耐火材料工艺学－绪论

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1、,耐火材料工艺学,耐火材料工艺学,Processes of Refractory,安徽工业大学材料科学与工程学院 冒爱琴 mail：,2019/2/14,材料科学与工程学院,2,理论课与实践课教学内容,一、课程在本专业的定位与课程目标,2019/2/14,材料科学与工程学院,3,二、知识模块顺序及对应的学时,“耐火材料工艺学”主要涉及耐火材料的化学矿物组成及生产工艺与性能、显微结构及其损毁之间的关系。Al2O3-SiO2系耐火材料和碱性耐火材料是耐火材料中两大主要部分，随着冶炼技术的进步，这部分耐火材料无论在产品结构上，还是在产品性能上都发生了较大变化。近年，洁净钢需求不断增长，炉外精炼技术大

2、量采用，对耐火材料提出更高要求，耐火材料不但要长寿，还要不能污染钢水，甚至能净化钢水。因此，国内外开展了对非氧化物、纯氧化物材料及其复合材料和组织结构等特种耐火材料方面的研究。耐火材料的应用除大量使用在钢铁工业外，还有有色冶金工业、轻工、建材、化工、军工等。因此，本课程教学在内容和课时分配上安排如下：,2019/2/14,材料科学与工程学院,4,三、课程的重点、难点及解决办法,课程的重点主要为定型耐火材料的性能、加工及碳复合耐火材料生产工艺及其相关性能的检测教学实验，课程的难点主要为耐火材料组成、结构、性能与应用之间的关系。,2019/2/14,材料科学与工程学院,5,耐火材料是冶金、建材、化

3、工、机械等工业高温窑炉及物件的重要基础材料。了解它们的性能及选用合适的耐火材料对于生产控制及降低成本有重要的意义。本课程介绍常用耐火材料的基本性能，应用范围以及易懂的生产工艺与原料知识。 这门课程是从事耐火材料生产、研究、应用和贸易的人员的必修之课，其重要性不言而喻。,2019/2/14,材料科学与工程学院,6,绪 论,2019/2/14,材料科学与工程学院,7,一、耐火材料的定义,1、传统的定义：耐火度不小于1580的 无机非金属材料； 2、ISO的定义：耐火度不小于1500的 无机非金属材料及制品。,2019/2/14,材料科学与工程学院,8,二、耐火材料所用原料,天然矿石原料：如耐火粘土

4、、硅石、矾土、菱镁矿、白云石、石墨、锆英石、蓝晶石、红柱石、硅线石等。 人工合成原料：如工业氧化铝、碳化硅、氮化硅、莫来石、合成堇青石(M2A2S5)、镁铝尖晶石(MA)、ZrO2等。,2019/2/14,材料科学与工程学院,9,三、耐火材料的分类,1、按化学矿物组成分,此种分类法能够很直接地表征各种耐火材料的基本组成和特性，在生产、使用、科研上是常见的分类法，具有较强的实际应用意义。,2019/2/14,材料科学与工程学院,10,（1）硅质耐火材料 含SiO2在90%以上的材料通常称为硅质耐火材料，主要包括硅砖及熔融石英制品。硅砖以硅石为主要原料生产，其SiO2含量一般不低于93%，主要矿物

5、组成为磷石英和方石英。,2019/2/14,材料科学与工程学院,11,（2）镁质耐火材料 镁质耐火材料是指以镁砂为主要原料，以方镁石为主晶相，MgO含量大于80%的碱性耐火材料。 镁质制品： MgO含量87%，主要矿物为方镁石； 镁铝质制品：含MgO 75%，Al2O3含量一般为7-8%，主要矿物成分为方镁石和镁铝尖晶石（MgAl2O4）； 镁铬质制品：含MgO60% ，Cr2O3含量一般在20%以下，主要矿物成分为方镁石和铬尖晶石;,2019/2/14,材料科学与工程学院,12,镁橄榄石质及镁硅质制品：此种镁质材料中除含有主成分MgO外，第二化学成分为SiO2。镁橄榄石砖比镁硅砖含有更多的S

