耐火材料工藝學(xué)-緒論 -

耐火材料工藝學(xué)耐火材料工藝學(xué)ProcessesofRefractory2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院2理論課與實(shí)踐課教學(xué)內(nèi)容一、課程在本專業(yè)的定位與課程目標(biāo)

“耐火材料工藝學(xué)”長期以來一直是本專業(yè)本科學(xué)生必修的專業(yè)主干課程之一。要求學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握耐火材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備、性能、應(yīng)用之間關(guān)系的基本規(guī)律，并接受耐火材料的制備、性能測試和結(jié)構(gòu)分析等基本技能的實(shí)踐訓(xùn)練，對國內(nèi)外耐火材料科學(xué)研究的前沿有一定的認(rèn)識，為將來在本領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)運(yùn)行、工程設(shè)計(jì)及經(jīng)營管理等工作打下良好的基礎(chǔ)。

2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院3二、知識模塊順序及對應(yīng)的學(xué)時

“耐火材料工藝學(xué)”主要涉及耐火材料的化學(xué)礦物組成及生產(chǎn)工藝與性能、顯微結(jié)構(gòu)及其損毀之間的關(guān)系。Al2O3-SiO2系耐火材料和堿性耐火材料是耐火材料中兩大主要部分，隨著冶煉技術(shù)的進(jìn)步，這部分耐火材料無論在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，還是在產(chǎn)品性能上都發(fā)生了較大變化。近年，潔凈鋼需求不斷增長，爐外精煉技術(shù)大量采用，對耐火材料提出更高要求，耐火材料不但要長壽，還要不能污染鋼水，甚至能凈化鋼水。因此，國內(nèi)外開展了對非氧化物、純氧化物材料及其復(fù)合材料和組織結(jié)構(gòu)等特種耐火材料方面的研究。耐火材料的應(yīng)用除大量使用在鋼鐵工業(yè)外，還有有色冶金工業(yè)、輕工、建材、化工、軍工等。因此，本課程教學(xué)在內(nèi)容和課時分配上安排如下：2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院4三、課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)及解決辦法

課程的重點(diǎn)主要為定型耐火材料的性能、加工及碳復(fù)合耐火材料生產(chǎn)工藝及其相關(guān)性能的檢測教學(xué)實(shí)驗(yàn)，課程的難點(diǎn)主要為耐火材料組成、結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用之間的關(guān)系。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院5

耐火材料是冶金、建材、化工、機(jī)械等工業(yè)高溫窯爐及物件的重要基礎(chǔ)材料。了解它們的性能及選用合適的耐火材料對于生產(chǎn)控制及降低成本有重要的意義。本課程介紹常用耐火材料的基本性能，應(yīng)用范圍以及易懂的生產(chǎn)工藝與原料知識。

這門課程是從事耐火材料生產(chǎn)、研究、應(yīng)用和貿(mào)易的人員的必修之課，其重要性不言而喻。

2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院6緒論耐火材料定義耐火材料的原料耐火材料的分類耐火材料的特點(diǎn)寶鋼耐火材料的應(yīng)用耐火材料的歷史與發(fā)展2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院7一、耐火材料的定義1、傳統(tǒng)的定義：耐火度不小于1580℃的無機(jī)非金屬材料；2、ISO的定義：耐火度不小于1500℃的無機(jī)非金屬材料及制品。

2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院8三、耐火材料的分類1、按化學(xué)礦物組成分

此種分類法能夠很直接地表征各種耐火材料的基本組成和特性，在生產(chǎn)、使用、科研上是常見的分類法，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院9（1）硅質(zhì)耐火材料

含SiO2在90%以上的材料通常稱為硅質(zhì)耐火材料，主要包括硅磚及熔融石英制品。硅磚以硅石為主要原料生產(chǎn)，其SiO2含量一般不低于93%，主要礦物組成為磷石英和方石英。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院10（2）鎂質(zhì)耐火材料

鎂質(zhì)耐火材料是指以鎂砂為主要原料，以方鎂石為主晶相，MgO含量大于80%的堿性耐火材料。

鎂質(zhì)制品：MgO含量≥87%，主要礦物為方鎂石；

鎂鋁質(zhì)制品：含MgO>75%，Al2O3含量一般為7-8%，主要礦物成分為方鎂石和鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）；

鎂鉻質(zhì)制品：含MgO>60%，Cr2O3含量一般在20%以下，主要礦物成分為方鎂石和鉻尖晶石;

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鎂橄欖石質(zhì)及鎂硅質(zhì)制品：此種鎂質(zhì)材料中除含有主成分MgO外，第二化學(xué)成分為SiO2。鎂橄欖石磚比鎂硅磚含有更多的SiO2，前者的主要礦物成分為鎂橄欖石，其次為方鎂石；后者的主要礦物為方鎂石，其次鎂橄欖石；鎂鈣質(zhì)制品：此種鎂質(zhì)材料中含有一定量的CaO,主要礦物成分除方鎂石外還含有一定量的硅酸二鈣（2CaO?SiO2）。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院12（3）白云石質(zhì)耐火材料

