2022年耐火材料工藝學

1、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-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(zhì)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：

2、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

3、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(service life)要高。上個世紀8

4、0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，日本九洲耐火材料公司渡邊明等人研制成功鎂碳磚，在多國申報專利；鎂碳磚最先用于電爐電極的熱點部位；1978年用于轉爐底吹轉爐供氣嘴，1979年用于轉爐的各個部位。 1980前后年開始研究含碳耐火材料，且列入國家“七五”(19851989)科技攻關項目。 1987年912月在鞍鋼三煉鋼廠轉爐上試用鎂碳磚后，僅用一年時間就超額完成了“七五”轉爐爐齡達千次的攻關目標。 上世紀80年代后期，在全國各大中小鋼廠普遍推廣使用MgO-C質(zhì)耐火材料作為轉爐和電爐的爐襯。 （3）地位 碳復合耐火材料

5、是目前鋼鐵冶金工業(yè)中應用最廣泛的一種耐火材料，圖示說明。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流槽 高爐出鐵口組成高爐出鐵口Al2O3-SiC-C質(zhì)炮泥Ironmakingtorpedo ladle（魚雷罐）煉鐵魚雷罐(運送鐵水、鐵水預處理脫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)鐵水

6、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)襯吹氣時的流動狀態(tài)氣體空間渣層金屬液內(nèi)襯全部是碳復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，高碳導電爐底磚（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(zhì)長水口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、口雙板滑動式水口工作示意中間包底滑板執(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：鎂碳磚 包襯：鋁鎂碳磚鋼包結構示意圖鋼包(盛鋼桶)內(nèi)襯耐火材料出完鋼后的鋼包渣線鋼水作用區(qū)精煉爐鋼包碳復合耐火材料的種類 煉鐵系統(tǒng)（高爐炮泥、鐵溝、渣線、魚雷罐等）： Al2O3-SiC-C、Al2O3-MgO-C系列 煉鋼系統(tǒng)（轉爐、電爐）： MgO-C、MgO-CaO-C系列 連鑄系統(tǒng)（鋼包、鋼包滑板、水口、長水口、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，符號為C。 “炭” 是碳，且以無定形碳為主的人造物質(zhì)(artifact, non-natural )。 炭的化學成分主要是碳，且其中的碳以無定形(非晶)結構存在。 “碳”與“炭”的關系： 炭=無定形碳+雜質(zhì)。實際應用時重點看是不是無定形碳，從而確定該用何字。三維結構（5） 石墨的特性及含碳耐火材料的優(yōu)點 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）。 天然石墨類型 致密結晶狀石墨 （塊狀）:結晶明顯,晶體肉眼可見，直徑0.1毫米 ，品位高，含碳量為6065%，有時達8098%。 鱗片石墨，呈鱗片狀，有大鱗片和細鱗片之分。品位1025%之間。可浮性好。 隱晶質(zhì)石

9、墨（土狀石墨）。晶體直徑1微米，特點是表面呈土狀，缺乏光澤，潤滑性差。品位較高。一般的6085%。少數(shù)高達90%以上。石墨外觀 是以石油焦、瀝青焦等為主要原料，以瀝青為結合劑，壓制成型后，經(jīng)25003000高溫非氧化氣氛下進行石墨化處理而得。 特點：含碳量高（99以上），灰分少（不超過0.5），但其結晶程度不如天然鱗片狀石墨，且生產(chǎn)工藝復雜。 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）。人造石墨石墨結構示意圖 石墨（Graphite）的基本性質(zhì) 真空中熔點為3850,揮發(fā)點為4250；低壓下升華溫度:2200 ,其強度隨溫度的升高而增加。 六角網(wǎng)狀平面上的每個碳原子與周圍碳原子

10、形成三個共價鍵,另一個電子在該平面上自由移動,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熱和導電性。 石墨具有各向異性,宏觀膨脹系數(shù)不大;在溫度驟變時其體積變化小,同時具有良好的導熱性能,因而石墨抗熱震性能優(yōu)良。耐高溫性能好；導熱、導電性好；特殊的抗熱震性能；潤滑性，石墨層間結合力弱,使之具有潤滑性;鱗片越大,潤滑性越好。石墨在常溫下具有很好的化學穩(wěn)定性,不受任何強酸強堿及有機溶劑的侵蝕.良好的化學穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。但石墨在空氣中易氧化，用于碳復合耐火材料時應該采取必要的防氧化措施。石墨結構 石墨的性質(zhì)（1）對爐渣的不濕潤性（ non-wetting for

11、 slag ）（2）高的導熱性（ 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的特性抗渣性熱震穩(wěn)定性濕潤角與潤濕性的關系接觸角或潤濕角? 碳復合耐火材料既可以保持原耐火材料的特點，又能發(fā)揮復合后的新特性，可根據(jù)需要進行設計，取長補短，最大限度地達到使用要求的性能。 如MgO-C磚利用了鎂砂的抗堿性渣侵蝕能力強和碳的高導熱性及低膨脹性，補償了堿性制品抗剝落性差的最大缺點。 (6)碳復合耐火材料的特點及優(yōu)點具有高的熱震穩(wěn)定性；良好的抗熔渣和鋼水的侵蝕性使用壽命長 （7）碳復合耐火材料使用現(xiàn)狀 所有的電爐、轉爐爐襯材料均為含碳耐火材料； 使用壽命大多在一萬爐以上，通過采用濺渣護爐技術后,武鋼、濟鋼等鋼廠的爐襯壽命均超過三萬爐次。但噸鋼耐材消耗還有待努力降低!煉鋼現(xiàn)場(8) 目前含碳耐火材料急需解決的問題石墨的高導熱熱損失大,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、什么叫碳復合耐火材料(含碳耐火材料)？2、含碳復合耐火材料(碳復合耐火材料)與傳統(tǒng)耐火材料相比，突出的優(yōu)點是什么？為什么？3、在高溫及