6、iO2，前者的主要矿物成分为镁橄榄石，其次为方镁石；后者的主要矿物为方镁石，其次镁橄榄石； 镁钙质制品：此种镁质材料中含有一定量的 CaO,主要矿物成分除方镁石外还含有一定量的硅酸二钙（2 CaOSiO2）。,2019/2/14,材料科学与工程学院,13,（3）白云石质耐火材料 以天然白云石为主要原料生产的碱性耐火材料称为白云石质耐火材料。主要化学成分为：30-42%的MgO和40-60%的CaO，二者之和一般应大于90%。其主要矿物成分为方镁石和方钙石（氧化钙）。,2019/2/14,材料科学与工程学院,14,（4）碳复合耐火材料 碳复合耐火材料是指以不同形态的碳素材料与相应的耐火氧化物复合

7、生产的耐火材料。,（5）含锆耐火材料 含锆耐火材料是指以氧化锆（ZrO2）、锆英石等含锆材料为原料生产的耐火材料。含锆耐火材料制品通常包括锆英石制品、锆莫来石制品、锆刚玉制品等。,2019/2/14,材料科学与工程学院,15,（6）特种耐火材料 特种耐火材料又可分为如下品种： 碳质制品：包括碳砖和石墨制品； 纯氧化物制品：包括氧化铝制品、氧化锆制 品、氧化钙制品等； 非氧化物制品：包括碳化硅、碳化硼、氮化 硅、氮化硼、硼化锆、硼化 钛、塞伦(Sialon）、阿伦(Alon) 制品等。,2019/2/14,材料科学与工程学院,16,2019/2/14,材料科学与工程学院,17,2019/2/14

8、,材料科学与工程学院,18,通常是指其中含有相当数量二氧化硅的耐火材料。 硅质耐火材料中游离二氧化硅含量很高(大于94%)，是酸性最强的耐火材料； 粘土质耐火材料中游离二氧化硅含量较少，是弱酸性的； 半硅质耐火材料居于期间。也有将锆英石质耐火材料和碳化硅质耐火材料归入酸性耐火材料的，因为此类材料中含有较高的SiO2或在高温状态下能形成SiO2。,2、按化学特性分,（1）酸性耐火材料,2019/2/14,材料科学与工程学院,19,（2）中性耐火材料 中性耐火材料按严格意义讲是指碳质耐火材料。但通常也将以三价氧化物为主体的高铝质、刚玉质、锆刚玉质、铬质耐火材料归入中性耐火材料（两性氧化物如Al2O

9、3、Cr2O3等）。 此类耐火材料在高温状况下对酸、碱性介质的化学侵蚀都具有一定的稳定性，尤其对弱酸、弱碱的侵蚀具有较好的抵抗能力。,2019/2/14,材料科学与工程学院,20,（3）碱性耐火材料 一般是指以MgO、CaO或以MgOCaO为主要成分的耐火材料（镁质、石灰质、镁铬质、镁硅质、白云石质耐火制品及其不定形材料）。 这类耐火材料的耐火度都比较高，对碱性介质的化学侵蚀具有较强的抵抗能力。,2019/2/14,材料科学与工程学院,21,3、根据耐火度的高低 普通耐火材料：15801770 高级耐火材料：17702000 特级耐火材料：2000 4、依据形状及尺寸的不同 标普型：230mm

10、113mm65mm；不多于4个 量 尺，（尺寸比）Max:Min4:1； 异 型：不多于2个凹角，（尺寸比） Max:Min6:1；或有一个5070的锐角； 特异型：（尺寸比） Max:Min8:1；或不多于4 个凹角；或有一个3050的锐角。,2019/2/14,材料科学与工程学院,22,5、按成型与否分 定性耐火材料，具有一定的形状。 不定性耐火材料，也称散状耐火材料，在现场按照具体要求施工成一定形状的耐火材料。,2019/2/14,材料科学与工程学院,23,烧成砖：经过高温烧成。 不烧砖：不经过高温烧成，仅经过干燥或 热处理得到的定性耐火制品。 熔铸砖：将配好的原料通过高温熔融，然 后浇

11、铸、退火得到的定性耐火制 品。,6、按烧制方法分,2019/2/14,材料科学与工程学院,24,特致密制品，显气孔率低于3%； 高致密制品，显气孔率为3%10%； 致密制品，显气孔率为10%16%； 烧结制品，显气孔率为16%20%； 普通制品，显气孔率为20%30%； 轻质制品，显气孔率为45%85%； 超级轻质制品，显气孔率高于85%。,7、按气孔率分（7类）,2019/2/14,材料科学与工程学院,25,四、耐火材料的特点,1耐火原料品种多； 2耐火材料的产品多；表现在配方多。 3耐火材料的寿命与使用条件关系密切。一个配 方在钢铁工业和水泥工业或化学工业使用不 同；另外还表现在同一种耐火