以天然白云石為主要原料生產(chǎn)的堿性耐火材料稱為白云石質(zhì)耐火材料。主要化學(xué)成分為：30-42%的MgO和40-60%的CaO，二者之和一般應(yīng)大于90%。其主要礦物成分為方鎂石和方鈣石（氧化鈣）。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院13（4）碳復(fù)合耐火材料碳復(fù)合耐火材料是指以不同形態(tài)的碳素材料與相應(yīng)的耐火氧化物復(fù)合生產(chǎn)的耐火材料。

（5）含鋯耐火材料含鋯耐火材料是指以氧化鋯（ZrO2）、鋯英石等含鋯材料為原料生產(chǎn)的耐火材料。含鋯耐火材料制品通常包括鋯英石制品、鋯莫來石制品、鋯剛玉制品等。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院14（6）特種耐火材料特種耐火材料又可分為如下品種：碳質(zhì)制品：包括碳磚和石墨制品；純氧化物制品：包括氧化鋁制品、氧化鋯制品、氧化鈣制品等；非氧化物制品：包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化鋯、硼化鈦、塞倫(Sialon）、阿倫(Alon)

制品等。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院15

分類

類別主要化學(xué)成分主要礦物成分硅質(zhì)制品硅磚石英玻璃SiO2SiO2磷石英、方石英石英玻璃硅酸鋁質(zhì)制品半硅磚粘土磚高鋁磚SiO2、Al2O3SiO2、Al2O3SiO2、Al2O3莫來石、方石英莫來石、方石英莫來石、剛玉鎂質(zhì)制品鎂磚（方鎂石磚）鎂鋁磚鎂鉻磚鎂橄欖石磚鎂硅磚鎂鈣磚鎂白云石磚鎂碳磚MgOMgO、Al2O3MgO、Cr2O3MgO、SiO2MgO、SiO2MgO、CaOMgO、CaOMgO、C方鎂石方鎂石、鎂鋁尖晶石方鎂石、鎂鉻尖晶石鎂橄欖石、方鎂石方鎂石、鎂橄欖石方鎂石、硅酸二鈣方鎂石、氧化鈣方鎂石、無定形碳（或石墨）2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院16

分類

類別主要化學(xué)成分主要礦物成分白云石質(zhì)制品白云石磚CaO、MgO氧化鈣、方鎂石鉻質(zhì)制品鉻磚鉻鎂磚Cr2O3、Fe2O3Cr2O3、MgO鉻鐵礦鎂鉻尖晶石、方鎂石碳質(zhì)制品碳磚石墨制品碳化硅制品CCSiC無定形碳（或石墨）石墨碳化硅鋯質(zhì)制品鋯英石磚ZrO2、SiO2鋯英石特殊制品純氧化物制品Al2O3、ZrO2、MgO、CaO剛玉、高溫型ZrO2、方鎂石、氧化鈣碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、金屬陶瓷等2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院17

通常是指其中含有相當(dāng)數(shù)量二氧化硅的耐火材料。

硅質(zhì)耐火材料中游離二氧化硅含量很高(大于94%)，是酸性最強(qiáng)的耐火材料；

粘土質(zhì)耐火材料中游離二氧化硅含量較少，是弱酸性的；

半硅質(zhì)耐火材料居于期間。也有將鋯英石質(zhì)耐火材料和碳化硅質(zhì)耐火材料歸入酸性耐火材料的，因?yàn)榇祟惒牧现泻休^高的SiO2或在高溫狀態(tài)下能形成SiO2。2、按化學(xué)特性分（1）酸性耐火材料

2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院18（2）中性耐火材料

中性耐火材料按嚴(yán)格意義講是指碳質(zhì)耐火材料。但通常也將以三價氧化物為主體的高鋁質(zhì)、剛玉質(zhì)、鋯剛玉質(zhì)、鉻質(zhì)耐火材料歸入中性耐火材料（兩性氧化物如Al2O3、Cr2O3等）。此類耐火材料在高溫狀況下對酸、堿性介質(zhì)的化學(xué)侵蝕都具有一定的穩(wěn)定性，尤其對弱酸、弱堿的侵蝕具有較好的抵抗能力。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院19（3）堿性耐火材料

一般是指以MgO、CaO或以MgO·CaO為主要成分的耐火材料（鎂質(zhì)、石灰質(zhì)、鎂鉻質(zhì)、鎂硅質(zhì)、白云石質(zhì)耐火制品及其不定形材料）。這類耐火材料的耐火度都比較高，對堿性介質(zhì)的化學(xué)侵蝕具有較強(qiáng)的抵抗能力。

