耐火材料工藝學

耐火材料工藝學武漢科技大學國家級精品課程第4章碳復合耐火材料-Ⅰ本節(jié)課主要內(nèi)容了解碳復合耐火材料發(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)點熟知目前含碳耐火材料急需解決的問題已學知識點回顧1、耐火材料制備過程中的物理、化學以及工程學問題；2、耐火材料的組成、結構與性質以及它們之間的關系；3、耐火材料使用過程中的物理與化學過程及其損毀機理。一、耐火材料學主要研究的內(nèi)容已學知識點回顧1、使用壽命、降低消耗——過去及大多現(xiàn)在；2、耐火材料的功能化——現(xiàn)在及未來；3、節(jié)能減排——未來。二、耐火材料研究的目標——過去，現(xiàn)在和將來已學知識點回顧高爐煉鐵——將鐵礦石制備還原成含碳鐵水的過程：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2,Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2

煉鋼過程——將含碳鐵水中的碳氧化、除雜、合金化的過程三、鋼鐵冶金的過程已學知識點回顧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構強度，通過其荷重軟化點來表征。耐火材料的使用溫度必須要低于其荷重軟化點。例如粘土磚的耐火度為1730℃，而其荷重軟化點為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)已學知識點回顧具有高溫化學穩(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；而鎂磚則恰好相反，只能做堿性熔渣的耐火材料?？紤]材料的致密度。滿足前述條件下，盡量選擇體積密度小的材料，以減少蓄熱增強體溫。在用作電爐內(nèi)襯時，還需考慮其導電性。耐火材料的性能必須要滿足生產(chǎn)要求，在此基礎上，考慮其經(jīng)濟要求，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、熔點高、儲量豐富與爐渣親和性潤濕性好、脆性材料、熱導率小抗渣性與熱震穩(wěn)定性差4.1碳復合耐火材料發(fā)展概況(背景、歷程和地位)（1）背景氧化物為主特點：新的冶煉技術的需要鐵水的預處理頂吹、頂?shù)讖痛?、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(servicelife)要高。上個世紀80年代初至80年代末的二伊戰(zhàn)爭石油危機重油緊缺----如何節(jié)能降耗？能源危機的需要（2）歷程國外國內(nèi)上世紀70年代末期期，日本本九洲耐耐火材料料公司渡邊明等人研制制成功鎂鎂碳磚，，在多國國申報專專利；鎂鎂碳磚最最先用于于電爐電電極的熱點部位；1978年用于轉轉爐底吹吹轉爐供氣嘴，1979年用于轉轉爐的各個部位位。1980前后年開開始研究究含碳耐耐火材料料，且列列入國家家“七五五”(1985~1989)科技攻關關項目。。1987年9~12月在鞍鋼鋼三煉鋼鋼廠轉爐爐上試用用鎂碳磚磚后，僅僅用一年年時間就就超額完完成了““七五””轉爐爐爐齡達千千次的攻攻關目標標。上世紀80年代后期期，在全全國各大大中小鋼鋼廠普遍遍推廣使使用MgO-C質耐火材材料作為為轉爐和和電爐的的爐襯。。