耐火材料基础知识PPT课件.ppt
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1、耐火材料基础知识何金峥何金峥耐火材料的现状及发展方向 我国有丰富的优质镁矿、高铝矾土、石墨原料资源,储量居我国有丰富的优质镁矿、高铝矾土、石墨原料资源,储量居全球之首,产量也最高,耐火粘土与硅石原料分布地区很广全球之首,产量也最高,耐火粘土与硅石原料分布地区很广,储量与产量均很大。我国耐火原料现年产量约,储量与产量均很大。我国耐火原料现年产量约1500万吨万吨,耐火材料年产量约,耐火材料年产量约800万吨。近万吨。近3年来,每年出口耐火原年来,每年出口耐火原料与材料约料与材料约500万吨:(其中耐火原料万吨:(其中耐火原料470万吨、耐火材料万吨、耐火材料30多万吨)。每年为国家创汇约多万吨)
2、。每年为国家创汇约7亿美元。亿美元。 按我国耐火原料资源的优势,专家们认为,应进一步发展镁按我国耐火原料资源的优势,专家们认为,应进一步发展镁铝碳质耐火材料的生产与使用,减少粘土质等普通耐火材料铝碳质耐火材料的生产与使用,减少粘土质等普通耐火材料的生产与使用。提高产品质量和改善性能,积极开发优质新的生产与使用。提高产品质量和改善性能,积极开发优质新品种,合理利用和提高耐火材料服役寿命,进一步品种,合理利用和提高耐火材料服役寿命,进一步 降低消耗降低消耗,保证和促进高温技术工业和热能工程以及国民经济的发展,保证和促进高温技术工业和热能工程以及国民经济的发展。要发展高级耐火原材料的出口,特别要增加
3、高级耐火材料。要发展高级耐火原材料的出口,特别要增加高级耐火材料制品的出口,为国家创收更多外汇,为企业增加更多经济效制品的出口,为国家创收更多外汇,为企业增加更多经济效益。益。一、耐火材料的定义 定义:耐火材料一般是指耐火度在定义:耐火材料一般是指耐火度在1580以上以上的无机非金属材料。的无机非金属材料。 它是难以被高温融化熔融的非金属材料的总称。它是难以被高温融化熔融的非金属材料的总称。 其他定义:其他定义:1500以上的定型耐火材料和最高以上的定型耐火材料和最高使用温度在使用温度在800 以上的不定型耐火材料、耐火以上的不定型耐火材料、耐火灰浆以及耐火绝热砖。灰浆以及耐火绝热砖。二、耐火
4、材料的分类(1)按化学成分为:酸性、碱性和中性耐火材料。)按化学成分为:酸性、碱性和中性耐火材料。(2)按耐火度分为:普通耐火材料、高级耐火材料、特)按耐火度分为:普通耐火材料、高级耐火材料、特 级耐火材料。级耐火材料。(3)按加工工艺分为:烧成制品、熔铸制品、不烧制品)按加工工艺分为:烧成制品、熔铸制品、不烧制品。(4)按外观分为:标型、普型、异型、特型和超特型)按外观分为:标型、普型、异型、特型和超特型(5)按成型工艺分为:天然岩石切锯、泥浆浇注、可塑)按成型工艺分为:天然岩石切锯、泥浆浇注、可塑成型、半干成型和振动、捣打、熔铸成型成型、半干成型和振动、捣打、熔铸成型(6)按矿物组成分为:
5、硅酸铝质、硅质、镁质、碳质、)按矿物组成分为:硅酸铝质、硅质、镁质、碳质、白云石质、锆英石质、特殊耐火材料(高纯氧化物制白云石质、锆英石质、特殊耐火材料(高纯氧化物制品、难熔化合物制品和高温复合材料)。品、难熔化合物制品和高温复合材料)。(7)按密度分为:重质和轻质。)按密度分为:重质和轻质。(8) 按外形分为:定型耐火材料和不定型耐火材料。按外形分为:定型耐火材料和不定型耐火材料。三、耐火材料的组成 1.化学组成化学组成 (1)主成分)主成分 酸性耐火材料:二氧化硅酸性耐火材料:二氧化硅 中性耐火材料:碳质耐火材料、高铝耐火材料、铬质耐中性耐火材料:碳质耐火材料、高铝耐火材料、铬质耐火材料火