2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院203、根據(jù)耐火度的高低

普通耐火材料：1580～1770℃

高級耐火材料：1770～2000℃

特級耐火材料：>2000℃4、依據(jù)形狀及尺寸的不同

標(biāo)普型：230mm×113mm×65mm；不多于4個量尺，（尺寸比）Max:Min<4:1；

異型：不多于2個凹角，（尺寸比）

Max:Min<6:1；或有一個50～70°的銳角；

特異型：（尺寸比）Max:Min<8:1；或不多于4

個凹角；或有一個30～50°的銳角。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院215、按成型與否分

定性耐火材料，具有一定的形狀。

不定性耐火材料，也稱散狀耐火材料，在現(xiàn)場按照具體要求施工成一定形狀的耐火材料。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院22

燒成磚：經(jīng)過高溫?zé)伞?/p>

不燒磚：不經(jīng)過高溫?zé)?，僅經(jīng)過干燥或熱處理得到的定性耐火制品。

熔鑄磚：將配好的原料通過高溫熔融，然后澆鑄、退火得到的定性耐火制品。6、按燒制方法分2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院23特致密制品，顯氣孔率低于3%；高致密制品，顯氣孔率為3%～10%；致密制品，顯氣孔率為10%～16%；燒結(jié)制品，顯氣孔率為16%～20%；普通制品，顯氣孔率為20%～30%；輕質(zhì)制品，顯氣孔率為45%～85%；超級輕質(zhì)制品，顯氣孔率高于85%。

7、按氣孔率分（7類）2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院24四、耐火材料的特點(diǎn)1．耐火原料品種多；2．耐火材料的產(chǎn)品多；表現(xiàn)在配方多。3．耐火材料的壽命與使用條件關(guān)系密切。一個配方在鋼鐵工業(yè)和水泥工業(yè)或化學(xué)工業(yè)使用不同；另外還表現(xiàn)在同一種耐火材料在一個廠家使用與在另一個廠家使用的效果也不一樣。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院25五、耐火材料的歷史與發(fā)展

郭沫若曾說過“自從舊石器時代以來陶瓷出現(xiàn)5000年歷史，中國文明史即為陶瓷發(fā)展史”。陶瓷的燒制離不開耐火材料，如裝瓷器用的匣缽和砌筑窯體材料。耐火材料自從19世紀(jì)開始隨著鋼鐵工業(yè)、有色金屬工業(yè)、水泥與石灰工業(yè)、玻璃工業(yè)及化工工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。

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據(jù)《世界金屬導(dǎo)報》2001年11月27日報道：全世界約有2000多家耐火材料公司，年生產(chǎn)能力約4000萬噸，全球耐火材料市場為2200～2500萬噸，總價值約為1000億美元。具體應(yīng)用范圍：鋼鐵工業(yè)占70%，水泥與石灰工業(yè)占7%，陶瓷工業(yè)占6%，玻璃工業(yè)占3～4%，石化工業(yè)占4%，有色金屬工業(yè)占2～3%，其他6%。

2000年全世界范圍年銷售額在1億美元以上的耐火材料公司20強(qiáng)中，排名第一的是奧地利的RHI公司，年銷售額達(dá)16億美元。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院27

在發(fā)達(dá)國家：耐火材料的生產(chǎn)產(chǎn)量下降，平均價格在上升，如表1：

美國

日本

產(chǎn)量（萬噸）

平均價格（元/噸）產(chǎn)量（萬噸）平均價格（萬日元/噸）1980年480370270102000年35065013315下降27%上漲75.7%下降51%上漲50%表1美國與日本耐火材料的生產(chǎn)情況2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院28我國耐火材料的發(fā)展?fàn)顩r

在我國，解放前耐火材料的年產(chǎn)量僅為7.4萬噸，產(chǎn)品單一，只能生產(chǎn)粘土磚和硅磚，生產(chǎn)簡陋，多為手工作坊式。

新中國成立后，特別大煉鋼鐵時代，耐火材料有了一次飛躍，各大鋼廠都建立了配套的耐火廠。1957年開始第一個五年計(jì)劃，投資近億元改造了一批磚瓦廠是之成為耐火廠，改造擴(kuò)建鞍鋼、唐鋼、大石橋等一批耐火廠，此時年產(chǎn)量達(dá)到101.4萬噸?！岸濉逼陂g，投資近4億元，“三五”“四五”又投資了3.6億元建立了一批新的耐火廠；到1980年“五五”結(jié)束，年產(chǎn)量達(dá)到414.7萬噸。國內(nèi)耐火企業(yè)的發(fā)展歷程2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院29

