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)ProcessesofRefractory2023/2/5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(zhǎng)期以來(lái)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(guò)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(cè)試和結(jié)構(gòu)分析等基本技能的實(shí)踐訓(xùn)練，對(duì)國(guó)內(nèi)外耐火材料科學(xué)研究的前沿有一定的認(rèn)識(shí)，為將來(lái)在本領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)運(yùn)行、工程設(shè)計(jì)及經(jīng)營(yíng)管理等工作打下良好的基礎(chǔ)。

2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院3二、知識(shí)模塊順序及對(duì)應(yīng)的學(xué)時(shí)

“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(wú)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(zhǎng)，爐外精煉技術(shù)大量采用，對(duì)耐火材料提出更高要求，耐火材料不但要長(zhǎng)壽，還要不能污染鋼水，甚至能凈化鋼水。因此，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了對(duì)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(shí)分配上安排如下：2023/2/5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(cè)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。2023/2/5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(duì)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(shí)。

這門(mén)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。

2023/2/5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2023/2/5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(wú)機(jī)非金屬材料；2、ISO的定義：耐火度不小于1500℃的無(wú)機(jī)非金屬材料及制品。

2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院8二、耐火材料所用原料

天然礦石原料：如耐火粘土、硅石、礬土、菱鎂礦、白云石、石墨、鋯英石、藍(lán)晶石、紅柱石、硅線石等。

人工合成原料：如工業(yè)氧化鋁、碳化硅、氮化硅、莫來(lái)石、合成堇青石(M2A2S5)、鎂鋁尖晶石(MA)、ZrO2等。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院9三、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(jiàn)的分類法，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院10（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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院11（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;

2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院12

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）。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院13（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）。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院14（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(lái)石制品、鋯剛玉制品等。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院15（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。2023/2/5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(lái)石、方石英莫來(lái)石、方石英莫來(lái)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(wú)定形碳（或石墨）2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院17

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(wú)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2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院18

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

2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院19（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(jià)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(duì)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(duì)弱酸、弱堿的侵蝕具有較好的抵抗能力。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院20（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(duì)堿性介質(zhì)的化學(xué)侵蝕具有較強(qiáng)的抵抗能力。

2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院213、根據(jù)耐火度的高低

普通耐火材料：1580～1770℃

高級(jí)耐火材料：1770～2000℃

特級(jí)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(gè)量尺，（尺寸比）Max:Min<4:1；

異型：不多于2個(gè)凹角，（尺寸比）

Max:Min<6:1；或有一個(gè)50～70°的銳角；

特異型：（尺寸比）Max:Min<8:1；或不多于4

個(gè)凹角；或有一個(gè)30～50°的銳角。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院225、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(chǎng)按照具體要求施工成一定形狀的耐火材料。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院23

燒成磚：經(jīng)過(guò)高溫?zé)伞?/p>

不燒磚：不經(jīng)過(guò)高溫?zé)?，僅經(jīng)過(guò)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(guò)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2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院24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(jí)輕質(zhì)制品，顯氣孔率高于85%。

7、按氣孔率分（7類）2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院25四、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(gè)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(gè)廠家使用與在另一個(gè)廠家使用的效果也不一樣。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院26五、耐火材料的歷史與發(fā)展

郭沫若曾說(shuō)過(guò)“自從舊石器時(shí)代以來(lái)陶瓷出現(xiàn)5000年歷史，中國(guó)文明史即為陶瓷發(fā)展史”。陶瓷的燒制離不開(kāi)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(kāi)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(bào)》2001年11月27日?qǐng)?bào)道：全世界約有2000多家耐火材料公司，年生產(chǎn)能力約4000萬(wàn)噸，全球耐火材料市場(chǎng)為2200～2500萬(wàn)噸，總價(jià)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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院28

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

美國(guó)

日本

產(chǎn)量（萬(wàn)噸）

平均價(jià)格（元/噸）產(chǎn)量（萬(wàn)噸）平均價(jià)格（萬(wàn)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(guó)與日本耐火材料的生產(chǎn)情況2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院29我國(guó)耐火材料的發(fā)展?fàn)顩r

在我國(guó)，解放前耐火材料的年產(chǎn)量?jī)H為7.4萬(wàn)噸，產(chǎn)品單一，只能生產(chǎn)粘土磚和硅磚，生產(chǎn)簡(jiǎn)陋，多為手工作坊式。

新中國(guó)成立后，特別大煉鋼鐵時(shí)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(kāi)始第一個(gè)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(shí)年產(chǎn)量達(dá)到101.4萬(wàn)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(wàn)噸。國(guó)內(nèi)耐火企業(yè)的發(fā)展歷程2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院30

“六五”以來(lái)，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(guó)家重點(diǎn)引進(jìn)工程的建設(shè)與投產(chǎn)，國(guó)家以耐火材料國(guó)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(gè)多億的“連鑄三大件—塞棒、長(zhǎng)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(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，使我國(guó)耐火材料工業(yè)取得了前所未有的長(zhǎng)足發(fā)展。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院311）計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代－中國(guó)耐火材料由33家重點(diǎn)企業(yè)扶持；

