耐火材料與燃燒概論演示文稿

耐火材料與燃燒概論演示文稿耐火材料與燃料燃燒講義1當前1頁，總共33頁。（優(yōu)選）耐火材料與燃燒概論耐火材料與燃料燃燒講義2當前2頁，總共33頁。2.教學參考書：

(1)徐維忠，耐火材料，冶金工業(yè)出版社，1992(2)王維邦，耐火材料工藝學，冶金工業(yè)出版社，1994(3)許小海等，耐火材料技術手冊，冶金工業(yè)出版社，2000(4)韓昭滄，燃料及燃燒，冶金工業(yè)出版社，1994(5)顧恒祥，燃料與燃燒，西北工業(yè)大學出版社，1993(6)常弘哲，燃料及燃燒，上海交通大學出版社，1993耐火材料與燃料燃燒講義3當前3頁，總共33頁。第1章概論耐火材料的定義：

耐火材料是耐火度不低于1580℃的無機非金屬材料和制品。耐火度是指材料在高溫作用下達到特定軟化程度時的溫度，它標志著材料抵抗高溫作用的性能。通常將使用溫度在1000℃以上的工業(yè)窯爐用材料也看作是耐火材料。耐火材料與燃料燃燒講義4當前4頁，總共33頁。耐火材料及其研究的發(fā)展史冶煉技術的發(fā)展青銅器時代(BC3500)1924Bowen和Greig發(fā)表Al2O3-SiO2二元相圖。1920s高溫X-射線衍射儀的發(fā)明1930s相繼出現(xiàn)了FeO-Al2O3、MgO-Al2O3-SiO2FeO-Al2O3-SiO2相圖耐火材料與燃料燃燒講義5當前5頁，總共33頁。耐火材料材質的變遷Al2O3-SiO2

耐火粘土硅磚1930-40s1950sMgO-CaO1960sAl2O3-SiO2-ZrO2

1970s熔鑄制品MgO-Cr2O3鎂鉻磚白云石磚1980s(MgO,Al2O3)-C-(Al,SiC,B4C)含碳耐火材料Metal-O-C-N現(xiàn)在復合材料耐火材料與燃料燃燒講義6當前6頁，總共33頁。國內外耐火材料發(fā)展現(xiàn)狀進入新世紀以來，耐火材料生產(chǎn)能力嚴重過剩的局面愈顯突出。近3年來，中國耐火材料的年總產(chǎn)量逾1000萬噸，且穩(wěn)中有升，約占世界總量的一半。與日、美、歐洲等國相比，可謂“風景這邊獨好”。主要是我國的資源優(yōu)勢、勞動力優(yōu)勢和經(jīng)濟建設強勁的內需(如西部開發(fā)、西氣東輸、西電東輸、南水北調等)拉動所致。例如我國鋼產(chǎn)量從1996年首次突破1億噸以來，穩(wěn)居世界第一且一直攀升，2003年將超過2億噸，并且可望在今后幾年仍會繼續(xù)增長。水泥、有色、玻璃、陶瓷、石化等工業(yè)也都在以前所未有的速度發(fā)展。其次是近年來我國耐火材料的出口也在加大步伐。2002年耐火制品出口達64萬噸，而耐火原料出口每年保持在300-400萬噸。1.生產(chǎn)概況耐火材料與燃料燃燒講義7當前7頁，總共33頁。2.目前全球耐火材料工業(yè)總體形勢

(1)總體供大于求，局部供不應求(2)全球化的理念增強

(3)兼并重組形成新的格局

(4)技術進步和創(chuàng)新的步伐加快，能力增強①越來越多的新型的、高性能的人工合成原料被開發(fā)出來，為高性能耐材的研制和應用奠定了基礎。②不定形耐火材料在整個耐火材料中所占的比例增加。以日本為最盛，其不定形耐材產(chǎn)量占整個耐材的比例目前超過60%，在鋼鐵工業(yè)用耐材中不定形耐材占70%以上。耐火材料與燃料燃燒講義8當前8頁，總共33頁。③氧化物和非氧化物復合的耐火材料增多。繼20世紀70年代將石墨引入耐材而刮起一股“黑旋風”以來，近年又出現(xiàn)了含塞?。⊿ialon）、阿?。ˋlon）、金屬相的復合型耐材。④新的成型和燒成工藝。如用澆注料制成各種預制件，氮化反應燒成等。⑤簡單化、機械化、高效化的新型筑襯施工方法。如自流澆注、噴涂、濕式噴射、預制件的采用等。⑥功能型、環(huán)保型耐火材料增多。不少耐材不但能耐高溫，還具有諸如透氣、防堵塞、凈化鋼水等功能。含鉻、瀝青或其它有害揮發(fā)分的耐材正在被取代。⑦先進的生產(chǎn)和施工設備。如高噸位等靜壓機、造粒設備、高溫窯、高效攪拌機、泵送和噴射設備等。耐火材料與燃料燃燒講義9當前9頁，總共33頁。1.1耐火材料的分類1.1.1按化學礦物組成分類(1)