“六五”以來，以寶鋼、金川有色冶金和大型合成氮化肥、大型水泥回轉(zhuǎn)窯等國家重點(diǎn)引進(jìn)工程的建設(shè)與投產(chǎn)，國家以耐火材料國產(chǎn)化為契機(jī)，投資近10億元改造了一批耐火廠如：青島耐火材料廠1個多億的“連鑄三大件—塞棒、長水口、侵入式水口”；上海第二耐火材料廠1.5億左右的滑板生產(chǎn)線。引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，使我國耐火材料工業(yè)取得了前所未有的長足發(fā)展。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院301）計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時代－中國耐火材料由33家重點(diǎn)企業(yè)扶持；

2）改革開放以后，隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，耐火材料行業(yè)快速發(fā)展起來；

2004年統(tǒng)計(jì)，全國有1136家耐火材料生產(chǎn)企業(yè)

2005年統(tǒng)計(jì)，全國有1359家耐火材料生產(chǎn)企業(yè)

2006年統(tǒng)計(jì)，全國有1505家耐火材料生產(chǎn)企業(yè)中國耐火材料工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展

2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院31中國耐火材料產(chǎn)量如下表所示年份19801985199019952000200220042006產(chǎn)量，百萬噸3.825.466.7517.559.811.0018.732.4

連鑄比的提高和冶煉技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致噸鋼耐火材料消耗下降；另一方面，鋼產(chǎn)量增加；使得2002年以后中國耐火材料產(chǎn)量呈上升趨勢。

2002年、2004年和2006年，中國粗鋼產(chǎn)量分別為：1.8、2.8和4.1億噸；2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院32存在的問題和今后的發(fā)展

鋼鐵工業(yè)的競爭日趨激烈，耐火材料生產(chǎn)廠家面臨更大的成本壓力；中國耐火材料企業(yè)的研發(fā)力量有待加強(qiáng)。不能僅僅作為一個加工基地；

應(yīng)注意可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。如：礦山的管理、耐火材料的回收利用、環(huán)境友好耐火材料的使用；潔凈鋼的生產(chǎn)對耐火材料提出了更高的要求，除了要求長壽以外，還要求對鋼水無污染；2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院33出口情況：

耐火原料：我國已成為世界耐火原料市場的主要供應(yīng)國。在出口的原料中，礬土熟料占60%；鱗片石墨占56.7%；砂占30%；

2001年1～9月：出口原料（10種）280.66萬噸，同比增加5.72%，創(chuàng)匯2.85億美元，平均價格：99.51美元/噸。

出口耐火制品：39.432萬噸，同比增加7.19%，創(chuàng)匯1.44億美元，平均價格：365.70美元/噸。

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當(dāng)今耐火材料的發(fā)展，一極是不定形化，而另一極則是定形耐火材料的高級化，概括起來就是朝著高純化、精密化、致密化和大型化。著重開發(fā)氧化物和非氧化物復(fù)合的耐火材料。

高純化：減少了硅石、粘土、葉臘石等天然原料用量,轉(zhuǎn)向燒結(jié)、電熔氧化鎂、碳化硅等人工合成原料。

精密化：研制復(fù)雜和高精度形狀的加工技術(shù)。致密化：采用高壓成型、高溫?zé)傻脑O(shè)備和技術(shù)，使高純原料制成的制品（尤其大型制品）致密度得以保證。發(fā)展趨勢：2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院35六、寶鋼—耐火材料的應(yīng)用

寶鋼一、二期國家概算投資301.2億元，三期為623.4億元。一期1978.12.23～1985.9；二期1991.6投產(chǎn)；三期1993年開始建設(shè)，（包括一座4350m3高爐，與之配套的450m２的燒結(jié)機(jī)和4座50孔焦?fàn)t；2臺250t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐及2臺1450mm板坯連鑄機(jī)，1580mm熱連軋機(jī)，1420mm冷連軋機(jī)，1550mm冷連軋機(jī)，一座150t超高功率雙爐底直流電弧爐及一座相應(yīng)鋼包精煉爐和一臺六流管坯連鑄機(jī)。）1998年初投入熱負(fù)荷試車，當(dāng)年年產(chǎn)鋼能力超過1000萬噸；達(dá)產(chǎn)后年產(chǎn)粗鋼1100萬噸，產(chǎn)品板材931.6萬噸。

1、寶鋼的有關(guān)情況2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院362、煉鋼工藝流程降碳、去硫磷、調(diào)硅錳2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院372023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院382023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院392023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院403、鋼鐵工業(yè)使用耐火材料的情況