2）改革開(kāi)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(lái)；

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

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

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

2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院32中國(guó)耐火材料產(chǎn)量如下表所示年份19801985199019952000200220042006產(chǎn)量，百萬(wàn)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(guó)耐火材料產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)。

2002年、2004年和2006年，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量分別為：1.8、2.8和4.1億噸；2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院33存在的問(wèn)題和今后的發(fā)展

鋼鐵工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，耐火材料生產(chǎn)廠家面臨更大的成本壓力；中國(guó)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(gè)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(duì)耐火材料提出了更高的要求，除了要求長(zhǎng)壽以外，還要求對(duì)鋼水無(wú)污染；2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院34出口情況：

耐火原料：我國(guó)已成為世界耐火原料市場(chǎng)的主要供應(yīng)國(guó)。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(wàn)噸，同比增加5.72%，創(chuàng)匯2.85億美元，平均價(jià)格：99.51美元/噸。

出口耐火制品：39.432萬(wàn)噸，同比增加7.19%，創(chuàng)匯1.44億美元，平均價(jià)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(jí)化，概括起來(lái)就是朝著高純化、精密化、致密化和大型化。著重開(kāi)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?cè)现瞥傻闹破罚ㄓ绕浯笮椭破罚┲旅芏鹊靡员ＷC。發(fā)展趨勢(shì)：2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院36六、寶鋼—耐火材料的應(yīng)用

寶鋼一、二期國(guó)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(kāi)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(tái)250t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐及2臺(tái)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(tái)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(guò)1000萬(wàn)噸；達(dá)產(chǎn)后年產(chǎn)粗鋼1100萬(wàn)噸，產(chǎn)品板材931.6萬(wàn)噸。

1、寶鋼的有關(guān)情況2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院372、煉鋼工藝流程降碳、去硫磷、調(diào)硅錳2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院382023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院392023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院402023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院413、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(kāi)始從事煉鐵技術(shù)以來(lái)，人們就開(kāi)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％。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院42１、簡(jiǎn)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）2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院432023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院442023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院45碳化室是由爐墻、爐底、爐頂和爐門(mén)組成。碳化室工作室工作是周期性的，裝煤時(shí)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(dòng)，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(shí)的膨脹壓力，致使墻面鼓脹和凹陷等。裝煤和推焦時(shí)，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2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院46

焦?fàn)t，尤其現(xiàn)代化大型焦?fàn)t對(duì)硅磚的要求時(shí)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(guó)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?，F(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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院48

爐門(mén)由于經(jīng)常開(kāi)啟，溫度波動(dòng)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(mén)的墻，也稱爐頭，處于溫度波動(dòng)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(mén)損壞時(shí)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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院49３、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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院50４、焦?fàn)t硅磚簡(jiǎn)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(wàn)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(gè)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(zhǎng)短。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院51

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(dòng)負(fù)荷，并可在長(zhǎng)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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院523、高溫時(shí)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(dòng)范圍內(nèi)不會(huì)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(shí)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(shí)，溫度不會(huì)降至600℃以下，砌體的變化也不會(huì)大，可長(zhǎng)期保持砌體的穩(wěn)定和嚴(yán)密性。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院53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)2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院54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(shí)的膨脹和在使用過(guò)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(shí)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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院55

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）

2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院56（一）熔劑性球團(tuán)有有利于節(jié)能減排假如，我國(guó)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(wàn)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(duì)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(guò)程的煙氣中SO2、NOX含量都較球團(tuán)過(guò)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(lái)源之一。而球團(tuán)礦生產(chǎn)是同高爐配套的，其燃料來(lái)源主要是高爐煤氣。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院57三、高爐用耐火材料（Refractoriesforblastfurnace）

１、高爐簡(jiǎn)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。

2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院58高爐示意圖高爐示意簡(jiǎn)圖

2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院59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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院60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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院61（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(shí)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(guò)700℃，無(wú)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(kāi)裂和結(jié)構(gòu)松散。整個(gè)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2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院62（2）爐身下部、爐腰和爐腹（中段）

爐身下部承受爐料下降時(shí)的摩擦與爐氣上升時(shí)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(shí)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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院63工業(yè)先進(jìn)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)以及中國(guó)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(kāi)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(guò)程中，爐身下部、爐腰和爐腹工作層損毀到一定程度時(shí)（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(kāi)始，對(duì)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(shù)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(zhǎng)使用壽命3～6個(gè)月，有的可長(zhǎng)達(dá)一年。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院653、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(zhǎng)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(kāi)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(dòng)磨蝕、鐵水與渣滲入磚的氣孔與磚縫中，加快對(duì)爐襯侵蝕，導(dǎo)致砌體變形開(kāi)裂，甚至爐底磚漂浮。

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目前，國(guó)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(shí)發(fā)生氧化，也是損毀的原因。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院67對(duì)于粘土磚或高鋁磚爐缸及爐底來(lái)說(shuō)，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(shí)，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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院68在大型高爐上廣泛采用砌筑陶瓷杯來(lái)保護(hù)爐底及爐缸壁。爐底采用莫來(lái)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(kāi)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(lái)，壽命可長(zhǎng)達(dá)15～20年。已不成為影響高爐爐齡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院69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。2023/2/5材料科學(xué)與工程學(xué)院70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

%3.04.20.5