氧化硅質耐火材料這是以SiO2為主要成分的耐火材料，主要的品種有各種硅磚和石英玻璃制品。(2)硅酸鋁質耐火材料這是以Al2O3和SiO2為基本化學組成的耐火材料。根據(jù)制品中Al2O3和SiO2含量分為三類：半硅質耐火材料、粘土質耐火材料和高鋁質耐火材料。(3)鎂質耐火材料

這是以MgO為主要成分和以方鎂石為主要礦物構成的耐火材料，依其次要的化學和礦物組成的不同有以下品種：鎂磚、鎂鋁磚、鎂硅磚、鎂鈣磚、鎂鉻磚、鎂碳磚和鎂白云石磚。此外，還有冶金鎂砂。耐火材料與燃料燃燒講義10當前10頁，總共33頁。(4)白云石質耐火材料這是一類以氧化鈣(40-60%)和氧化鎂(30-42%)為主要成分的耐火材料。其主要品種有：焦油白云石磚、燒成油浸白云石磚、燒成油浸半穩(wěn)定性白云石磚、燒成穩(wěn)定性白云石磚、輕燒油浸白云石磚和冶金白云石砂。(5)橄欖石質耐火材料這是一種含MgO35-62%，MgO/SiO2重量比波動于0.95-2.00，由鎂橄欖石為主要礦物組成的耐火材料。(6)尖晶石質耐火材料這是一類主要由尖晶石組成的耐火材料。主要品種有由鉻尖晶石構成的鉻質制品(Cr2O3≥30%)，由鉻尖晶石、方鎂石構成的鉻鎂質制品(含Cr2O318-30%，MgO25-55%)和由鎂鋁尖晶石構成的制品。耐火材料與燃料燃燒講義11當前11頁，總共33頁。(7)含碳質耐火材料這類材料中均含有一定數(shù)量的碳或碳化物。主要品種有由無定形碳構成的炭磚或炭塊；由石墨構成的石墨制品；由碳化硅構成的碳化硅制品；由碳纖維及碳纖維與樹脂或其他碳素材料復合為整體構成的材料。(8)含鋯質耐火材料這類材料中均含有一定數(shù)量的氧化鋯。常用的品種有以鋯英石為主要成分的鋯英石質制品；以氧化鋯和剛玉或莫來石構成的鋯剛玉和鋯莫來石制品，以及以氧化鋯為主要組成的純氧化鋯制品。(9)特殊耐火材料這是一類由較純的難熔的氧化物、碳化物、硅化物和硼化物以及金屬陶瓷構成的耐火材料。耐火材料與燃料燃燒講義12當前12頁，總共33頁。1.1.2按耐火材料的制造方法分類

(1)

根據(jù)其成型特點分為塊狀制品和不定形材料。(2)依熱處理方式不同分為不燒制品、燒成制品和熔鑄制品。(1)依其耐火度的高低分類

普通耐火制品，耐火度1580-1770oC；

高級耐火制品，耐火度1770-2000oC；

特級耐火制品，耐火度2000oC以上。(2)依其化學性質可分類

酸性耐火材料、中性耐火材料和堿性耐火材料。(3)依其密度或導熱性分類

重質耐火材料、輕質耐火材料或隔熱耐火材料1.1.3按制品性質分類耐火材料與燃料燃燒講義13當前13頁，總共33頁。標準磚、異型磚、特異型磚、管、耐火器皿等1.1.4按制品形狀和尺寸分類1.1.5按應用分類焦爐用耐火材料、高爐用耐火材料、煉鋼爐用耐火材料、連鑄用耐火材料、有色金屬冶煉用耐火材料、水泥窯用耐火材科、玻璃窯用耐火材料等耐火材料與燃料燃燒講義14當前14頁，總共33頁。1.2耐火材料的一般生產(chǎn)過程

耐火材料的品種和質量取決于耐火材料的原料和其生產(chǎn)工藝。在原料確定的情況下，耐火材料的生產(chǎn)工藝方法與制度是否正確與合理，所得耐火制品的質量差別可能極大。耐火材料的特定性能的控制，必須通過特定的工藝手段來實現(xiàn)。耐火材料與燃料燃燒講義15當前15頁，總共33頁。圖1-1耐火材料生產(chǎn)過程示意圖耐火材料與燃料燃燒講義16當前16頁，總共33頁。