耐火材料和鋼鐵工業(yè)密不可分，從人類開始從事煉鐵技術(shù)以來，人們就開始使用耐火材料。耐火材料主要應(yīng)用在冶金行業(yè)，～70％；其次是用在建筑行業(yè)，～20％；其它行業(yè)～10％。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院41１、簡介焦?fàn)t是獲得焦炭及煉焦化學(xué)副產(chǎn)品的熱工設(shè)備。主要部分為碳化室。一、焦?fàn)t用耐火材料（Refractoriesforcokeoven）2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院422023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院432023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院44碳化室是由爐墻、爐底、爐頂和爐門組成。碳化室工作室工作是周期性的，裝煤時爐墻表面溫度降至500～600℃，結(jié)焦末期爐墻表面溫度又升至1000～1100℃。溫度的大幅波動，使砌體產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致砌體出現(xiàn)裂紋、組織松散、強(qiáng)度降低，還受到煤料成焦時的膨脹壓力，致使墻面鼓脹和凹陷等。裝煤和推焦時，爐墻和爐底經(jīng)常受到強(qiáng)烈的機(jī)械磨損和撞擊，另外，爐墻還承受化學(xué)侵蝕和碳素沉積的作用。因此，碳化室墻、底用硅磚砌筑。

２、碳化室用耐火材料2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院45

焦?fàn)t，尤其現(xiàn)代化大型焦?fàn)t對硅磚的要求時及其嚴(yán)格的。首先是外觀上光潔度與平整度要求很高。磚的棱角齊整、尺寸公差小。另外，硅磚為鱗石英、方石英并與殘余石英及玻璃相共存的復(fù)合體，其中只有鱗石英形成結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)成堅(jiān)固的骨架，使磚具有良好的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為此必須使石英達(dá)到充分轉(zhuǎn)化，促使磚中大量鱗石英的形成。

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工業(yè)發(fā)達(dá)國家所生產(chǎn)的硅磚真密度一般為：2.31~2.32g/cm3，控制硅磚中殘存石英含量使殘余膨脹幾乎為零。現(xiàn)代大型焦?fàn)t碳化室墻面采用致密硅磚砌筑，顯氣孔率控制在16％～17％，以提高爐墻導(dǎo)熱性，增加生產(chǎn)能力。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院47

爐門由于經(jīng)常開啟，溫度波動較大，朝向碳化室一側(cè)一般采用粘土磚砌筑，也可用堇青石磚和不定形耐火材料，耐火材料與外殼之間充填隔熱材料。碳化室靠爐門的墻，也稱爐頭，處于溫度波動大的區(qū)域，因此多用粘土磚、高鋁磚、硅線石磚和紅柱石磚砌筑。爐頭和爐門損壞時一般用磚補(bǔ)砌，或用耐火可塑料及澆注料修補(bǔ)，較好的修補(bǔ)方法為火焰噴補(bǔ)法。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院48３、燃燒室用耐火材料燃燒室由爐墻、爐底和爐頂組成。爐墻與碳化室共用，需砌筑嚴(yán)密，不得有氣體串通，該側(cè)面主要受高溫、煤中所含鹽類和燃?xì)獾淖饔?。爐底與斜道上的空氣和煤氣道相通。燃燒室工作層用硅磚砌筑，其技術(shù)要求與碳化室用磚相同。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院49４、焦?fàn)t硅磚簡介以鱗石英為主晶相的硅質(zhì)制品?，F(xiàn)代焦?fàn)t是由成千種磚形，上萬噸耐火材料砌筑的龐大熱工設(shè)備。硅磚是其砌體的主要材料，構(gòu)成了焦?fàn)t的基本部分：蓄熱室、斜道、燃燒室、碳化室、爐頂?shù)?，占耐火磚總量的60～70％。焦?fàn)t的一個爐役約20～30年，有的高達(dá)45年。焦?fàn)t硅磚的質(zhì)量好壞直接影響到爐役的長短。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院50

焦?fàn)t硅磚使用性能要求

1、荷重軟化溫度高焦?fàn)t硅磚在高溫下能承受爐頂上裝煤車的動負(fù)荷，并可在長期使用中不變形。2、熱導(dǎo)率高焦炭是用焦煤在碳化室中靠燃燒室的熱傳導(dǎo)加熱而煉成的，所以，砌筑燃燒室的硅磚應(yīng)該有較高的熱導(dǎo)率。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院513、高溫時有良好的熱震穩(wěn)定性能由于焦?fàn)t周期性的裝煤、出焦，引起燃燒室墻兩側(cè)硅磚的溫度急劇變化。正常操作的溫度波動范圍內(nèi)不會引起硅磚的嚴(yán)重裂紋和剝落，因?yàn)樵?00℃以上，焦?fàn)t硅磚具有良好的抗熱震性能。4、體積穩(wěn)定性晶型轉(zhuǎn)化良好的硅磚中，殘存石英不大于1％，加熱時的膨脹集中在600℃以前，之后膨脹顯著趨緩。在焦?fàn)t正常操作時，溫度不會降至600℃以下，砌體的變化也不會大，可長期保持砌體的穩(wěn)定和嚴(yán)密性。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院52某焦?fàn)t硅磚的理化性能項(xiàng)目指標(biāo)備注SiO2，％≥94耐火度，℃≥1690荷重軟化溫度，℃≥1620重?zé)€變化,1450℃,%≤0.2顯氣孔率，％22～25依使用部位而定常溫耐壓強(qiáng)度，MPa≥20碳化室墻和爐底≥30MPa熱導(dǎo)率，W/(m?K)≥1.7參考指標(biāo)2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院53焦?fàn)t硅磚的礦物組成：真密度為2.35g/cm3的硅磚，其礦物組成為：鱗石英60～70％，方石英15～25％，殘存石英3～5％，玻璃相及其它～10％。焦?fàn)t硅磚殘存石英少，鱗石英多，可以減輕烘爐時的膨脹和在使用過程中由于殘存石英的轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的膨脹。

