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1、耐火材料与燃料燃烧 东北大学 陈敏 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义 1 1 课程简介 1.课时安排： 耐火材料部分耐火材料部分 3030学时学时 1 燃料燃烧部分燃料燃烧部分 8 8学时学时 2 考试考试 2 2学时学时 3 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义 2 2 2. 2. 教学参考书：教学参考书： (1) (1) 徐维忠，耐火材料，冶金工业出版社，徐维忠，耐火材料，冶金工业出版社， 1992 1992 (2) (2) 王维邦，耐火材料工艺学，冶金工业出版社，王维邦，耐火材料工艺学，冶金工业出版社， 19941994 (3) (3) 许小海等，许小海等， 耐火材料
2、技术手册，冶金工业出版社，耐火材料技术手册，冶金工业出版社，20002000 (4) (4) 韩昭沧韩昭沧 ，燃料及燃烧，冶金工业出版社，燃料及燃烧，冶金工业出版社，19941994 (5) (5) 顾恒祥顾恒祥 ，燃料与燃烧，西北工业大学出版社，燃料与燃烧，西北工业大学出版社 ，19931993 (6) (6) 常弘哲，燃料及燃烧，上海交通大学出版社常弘哲，燃料及燃烧，上海交通大学出版社 ，19931993 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义 3 3 第1章 概论 耐火材料的定义： 耐火材料是耐火度不低于1580的无机非金属材料和制 品。 耐火度是指材料在高温作用下达到特定软化程度
3、时的温 度，它标志着材料抵抗高温作用的性能。通常将使用温度在 1000以上的工业窑炉用材料也看作是耐火材料。 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义 4 4 耐火材料及其研究的发展史 冶炼技术的发冶炼技术的发 展展 青铜器时代青铜器时代 (BC3500)(BC3500) 19241924 BowenBowen和和 GreigGreig发表发表 AlAl 2 2 OO 3 3 -SiO-SiO 2 2 二元相图。二元相图。 1920s1920s 高温高温X-X-射线射线 衍射仪的发明衍射仪的发明 1930s1930s 相继出现了相继出现了 FeO-AlFeO-Al 2 2 OO 3 3 、
4、 MgO-AlMgO-Al 2 2 OO 3 3 -SiO-SiO 2 2 FeO-Al2OFeO-Al2O 3 3 -SiO-SiO 2 2 相图相图 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义 5 5 耐火材料材质的变迁 AlAl 2 2 OO 3 3 -SiO-SiO 2 2 耐火粘土 硅砖 1930-40s1930-40s 1950s1950s MgO-CaOMgO-CaO 1960s1960s AlAl 2 2 OO 3 3 -SiO-SiO 2 2 -ZrO-ZrO 2 2 1970s1970s 熔铸制品 MgO-CrMgO-Cr 2 2 OO 3 3 镁铬砖 白云石砖 1980
5、s1980s (MgO,Al(MgO,Al 2 2 OO 3 3)- )- C-(Al, SiC,B4C) C-(Al, SiC,B4C) 含碳耐火材料 Metal-O-C-NMetal-O-C-N 现在现在 复合材料 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义 6 6 国内外耐火材料发展现状 进入新世纪以来，耐火材料生产能力严重过剩的局面愈显突出。近3 年来，中国耐火材料的年总产量逾1000万吨，且稳中有升，约占世界总 量的一半。与日、美、欧洲等国相比，可谓“风景这边独好”。主要是 我国的资源优势、劳动力优势和经济建设强劲的内需(如西部开发、西气 东输、西电东输、南水北调等)拉动所致。例如