原料的質量是耐火材料質量的基本保證。要發(fā)展優(yōu)質高效的耐火制品，必須有純凈的質量均一和性質穩(wěn)定的原料。因此，選取適宜作為耐火材料原料的天然礦石、開采后必須再經(jīng)過加工。原料的加工主要包括原料的精選提純(或均化、合成)；原料的干燥和煅燒；原料的破粉碎和分級。

(1)原料的精選提純和均化為了提高原料純度，一般需經(jīng)揀選或沖洗，剔除雜質。有的還需采用適當選礦方法進行精選提純。有的原料中成分不均，需要均化。有的在精選后還可引入適量有益加入物。高性能的復合原料需采用人工合成方法。1.2.1原料的加工耐火材料與燃料燃燒講義17當前17頁，總共33頁。

(2)原料的煅燒為了保證原料的高溫體積穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和高強度，多數(shù)天然原料和合成原料需經(jīng)高溫煅燒制成熟料或經(jīng)熔融制成熔塊。熟料煅燒溫度一般多控制在使其達到燒結致密化的范圍內。對主晶相為氧化物的原料，燒結溫度Ts約為其熔點Tm的0.7-0.9倍，即Ts≈（0.7-0.9）Tm，多高于制品的燒成溫度。更高于制品的使用溫度。熟料煅燒一般在豎窯或回轉窯中進行。有的原料，如軟質耐火粘土作為粘合劑，雖不經(jīng)煅燒但若含水過多，應經(jīng)干操，以便破碎和分級。耐火材料與燃料燃燒講義18當前18頁，總共33頁。

(3)原料的破粉碎和分級原料破粉碎的目的是制成不同位級的顆粒及細粉，以便于調整成分，進行級配，使多組分間混合均勻，便于相互反應，并獲得致密的或具有一定粒狀結構的制品坯體。一般先將顆粒破碎到極限粒徑40-50mm(粗碎)；再將顆粒破碎到極限粒徑4-5mm(中碎)，然后細碎。細磨是將顆粒破碎到小于0.088mm以下的細粉。生產(chǎn)普通耐火制品所用的顆粒料皆為中碎以后所獲得的產(chǎn)品。經(jīng)破粉碎后的顆粒狀產(chǎn)品，需依粒度粗細分級，以便合理配料。通常多以篩分方法將顆粒分級。對粉狀料常以風選法分級。耐火材料與燃料燃燒講義19當前19頁，總共33頁。1.2.2配料

耐火材料的配料是將各種不同品種、組分和性質的原料以及將各級粒度的熟料顆粒按一定比例進行配合的工藝。各種原料的配合是為了獲得一定性質的制品。粒度的配合是為了獲得最緊密堆集的或特定粒狀結構的坯體。（1）各種原料的配合各種原料的配合依材料的品種和性質的要求而定，不同制品各有特點。對燒結制品、不燒制品和不定形耐火材料，各種顆粒的熟料或其他瘠性料與各種結合劑的配合是配料中的重要一環(huán)。任何結合劑的選用及其加入量皆應嚴格控制，應保證其既有利于制品的生產(chǎn)，又不會對制品的性質帶來危害。耐火材料與燃料燃燒講義20當前20頁，總共33頁。

(2)粒度的配合各級粒度的顆粒配合對磚坯的致密度影響極大。只有使各級粒度顆粒的堆積體達到最緊密的程度，才能得到致密的制品。欲使多級不同粒度的顆粒組成的堆積體密度得到提高，必須使粗顆粒級中的空隙全部由細顆粒級填充，而細顆粒級中的空隙由更細的顆粒級填充，如此逐級填充即可獲得最緊密堆集。

①各級顆粒的粒徑比以緊密堆積的同徑球的間隙而論，若使小球填于其中，小球的粒徑必須小于大球堆積體的空隙尺寸。因此，兩種球球徑之比必須恰當。若兩級顆粒配合成堆積體時，粒徑比在6.5以上，對實現(xiàn)緊密的堆集是有利的。如此多級顆粒配合，更可實現(xiàn)致密化。采用此種粒徑比很大的各級顆粒的配合常稱為間斷級配。但在實際生產(chǎn)中為避免顆粒產(chǎn)生嚴重偏析，并使各級顆粒充分利用，常采用粒級連續(xù)的顆粒，并以平均粒徑劃分為若干級別進行配合。耐火材料與燃料燃燒講義21當前21頁，總共33頁。