注：

新砌焦?fàn)t烘爐的溫度－時間升溫曲線應(yīng)合理制定，尤其是在600℃前膨脹較激烈的階段應(yīng)嚴(yán)格控制。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院54

是將精鐵礦、粘結(jié)劑和溶劑等混合料球在爐內(nèi)1300℃左右的高溫氧化焙燒，將料球燒結(jié)為球團(tuán)礦的設(shè)備。爐體絕熱層用硅藻土磚和粘土質(zhì)隔熱磚，工作層用粘土磚，焙燒帶以下用高鋁磚。

二、燒結(jié)爐用耐火材料

(RefractoriesforSintering

furnace）

2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院55（一）熔劑性球團(tuán)有有利于節(jié)能減排假如，我國煉鐵爐料結(jié)構(gòu)全部增加20%的熔劑性球團(tuán)礦代替燒結(jié)礦，球團(tuán)礦生產(chǎn)比燒結(jié)礦生產(chǎn)能耗每年可直接節(jié)約煤炭將近500萬噸，相當(dāng)于河北省鋼鐵企業(yè)燒結(jié)能耗的總量。（二）保護(hù)環(huán)境

由于球團(tuán)礦料層透氣性好，強(qiáng)度高，粉末少，故煙氣含塵量少，相對燒結(jié)礦可減少排入大氣的灰塵量，有利于改善環(huán)境。此外，燒結(jié)過程的煙氣中SO2、NOX含量都較球團(tuán)過程中的煙氣含量高，主要原因是因?yàn)闊Y(jié)使用固體燃料較多，固體燃料中的硫和氮是生成SO2、NOX

的來源之一。而球團(tuán)礦生產(chǎn)是同高爐配套的，其燃料來源主要是高爐煤氣。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院56三、高爐用耐火材料（Refractoriesforblastfurnace）

１、高爐簡介高爐是利用鼓入的熱風(fēng)使焦炭燃燒及還原熔煉鐵礦石的豎式爐，是在高溫和還原氣氛下連續(xù)進(jìn)行煉鐵的熱工設(shè)備。

2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院57高爐示意圖高爐示意簡圖

2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院58高爐爐體由爐喉、爐身、爐腰、爐腹和爐缸5部分組成。爐體附設(shè)有風(fēng)口、出渣口、出鐵口、冷卻系統(tǒng)及加料裝置等設(shè)施。高爐爐襯按其使用損毀特點(diǎn)可分為上、中、下三段；上段包括爐喉、爐身上部和中部；中段包括爐身下部、爐腰和爐腹；下段為爐缸和爐底。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院59高爐用耐火材料損毀的原因主要是爐料機(jī)械磨損、碳素沉積、渣鐵侵蝕、堿金屬侵蝕和鉛鋅滲透、熱應(yīng)力和高溫荷重等綜合因素，其中溫度是決定性的因素。因此，高爐爐體易損部位均設(shè)有冷卻系統(tǒng)，以提高爐襯的使用壽命。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院60（1）爐喉、爐身上部及爐身中部（上段）爐喉（爐喉起保護(hù)爐襯、合理布料和限制煤氣被風(fēng)卷起。）承受爐料下降時的直接沖擊和摩擦，極易磨損，多采用高強(qiáng)度的粘土磚和高密度的高鋁磚砌筑，并采用鑄鋼板保護(hù)。爐身上部和中部（起預(yù)熱、加熱、還原和造渣的作用）溫度不超過700℃，無爐渣形成和爐渣侵蝕，除承受爐料滑行與沖擊以及熱煙氣所攜粉塵的摩擦而導(dǎo)致機(jī)械磨損外，主要是鉛、鋅侵入沉積，使襯磚組織變的脆弱，甚至鼓脹，還有碳素沉積及粘結(jié)物的作用，使?fàn)t襯開裂和結(jié)構(gòu)松散。整個爐體中該部位損毀較輕，一般采用氧化鐵含量較低的致密粘土磚或高鋁磚砌筑。２、高爐爐體用耐火材料2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院61（2）爐身下部、爐腰和爐腹（中段）