6、材料 碱性耐火材料:氧化镁、氧化钙碱性耐火材料:氧化镁、氧化钙 (2)杂质成分)杂质成分 (3)添加成分)添加成分 2.矿物组成矿物组成 结晶相结晶相+玻璃相(基质)玻璃相(基质)四、耐火材料的性质(常用) 1.高的耐火度高的耐火度 2.良好的荷重软化温度良好的荷重软化温度 3.具有高温下的体积稳定性具有高温下的体积稳定性 4.良好的抗热震性良好的抗热震性 5.良好的抗蚀性良好的抗蚀性五、耐火材料的制备原理 1.烧结耐火材料烧结耐火材料 烧结耐火材料的生产工艺流程如下图:烧结耐火材料的生产工艺流程如下图: 2.熔铸耐火材料熔铸耐火材料 熔铸耐火材料生产工艺流程如下图:熔铸耐火材料生产工艺流程如
7、下图:配料混料成型烧成拣选成品微机控制烧结耐材流程图例耐火材料性质的介绍 (1)物理性质:气孔率、吸水率、体积密度、真密)物理性质:气孔率、吸水率、体积密度、真密度(真比重)度(真比重) (2)热学性能:热容、热膨胀性、导热系数)热学性能:热容、热膨胀性、导热系数 (3)力学性能:常温耐压强度、抗折强度)力学性能:常温耐压强度、抗折强度 (4)使用性能:耐火度、高温荷重软化温度、体积)使用性能:耐火度、高温荷重软化温度、体积稳定性稳定性 (5)热稳定性:渣性(耐玻璃侵蚀性)、热震)热稳定性:渣性(耐玻璃侵蚀性)、热震 (6)抗蚀性能:抗碱性、抗氧化、抗水化)抗蚀性能:抗碱性、抗氧化、抗水化耐火
8、材料的物理性质- (1)气孔率 气孔率是耐火制品所含气孔体积与制品总体气孔率是耐火制品所含气孔体积与制品总体积的百分比。耐火材料内的气孔是由原料中气积的百分比。耐火材料内的气孔是由原料中气孔和成型后颗粒间的气孔所构成。大致可分为孔和成型后颗粒间的气孔所构成。大致可分为三类:三类: (1)闭口气孔闭口气孔,它封闭在制品中不与外界相通,它封闭在制品中不与外界相通; (2)开口气孔开口气孔,一端封闭,另一端与外界相通,一端封闭,另一端与外界相通,能为流体填充;,能为流体填充; (3)贯通气孔,贯通制品的两面,能为流体通贯通气孔,贯通制品的两面,能为流体通过。过。闭气孔 它封闭在制品中不与外界相通闭气
9、孔定形耐材抛面开气孔 一端封闭,另一端与外界相通开气孔定形耐材表面贯通气孔 贯通制品的两面,能为流体通过贯通气孔图中:1为闭气孔2为开气孔3为贯通气孔定形耐材抛面示意图耐火材料的物理性质- (2)体积密度 体积密度是耐火制品的质量与其体积(包括气体积密度是耐火制品的质量与其体积(包括气孔)的比值。它表征耐火材料的致密程度,是孔)的比值。它表征耐火材料的致密程度,是所有耐火原料和耐火制品质量标准中的基本指所有耐火原料和耐火制品质量标准中的基本指标之一。体积密度高的制品,其气孔率小,强标之一。体积密度高的制品,其气孔率小,强度、高温荷重软化温度等一系列性能好。度、高温荷重软化温度等一系列性能好。耐
10、火材料的物理性质- (3)真比重(真密度) 真密度是耐火制品的质量与其真体积(真密度是耐火制品的质量与其真体积(不包括不包括气孔体积气孔体积)之比。在耐火材料中,硅砖的真密)之比。在耐火材料中,硅砖的真密度是衡量石英转化程度的重要技术指标。度是衡量石英转化程度的重要技术指标。SiO2组成的各种不同矿物的真密度不同,鳞组成的各种不同矿物的真密度不同,鳞石英的真密度最小,方石英次之,石英最大。石英的真密度最小,方石英次之,石英最大。 对于耐火材料的真密度,中国标准(对于耐火材料的真密度,中国标准(GB/T50711997)和国际标准()和国际标准(ISO5018)规定,把材料破碎、磨细到尽可)规定