12、材料在一个厂家 使用与在另一个厂家使用的效果也不一样。,2019/2/14,材料科学与工程学院,26,五、耐火材料的历史与发展,郭沫若曾说过“自从旧石器时代以来陶瓷出现5000年历史，中国文明史即为陶瓷发展史”。陶瓷的烧制离不开耐火材料，如装瓷器用的匣钵和砌筑窑体材料。 耐火材料自从19世纪开始随着钢铁工业、有色金属工业、水泥与石灰工业、玻璃工业及化工工业的发展而发展。,2019/2/14,材料科学与工程学院,27,据世界金属导报2001年11月27日报道：全世界约有2000多家耐火材料公司，年生产能力约4000万吨，全球耐火材料市场为22002500万吨，总价值约为1000亿美元。具体应用范

13、围：钢铁工业占70%，水泥与石灰工业占7%，陶瓷工业占6%，玻璃工业占34%，石化工业占4%，有色金属工业占23%，其他6%。 2000年全世界范围年销售额在1亿美元以上的耐火材料公司20强中，排名第一的是奥地利的RHI公司，年销售额达16亿美元。,2019/2/14,材料科学与工程学院,28,在发达国家：耐火材料的生产产量下降，平均价格在上升，如表1：,表1美国与日本耐火材料的生产情况,2019/2/14,材料科学与工程学院,29,我国耐火材料的发展状况,在我国，解放前耐火材料的年产量仅为7.4万吨，产品单一，只能生产粘土砖和硅砖，生产简陋，多为手工作坊式。 新中国成立后，特别大炼钢铁时代，

14、耐火材料有了一次飞跃，各大钢厂都建立了配套的耐火厂。1957年开始第一个五年计划，投资近亿元改造了一批砖瓦厂是之成为耐火厂，改造扩建鞍钢、唐钢、大石桥等一批耐火厂，此时年产量达到101.4万吨。“二五”期间，投资近4亿元，“三五”“四五”又投资了3.6亿元建立了一批新的耐火厂；到1980年 “五五”结束，年产量达到414.7万吨。,国内耐火企业的发展历程,2019/2/14,材料科学与工程学院,30,“六五”以来，以宝钢、金川有色冶金和大型合成氮化肥、大型水泥回转窑等国家重点引进工程的建设与投产，国家以耐火材料国产化为契机，投资近10亿元改造了一批耐火厂如：青岛耐火材料厂1个多亿的“连铸三大件

15、塞棒、长水口、侵入式水口”；上海第二耐火材料厂1.5亿左右的滑板生产线。引进国外的先进技术和设备，使我国耐火材料工业取得了前所未有的长足发展。,2019/2/14,材料科学与工程学院,31,1）计划经济时代中国耐火材料由33家重点企业 扶持； 2）改革开放以后，随着钢铁工业的迅速发展，耐 火材料行业快速发展起来； 2004年统计，全国 有1136家耐火材料生产企业 2005年统计，全国 有1359家耐火材料生产企业 2006年统计，全国 有1505家耐火材料生产企业,中国耐火材料工业的现状与发展,2019/2/14,材料科学与工程学院,32,中国耐火材料产量如下表所示,连铸比的提高和冶炼技术的

16、进步导致吨钢耐火材料消耗下降；另一方面，钢产量增加；使得2002年以后中国耐火材料产量呈上升趋势。 2002年、2004年和2006年，中国粗钢产量分别为：1.8、2.8和4.1亿吨；,2019/2/14,材料科学与工程学院,33,存在的问题和今后的发展,钢铁工业的竞争日趋激烈，耐火材料生产厂家面临更大的 成本压力；,中国耐火材料企业的研发力量有待加强。不能仅仅作为 一个加工基地；,应注意可持续发展战略。如：矿山的管理、耐火材料的 回收利用、环境友好耐火材料的使用；,洁净钢的生产对耐火材料提出了更高的要求，除了要求 长寿以外，还要求对钢水无污染；,2019/2/14,材料科学与工程学院,34,出口情况：,耐火原料： 我国已成为世界耐火原料市场的主要供应国。在出口的原料中，矾土熟料占60%；鳞片石墨占56.7% ；砂占30%； 2001年19月：出