爐身下部承受爐料下降時的摩擦與爐氣上升時粉塵的沖刷作用，該部位溫度較高并有大量爐渣形成，堿金屬蒸汽的侵蝕作用較重，因此爐襯損毀速度較快。爐腰處溫度高，爐渣大量形成，渣蝕嚴(yán)重，堿侵蝕及高溫含塵煙氣的沖刷均較爐身嚴(yán)重。爐腹部位的溫度較爐腰高，其下部爐料溫度約為1600～1650℃，氣流的溫度更高，低粘度的熔渣大量形成，不但渣蝕嚴(yán)重，同時仍然承受焦炭的摩擦以及由上而下的熔體及炙熱氣流的沖刷，該部位爐襯的損毀最為嚴(yán)重。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院62工業(yè)先進(jìn)國家的經(jīng)驗(yàn)以及中國高爐的實(shí)踐表明：碳化硅耐火制品具有硬度高、高溫強(qiáng)度大，熱膨脹率低、導(dǎo)熱性能、抗堿侵蝕性與抗熱震性優(yōu)良等特點(diǎn)，是高爐中段較為合適的爐襯材料。其中以氮化硅結(jié)合的碳化硅制品最佳。因?yàn)榈杓?xì)致的纖維狀結(jié)晶作為結(jié)合相，將碳化硅細(xì)粉包裹形成牢固的機(jī)械結(jié)合，因而具有較高的高溫強(qiáng)度與較好的抗堿蝕性能，其用量已占全世界高爐用碳化硅材料的60％以上。最新開發(fā)的塞?。⊿ialon）結(jié)合碳化硅制品，與氮化硅結(jié)合的制品相比，結(jié)晶較大，氣孔率較低，抗氧化性能好，經(jīng)抗堿試驗(yàn)后，高溫抗折強(qiáng)度較佳，是高爐爐襯材料的優(yōu)選。

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爐身非工作層采用粘土質(zhì)隔熱磚砌筑，也可以用高鋁水泥隔熱耐火澆注料澆注和噴涂施工。在生產(chǎn)過程中，爐身下部、爐腰和爐腹工作層損毀到一定程度時（爐殼發(fā)紅），可采用壓入料和噴涂料進(jìn)行熱修補(bǔ)。在高鋁質(zhì)的噴補(bǔ)料中加入一定比例的SiC材料進(jìn)一步提高材料的耐磨性和耐侵蝕性。從上世紀(jì)60年代開始，對爐腰、爐腹、爐底進(jìn)行壓入修補(bǔ)，在襯磚和爐殼之間形成保護(hù)層，在高鋁料的基礎(chǔ)上，加入樹脂為結(jié)合劑的SiC及碳素，以提高其耐侵蝕性和熱導(dǎo)率，可延長使用壽命3～6個月，有的可長達(dá)一年。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院643、爐缸及爐底（下段）

爐缸是盛裝鐵水和熔渣的部位，其側(cè)壁上設(shè)有出渣口、出鐵口和風(fēng)口。該部位長期承受高溫、熱荷載、鐵水和熔渣的侵蝕，以及熱應(yīng)力等作用。爐缸上部風(fēng)口區(qū)溫度最高，可達(dá)1700～2000℃以上。開爐初期爐底和爐缸的耐火材料主要承受高溫鐵水和熔渣的機(jī)械沖刷和攪動磨蝕、鐵水與渣滲入磚的氣孔與磚縫中，加快對爐襯侵蝕，導(dǎo)致砌體變形開裂，甚至爐底磚漂浮。

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目前，國內(nèi)外大中型高爐普遍采用致密度高、導(dǎo)熱性和抗侵蝕性好的石墨碳磚和微孔碳磚。使碳磚損毀的因素①滲入有金屬鐵外，還生成氧化鐵和碳化鐵，導(dǎo)致組織破壞。此外，②碳磚遇有水蒸氣等物質(zhì)時發(fā)生氧化，也是損毀的原因。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院66對于粘土磚或高鋁磚爐缸及爐底來說，鐵水中的碳能將磚中的二氧化硅還原成硅，并為鐵水所吸收形成硅鐵，使磚的表面呈半熔融狀態(tài)。當(dāng)侵蝕達(dá)到一定深度，即達(dá)到鐵水凝固線時，鐵水與熔渣的滲入即中止。因此，現(xiàn)代高爐的爐缸及爐底均設(shè)有冷卻設(shè)施。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院67在大型高爐上廣泛采用砌筑陶瓷杯來保護(hù)爐底及爐缸壁。爐底采用莫來石磚或優(yōu)質(zhì)粘土磚，上升部分用鉻剛玉磚，也有采用超低水泥結(jié)合的棕剛玉澆注件，以形成“陶瓷杯”。