（3）地位碳復合耐耐火材料料是目前前鋼鐵冶冶金工業(yè)業(yè)中應用用最廣泛泛的一種種耐火材材料，圖圖示說明明。煉鐵系統(tǒng)統(tǒng)煉鋼系統(tǒng)統(tǒng)連鑄系統(tǒng)統(tǒng)高爐主溝渣溝鐵溝Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C高爐出鐵場Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C鐵溝澆注料高爐出鐵口用用Al2O3-SiC-C炮泥出鐵口溝蓋主溝渣溝鐵溝擺動流槽高爐出鐵口組組成高爐出鐵口Al2O3-SiC-C質炮泥Ironmaking———torpedoladle（魚雷罐）煉鐵——魚雷罐(運送鐵水、鐵鐵水預處理脫脫P,S)Al2O3-SiC-C磚Al2O3-MgO-C磚Al2O3-SiC-C磚紅柱石磚或Al2O3-SiC-C磚低水泥澆注料料紅柱石磚轉爐系統(tǒng)頂吹氧氣管底吹氬氣管轉爐煉鋼系統(tǒng)統(tǒng)鐵水包轉爐Al2O3-SiC-C磚MgO-C磚(MgO-CaO-C磚)鞍鋼250T轉爐氧槍出鋼口轉爐爐口耳軸轉爐耐火材料內(nèi)襯襯吹氣時的流動動狀態(tài)氣體空間渣層金屬液內(nèi)襯全部是碳碳復合耐火材材料三相交流電爐爐煉鋼示意圖圖工作襯全部是是含碳耐火材材料內(nèi)襯：MgO-C，高碳導電爐爐底磚（MgO-C磚）及MgO-C搗打料(陽極)直流電弧爐連鑄系統(tǒng)鋼包:渣線——MgO-C磚包襯——Al2O3-MgO-C磚連鑄三大件塞棒——Al2O3-C質長水口——Al2O3-C質浸入式水口——Al2O3-C質滑板——Al2O3-ZrO2-CSEN（submergedentrynozzle）浸入式水口口SES（Submergedentryshroud）浸入式水口口雙板滑動式水水口工作示意意中間包底滑板執(zhí)行機構鋼包渣線MgO-C包襯:Al2O3-MgO-CAl2O3-MA-C鋼包—中間包系統(tǒng)長水口Al2O3-C鋼殼渣線：：鎂碳碳磚包包襯襯：鋁鋁鎂碳碳磚鋼包結結構示示意圖圖鋼包(盛鋼桶桶)內(nèi)襯耐耐火材材料出完鋼鋼后的的鋼包包渣線鋼水作作用區(qū)區(qū)精煉爐爐鋼包包碳復合合耐火火材料料的種種類煉鐵系系統(tǒng)（高爐爐炮泥泥、鐵鐵溝、、渣線線、魚魚雷罐罐等））：Al2O3-SiC-C、Al2O3-MgO-C系列煉鋼系系統(tǒng)（轉爐爐、電電爐））：MgO-C、MgO-CaO-C系列連鑄系系統(tǒng)（鋼包包、鋼鋼包滑滑板、、水口口、長長水口口、中中間包包滑板板、浸浸入式式水口口、塞塞棒等等）：：MgO-C、Al2O3-C、MgO-Al2O3-C系列（4）““碳””與““炭””的區(qū)區(qū)別“碳””是一種種元素素，符符號為為C。“炭””是碳，，且以以無定定形碳碳為主主的人人造物物質(artifact,non-natural)。炭的化化學成成分主主要是是碳，，且其其中的的碳以以無定定形(非晶)結構存存在。?！疤肌薄迸c““炭””的關系：：炭=無定形形碳+雜質。。實際際應用用時重重點看看是不不是無無定形形碳，，從而而確定定該用用何字字。三維結結構（5）石石墨墨的特特性及及含碳碳耐火火材料料的優(yōu)優(yōu)點石墨是是元素素碳的的一種種同素素異形形體（（金剛剛石、、C60、石墨墨烯、、納米米碳管管）。。