6、我国钢产量从1996年首次 突破1亿吨以来，稳居世界第一且一直攀升，2003年将超过2亿吨，并且 可望在今后几年仍会继续增长。水泥、有色、玻璃、陶瓷、石化等工业 也都在以前所未有的速度发展。 其次是近年来我国耐火材料的出口也在加大步伐。2002年耐火制品 出口达64万吨，而耐火原料出口每年保持在300-400万吨。 1.生产概况 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义 7 7 2.目前全球耐火材料工业总体形势 (1) 总体供大于求，局部供不应求 (2) 全球化的理念增强 (3) 兼并重组形成新的格局 (4) 技术进步和创新的步伐加快，能力增强 越来越多的新型的、高性能的人工合成原料被开发
7、出来，为高性能 耐材的研制和应用奠定了基础。 不定形耐火材料在整个耐火材料中所占的比例增加。以日本为最盛 ，其不定形耐材产量占整个耐材的比例目前超过60%，在钢铁工业用耐 材中不定形耐材占70%以上。 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义 8 8 氧化物和非氧化物复合的耐火材料增多。继20世纪70年代将石墨 引入耐材而刮起一股“黑旋风”以来，近年又出现了含塞隆（Sialon ）、阿隆（Alon）、金属相的复合型耐材。 新的成型和烧成工艺。如用浇注料制成各种预制件，氮化反应烧 成等。 简单化、机械化、高效化的新型筑衬施工方法。如自流浇注、喷 涂、湿式喷射、预制件的采用等。 功能型、环保型
8、耐火材料增多。不少耐材不但能耐高温，还具有 诸如透气、防堵塞、净化钢水等功能。含铬、沥青或其它有害挥发分 的耐材正在被取代。 先进的生产和施工设备。如高吨位等静压机、造粒设备、高温窑 、高效搅拌机、泵送和喷射设备等。 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义 9 9 1.1 耐火材料的分类 1.1.1 按化学矿物组成分类 (1) 氧化硅质耐火材料 这是以SiO2为主要成分的耐火材料，主要的品种有各种硅砖和石 英玻璃制品。 (2) 硅酸铝质耐火材料 这是以Al2O3和SiO2为基本化学组成的耐火材料。根据制品中Al2O3 和SiO2含量分为三类：半硅质耐火材料、粘土质耐火材料和高铝质耐 火材
9、料。 (3) 镁质耐火材料 这是以MgO为主要成分和以方镁石为主要矿物构成的耐火材料， 依其次要的化学和矿物组成的不同有以下品种：镁砖、镁铝砖、镁硅 砖、镁钙砖、镁铬砖、镁碳砖和镁白云石砖。此外，还有冶金镁砂。 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义1010 (4) 白云石质耐火材料 这是一类以氧化钙(40-60%)和氧化镁(30-42%)为主要成分的耐火 材料。其主要品种有：焦油白云石砖、烧成油浸白云石砖、烧成油浸 半稳定性白云石砖、烧成稳定性白云石砖、轻烧油浸白云石砖和冶金 白云石砂。 (5) 橄榄石质耐火材料 这是一种含MgO35-62%， MgO/SiO2重量比波动于0.95-2
10、.00，由镁 橄榄石为主要矿物组成的耐火材料。 (6) 尖晶石质耐火材料 这是一类主要由尖晶石组成的耐火材料。主要品种有由铬尖晶石 构成的铬质制品(Cr2O330%)，由铬尖晶石、方镁石构成的铬镁质制品 (含Cr2O318-30%，MgO25-55%)和由镁铝尖晶石构成的制品。 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义1111 (7) 含碳质耐火材料 这类材料中均含有一定数量的碳或碳化物。主要品种有由无定形 碳构成的炭砖或炭块；由石墨构成的石墨制品；由碳化硅构成的碳化 硅制品；由碳纤维及碳纤维与树脂或其他碳素材料复合为整体构成的 材料。 (8) 含锆质耐火材料 这类材料中均含有一定数量的氧
11、化锆。常用的品种有以锆英石为 主要成分的锆英石质制品；以氧化锆和刚玉或莫来石构成的锆刚玉和 锆莫来石制品，以及以氧化锆为主要组成的纯氧化锆制品。 (9) 特殊耐火材料 这是一类由较纯的难熔的氧化物、碳化物、硅化物和硼化物以及 金属陶瓷构成的耐火材料。 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义1212 1.1.2 按耐火材料的制造方法分类 (1) 根据其成型特点分为块状制品和不定形材料。 (2) 依热处理方式不同分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品。 (1) 依其耐火度的高低分类 普通耐火制品，耐火度1580-1770C； 高级耐火制品，耐火度1770-2000C； 特级耐火制品，耐火度2000