新開發(fā)的微孔碳磚、半石墨磚及石墨磚與傳統(tǒng)的加入氧化物的碳磚相比，抗?jié)B透性、抗鐵、堿及爐渣侵蝕性以及導(dǎo)熱性能等均有明顯的改進(jìn)，高爐自采用全碳磚爐底和綜合爐底以來，壽命可長達(dá)15～20年。已不成為影響高爐爐齡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院68馬鋼：陶瓷杯采用的是“隔熱、保溫”技術(shù),選用低導(dǎo)熱、高荷軟、抗渣鐵侵蝕性能好的剛玉質(zhì)預(yù)制塊砌筑于炭塊內(nèi)側(cè),使℃等溫線高度集中在低導(dǎo)熱的陶瓷層內(nèi),使炭塊免受高溫渣鐵侵蝕。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院69高爐用碳磚及石墨磚的性能性能傳統(tǒng)碳磚微孔碳磚加外加劑碳磚半石

墨磚石墨磚加入外加劑半石墨磚耐壓強(qiáng)度,MPa405060251548熱導(dǎo)率

W·(m·K)-181111195122添加劑SiSiAl2O3SiAl2O3抗堿性,%5.11.61.65.23.50.3鐵中溶解度

%3.04.20.54.24.61.02023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院70

4、高爐其它部位用耐火材料

指出鐵溝、渣溝與出鐵口和出渣口等處用耐火材料。出鐵溝和出渣溝是流放鐵水與熔渣的通道，承受較強(qiáng)的鐵水流和渣流的機(jī)械沖刷、化學(xué)侵蝕和急冷急熱等作用，極易損毀，需要經(jīng)常維護(hù)。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院712023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院72（1）出鐵溝分主鐵溝和鐵溝兩部分主鐵溝一端與出鐵口相接，由于高爐大型化且強(qiáng)化冶煉，每個出鐵溝日通鐵量高達(dá)3000t左右，因此其工作條件是苛刻的。

對鐵溝內(nèi)襯用耐火材料的要求是耐鐵水和熔渣的侵蝕和沖刷能力強(qiáng)，抗熱震性能好及重?zé)w積變化小，此外還要求不粘結(jié)渣鐵、易于施工與拆除，且不產(chǎn)生有害氣體。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院73

過去一般采用粘土磚、碳化硅磚、石墨或焦末和瀝青等配制成耐火搗打料做保護(hù)層。上世紀(jì)80年代以來，大型高爐采用的鐵溝料已從搗打料發(fā)展成澆注料，其主要材質(zhì)為電熔剛玉、碳化硅、少量金屬硅與金屬鋁粉以及適量的外加劑等原料配制，再輔以超細(xì)粉使其具有較高密度，通鐵量已達(dá)50～100萬t。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院74（2）出鐵口用耐火材料

用于堵塞出鐵口的泥料稱為炮泥。對炮泥的要求可塑性、粘結(jié)性及燒結(jié)性好，不產(chǎn)生裂紋與收縮，強(qiáng)度高、耐侵蝕，同時應(yīng)易打開，保證鐵水或熔渣順暢流出。炮泥一般用粘土熟料、高鋁熟料、莫來石、碳化硅、碳粒和粘土為原料；大型高爐則用電熔氧化鋁、碳化硅、粘土等為原料，并用水或樹脂進(jìn)行混練制成有水炮泥或無水炮泥，裝袋待用。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院75

四、鐵水預(yù)處理用耐火材料

Refractoriesforhotmetalretreatment

鐵水預(yù)處理是鐵水在進(jìn)入煉鋼爐冶煉前，為除去某些有害成分或回收某種有益成分的處理過程。鐵水預(yù)處理技術(shù)實(shí)質(zhì)是首先在出鐵溝脫硅，然后在同一容器中進(jìn)行脫硅、脫磷和脫硫處理。鐵水預(yù)處理可分為鐵流攪拌法、機(jī)械攪拌法、氣體攪拌法等。

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脫硅處理主要采用氧化鐵系處理劑；脫磷處理主要采用石灰系（CaO-CaF2-FeO）或蘇打系（Na2CO3）處理劑；脫硫主要采用石灰系（CaO-CaF2或CaF2）處理劑。這些處理劑對耐火材料具有強(qiáng)烈的侵蝕作用，特別是蘇打灰的主要成分為Na2CO3，除強(qiáng)烈的侵蝕耐火材料外，還能使含石墨的耐火制品受到嚴(yán)重氧化。石灰系處理劑中包括螢石，其中的CaF2易于分解，有較強(qiáng)的腐蝕性，使磚中的骨料受到侵蝕。2023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院772023/2/1材料科學(xué)與工程學(xué)院78幾種處理劑對耐火材料侵蝕程度處理內(nèi)容處理劑對磚的相對侵蝕程度脫磷Na2CO31大↑侵蝕↓小CaO-CaF2-FeO2