天然石石墨類類型致密結結晶狀狀石墨墨（塊狀狀）:結晶明明顯,晶體肉肉眼可可見，，直徑徑>0.1毫米，，品品位高高，含含碳量量為60～65%，有時時達80～98%。鱗片片石石墨墨，呈呈鱗鱗片片狀狀，，有有大大鱗鱗片片和和細細鱗鱗片片之之分分。。品品位位10～25%之間間。。可可浮浮性性好好。。隱晶晶質質石石墨墨（（土狀狀石石墨墨））。。晶晶體體直直徑徑<1微米米，，特特點點是是表表面面呈呈土土狀狀，，缺缺乏乏光光澤澤，，潤潤滑滑性性差差。。品品位位較較高高。。一一般般的的60～85%。少少數(shù)數(shù)高高達達90%以上上。。石墨墨外外觀觀是以以石石油油焦焦、、瀝瀝青青焦焦等等為為主主要要原原料料，，以以瀝瀝青青為為結結合合劑劑，，壓壓制制成成型型后后，，經(jīng)經(jīng)2500~3000℃℃高溫溫非非氧氧化化氣氣氛氛下下進進行行石墨墨化化處理理而而得得。。特點點：：含含碳碳量量高高（（99％以以上上）），，灰分分少（（不不超超過過0.5％）），，但但其其結晶晶程程度度不如如天天然然鱗鱗片片狀狀石石墨墨，，且且生生產(chǎn)產(chǎn)工工藝藝復復雜雜。。含碳碳耐耐火火材材料料中中大大量量使使用用的的是是天天然然鱗片片石石墨墨（自自然然界界的的薄薄片片石石墨墨））。。人造造石石墨墨石墨墨結結構構示示意意圖圖石墨墨（（Graphite）的的基基本本性性質質真空中熔熔點為3850℃,揮發(fā)點為為4250℃；低壓下下升華溫度:2200℃℃,其強度隨隨溫度的的升高而而增加。。六角網(wǎng)狀狀平面上上的每個個碳原子子與周圍圍碳原子子形成三三個共價價鍵,另一個電電子在該該平面上上自由移移動,且與相鄰鄰平面上上碳原子子的剩余余電子作作為電子云存在于網(wǎng)網(wǎng)狀平面面間,使石墨具具有良好的導導熱和導導電性。。石墨具有有各向異異性,宏觀膨脹脹系數(shù)不不大;在溫度驟驟變時其其體積變化化小,同時具有有良好的的導熱性能能,因而石墨墨抗熱震性性能優(yōu)良良。①耐高溫溫性能好好；②導熱、、導電性性好；③特殊的的抗熱震震性能；；④潤滑性性，石墨墨層間結結合力弱弱,使之具有有潤滑性性;鱗片越大大,潤滑性越越好。石石墨在常常溫下具具有很好好的化學學穩(wěn)定性性,不受任何何強酸強強堿及有有機溶劑劑的侵蝕蝕.⑤良好的化化學穩(wěn)定定性和抗抗侵蝕能能力。但但石墨在空氣中中易氧化，，用于碳碳復合耐耐火材料料時應該該采取必必要的防氧化措施。石墨結構構石墨的性性質（1）對爐渣渣的不濕濕潤性（（non-wettingforslag）（2）高的導導熱性（（highthermalconductivity）（3）低的熱熱膨脹性性（lowthermalexpansion）此處，石石墨與耐耐火材料料在高溫溫下不發(fā)生共共熔。石墨作為為耐火原原料時的的特性抗渣性熱震穩(wěn)定定性濕潤角與與潤濕性性的關系系接觸角或或潤濕角角?碳復合耐耐火材料料既可以以保持原原耐火材材料的特特點，又又能發(fā)揮揮復合后后的新特特性，可可根據(jù)需需要進行行設計，，取長補補短，最最大限度度地達到到使用要要求的性性能。如MgO-C磚利用了了鎂砂的的抗堿性渣渣侵蝕能能力強和碳的高高導熱性性及低膨膨脹性，，補償了了堿性制制品抗剝剝落性差差的最大大缺點。。(6)碳復合耐耐火材料料的特點點及優(yōu)點點具有高的的熱震穩(wěn)穩(wěn)定性；；良好的抗抗熔渣和和鋼水的的侵蝕性性使用壽命命長（7）碳復合合耐火材材料使用用現(xiàn)狀所有的電電爐、轉轉爐爐襯襯材料均均為含碳碳耐火材材料