12、C以上。 (2) 依其化学性质可分类 酸性耐火材料、中性耐火材料和碱性耐火材料。 (3) 依其密度或导热性分类 重质耐火材料、轻质耐火材料或隔热耐火材料 1.1.3 按制品性质分类 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义1313 标准砖、异型砖、特异型砖、管、耐火器皿等 1.1.4 按制品形状和尺寸分类 1.1.5 按应用分类 焦炉用耐火材料、高炉用耐火材料、炼钢炉用耐火材料、 连铸用耐火材料、有色金属冶炼用耐火材料、水泥窑用耐 火材科、玻璃窑用耐火材料等 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义1414 1.2 1.2 耐火材料的一般生产过程耐火材料的一般生产过程 耐火材料的品种和
13、质量取决于耐火材料的原料和其 生产工艺。在原料确定的情况下，耐火材料的生产工艺 方法与制度是否正确与合理，所得耐火制品的质量差别 可能极大。耐火材料的特定性能的控制，必须通过特定 的工艺手段来实现 。 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义1515 图1-1 耐火材料生产过程示意图 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义1616 原料的质量是耐火材料质量的基本保证。要发展优质高效的耐火制 品，必须有纯净的质量均一和性质稳定的原料。因此，选取适宜作为耐 火材料原料的天然矿石、开采后必须再经过加工。 原料的加工主要包括原料的精选提纯(或均化、合成)；原料的干燥 和煅烧；原料的破粉碎和分
14、级。 (1) 原料的精选提纯和均化 为了提高原料纯度，一般需经拣选或冲洗，剔除杂质。有的还需采 用适当选矿方法进行精选提纯。有的原料中成分不均，需要均化。有的 在精选后还可引入适量有益加入物。高性能的复合原料需采用人工合成 方法。 1.2.1 原料的加工 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义1717 (2) 原料的煅烧 为了保证原料的高温体积稳定性、化学稳定性和高强度，多数天然 原料和合成原料需经高温煅烧制成熟料或经熔融制成熔块。熟料煅烧温 度一般多控制在使其达到烧结致密化的范围内。对主晶相为氧化物的原 料，烧结温度Ts约为其熔点Tm的0.7-0.9倍，即Ts（0.7-0.9）Tm，多
15、高 于制品的烧成温度。更高于制品的使用温度。熟料煅烧一般在竖窑或回 转窑中进行。 有的原料，如软质耐火粘土作为粘合剂，虽不经煅烧但若含水过多 ，应经干操，以便破碎和分级。 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义1818 (3) 原料的破粉碎和分级 原料破粉碎的目的是制成不同位级的颗粒及细粉，以便于调整成分 ，进行级配，使多组分间混合均匀，便于相互反应，并获得致密的或具 有一定粒状结构的制品坯体。一般先将颗粒破碎到极限粒径40-50mm(粗 碎)；再将颗粒破碎到极限粒径4-5mm(中碎)，然后细碎。细磨是将颗粒 破碎到小于0.088mm以下的细粉。生产普通耐火制品所用的颗粒料皆为 中碎以后所获得的产品。 经破粉碎后的颗粒状产品，需依粒度粗细分级，以便合理配料。通 常多以筛分方法将颗粒分级。对粉状料常以风选法分级。 耐火材料与燃料燃烧讲义耐火材料与燃料燃烧讲义1919 1.2.2 配 料 耐火材料的配料是将各种不同品种、组分和性质的原料以及将各级 粒度的熟料颗粒按一定比例进行配合的工艺。 各种原料的配合是为了获得一定性质的制品。粒度的配合是为了获 得最紧密堆集的或特定粒状结构的坯体。 （1）各种原料的配合 各种原料的配合依材料的品种和性质的要求而定，不同制品各有特 点。对烧结制品、不烧制品和不定形耐火材料，各种颗粒的熟料或其他 瘠性料与各种