②各級顆粒配合的比例在保證粗細顆粒位徑比恰當?shù)臈l件下，由各級顆粒組成的堆積體中，每級顆粒配合的數(shù)量，應以細者填滿粗者的空隙為宜。以密度相同的同粒徑的圓球堆集體為例，其空隙率(P)約為38%。二級配合時，粗與細的數(shù)量比應為1:0.38。采取多級顆粒配合時，堆積體的空隙率變化如表1-1所示。耐火材料與燃料燃燒講義22當前22頁，總共33頁。表1-1各級粒度堆積體的空隙率變化粒度基數(shù)球體實體積，%堆集體空隙度，%空隙下降率，%一級(1–P1)，62.0P1，38.0―二級(1–P1P2)，85.6P1P2，14.423.6三級(1–P1P2P3)，94.6P1P2P3，5.49.0四級(1–P1P2P3P4)，98.0P1P2P3P4，2.03.4五級(1–P1P2P3P4P5)，99.2P1P2P3P4P5，0.81.2耐火材料與燃料燃燒講義23當前23頁，總共33頁。一級二級三級四級耐火材料與燃料燃燒講義24當前24頁，總共33頁。粗徑顆粒4.5mm,100%細徑顆粒0.09mm,100%中徑顆粒0.7mm,100%圖1-2堆積體空隙率變化耐火材料與燃料燃燒講義25當前25頁，總共33頁。同粒徑的粒狀顆粒堆集體的空隙率約為45％。由于當多級配合超過4級時，空隙率變化不顯著，而且為了簡化工藝，普通燒結制品的粒度組成，一般為3-4級。以粒度粗、中、細三級配合為例，堆集體空隙率變化如圖1-2所示。即以粗顆粒為55-65%，中顆粒10-30%，細顆粒15-30%較宜。通常為獲得高密度的制品，并避免由這種級配組成的泥料易于產(chǎn)生顆粒偏析和便于制品的燒結，常采取細粉量較多的配合，如采取粗:中:細=(4-6):(2-1):(4-3)。③極限顆粒的確定耐火制品中顆粒的極限粒徑，根據(jù)制品形狀的復雜程度、斷面尺寸大小或成型的方法以及對其組織結構和性質的要求而定。一般而論，形狀復雜、斷面小者，極限粒度應??；適當提高極限粒徑，對制品的耐熱震性可能有利。近于標準形狀的普通燒結制品，極限粒徑一般控制在2-3.5mm。大型塊狀制品可相應增大。耐火材料與燃料燃燒講義26當前26頁，總共33頁。

混練是將合理配合的各種物料準確稱量后，制成各組分、各種顆粒均勻分布的泥料，并使泥料中各種物料實現(xiàn)結合良好的加工過程。根據(jù)物料的組分和性質，采取適當?shù)幕炀氃O備與方法．使名種物料通過對流、擴散和剪切等作用達到泥料均勻化和顆粒料與結合劑等的互相結合，既使泥料獲得良好的成型性能，又避免泥料中顆粒的再破碎和某些物料的散失或在混練過程中發(fā)生顯著反應變質。某些耐火制品在泥料混練過程中，還需進行“困料”，即將經(jīng)初混的泥料在一定溫度、濕度的條件下貯放一定時間，然后再經(jīng)二次混練，以改善泥料的質量。1.2.3泥料的混練耐火材料與燃料燃燒講義27當前27頁，總共33頁。

(1)成型的目的是使泥料制成具有一定形狀和適當密度與強度的磚坯。對燒結制品和不燒磚，磚坯的致密度決定著制品的致密度，從而影響制品的許多物理化學性質和使用性質。

(2)磚坯成型方法主要依泥料的性質、制品形狀和對制品性質的要求而定。如對有流動性的泥料，采用注漿成型；對有可塑性的泥料，采用可塑法成型；對有觸變性的泥料，經(jīng)振動成型；對含水量較低(3-6%)的半干泥料，采用半干壓成型或搗打成型；干粉料用等靜壓成型等等。經(jīng)成型后的磚坯，由于其中各種物料間的機械結合力、靜電引力及摩擦力，使磚坯的形狀保持下來，并具有一定的強度。1.2.4成型耐火材料與燃料燃燒講義28當前28頁，總共33頁。

許多成型后的磚坯含水量較高，強度較低，不便堆碼和燒成，必須經(jīng)干燥后排除其中游離水分，強度得到提高，才可裝車入窯。有些成型后含水量已很低的磚坯，雖可碼放適當高度，直接入窯，但入窯后也必須首先經(jīng)過干燥階段。磚坯的干燥是熱量傳遞過程，是利用熱空氣或熱廢氣將熱量傳遞給磚坯，磚坯受熱溫度升高，使水分由磚坯內擴散逸出。干燥制度必須控制適當，以使磚坯內水分向外擴散和表面水分蒸發(fā)的速率相應。由于磚坯在干燥過程中往往產(chǎn)生收縮，切忌磚坯表面干燥速率不當，以免造成開裂、鼓爆等缺陷。1.2.5干燥耐火材料與燃料燃燒講義29當前29頁，總共33頁。

(1)燒成的目的燒成的目的是使磚坯在高溫下發(fā)生一系列物理化學反應達到燒結，即磚坯形成一定高溫穩(wěn)定的物相和結構，定