）此處，石墨與耐火材料在高溫下不發(fā)生共熔。石墨作為耐火原料時(shí)的特性抗渣性熱震穩(wěn)定性濕潤(rùn)角與潤(rùn)濕性的關(guān)系接觸角或潤(rùn)濕角? 碳復(fù)合耐火材料既可以保持原耐火材料的特點(diǎn)，又能發(fā)揮復(fù)合后的新特性，可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，最大限度地達(dá)到使用要求的性能。 如MgO-C磚利用了鎂砂的抗堿性渣侵蝕能力強(qiáng)和碳的高導(dǎo)熱性及低膨脹性，補(bǔ)償了堿性制品抗剝落性差的最大缺點(diǎn)。 (6)碳復(fù)合耐火材料的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)具有高的熱震穩(wěn)定性；良好的抗熔渣和鋼水的侵蝕性使用壽命長(zhǎng) （7）碳復(fù)合耐火材料使用現(xiàn)狀 所有的電爐、轉(zhuǎn)爐爐襯材料均為含碳耐火材料； 使用壽命大多在一萬(wàn)爐以上，通過(guò)采用濺渣護(hù)爐技術(shù)后,武鋼、濟(jì)鋼等鋼廠的爐襯壽命均超過(guò)三萬(wàn)爐次。但噸鋼耐材消耗還有待努力降低!煉鋼現(xiàn)場(chǎng)(8) 目前含碳耐火材料急需解決的問(wèn)題石墨的高導(dǎo)熱熱損失大,不利于節(jié)能!作為爐襯材料往鋼液中滲碳不利于冶煉低碳鋼等品種鋼思考題1、什么叫碳復(fù)合耐火材料(含碳耐火材料)？2、含碳復(fù)合耐火材料(碳復(fù)合耐火材料)與傳統(tǒng)耐火材料相比，突出的優(yōu)點(diǎn)是什么？為什么？3、在高溫及