11、,把材料破碎、磨细到尽可能无封闭气孔存在的颗粒后,用测量试样干燥能无封闭气孔存在的颗粒后,用测量试样干燥质量和真体积来测定真密度。质量和真体积来测定真密度。耐火材料的物理性质- (4)吸水率 吸水率是耐火制品全部开口气孔所吸收的水的吸水率是耐火制品全部开口气孔所吸收的水的质量与干燥试样的质量百分比。耐火原料生产质量与干燥试样的质量百分比。耐火原料生产中习惯上用吸水率来鉴定熟料的煅烧质量,原中习惯上用吸水率来鉴定熟料的煅烧质量,原料煅烧得越好,吸水率数值越低,一般应小于料煅烧得越好,吸水率数值越低,一般应小于5。耐火材料的物理性质- (5)透气度 透气度是耐火制品允许气体在压差下通过的透气度是耐
12、火制品允许气体在压差下通过的性能。透气度主要是由贯通气孔的大小、数量性能。透气度主要是由贯通气孔的大小、数量和结构决定的。和结构决定的。 某些制品,如用于隔离火焰或高温气体的制品某些制品,如用于隔离火焰或高温气体的制品,要求具有很低的透气度;,要求具有很低的透气度; 有些制品如吹氩浸入式水口透气内壁等一系有些制品如吹氩浸入式水口透气内壁等一系列专用透气耐火制品,则又必须具有一定的透列专用透气耐火制品,则又必须具有一定的透气度。气度。耐火材料的物理性质- (6)气孔孔径分布 气孔孔径分布是耐火制品中各种孔气孔孔径分布是耐火制品中各种孔径的气孔所占气孔总体积的百分率径的气孔所占气孔总体积的百分率。
13、 在气孔率相同时,孔径大的制品其强度低。熔在气孔率相同时,孔径大的制品其强度低。熔铸或隔热耐火制品的气孔孔径可大于铸或隔热耐火制品的气孔孔径可大于1mm,称为缩孔或大气孔;纹密耐火制品中的气孔主称为缩孔或大气孔;纹密耐火制品中的气孔主要为毛细孔,孔径多为要为毛细孔,孔径多为130um;气孔微细;气孔微细化的铝碳制品和致密高铝砖的平均孔径小于化的铝碳制品和致密高铝砖的平均孔径小于12um。(例)定型耐材的溶洞标准 溶洞的椭圆长径溶洞的椭圆长径a在在11mm以下;以下; 溶洞的椭圆短径溶洞的椭圆短径b在在7mm以下;以下; 表面溶洞数量表面溶洞数量3个个/面;面; 溶洞的平均直径在溶洞的平均直径在
14、5mm以下忽略。以下忽略。 溶洞外周的凸出部分,如溶洞外周的凸出部分,如果影响果影响10段堆积检查,应段堆积检查,应打磨平滑。打磨平滑。ab耐火材料的热学性能-(1)比热容 比热容是指比热容是指1kg耐火材料温度升高耐火材料温度升高1所吸收的热量。所吸收的热量。 耐火材料的比热容数值主要用于窑炉设计热工耐火材料的比热容数值主要用于窑炉设计热工计算。蓄热室格子砖采用高比热热容的致密材计算。蓄热室格子砖采用高比热热容的致密材料,以增加蓄热室热量和放热量,提高还热效料,以增加蓄热室热量和放热量,提高还热效率。率。 比热容按下式计算:比热容按下式计算: 式中:式中: C-耐火材料的等压比热容,耐火材料
15、的等压比热容,kJ/(kg);); Q-加热试样所消耗的热量,加热试样所消耗的热量, kJ; G-试样的质量,试样的质量,kg; t0-试样加热前的温度,试样加热前的温度,; t1-试样加热后的温度,试样加热后的温度,。)(01ttGQC耐火砖的平均比热容与温度的关系曲线1一黏土砖;2镁砖;3硅砖:4硅线石砖; 5白云石砖;6铬砖 热膨胀性是指耐火制品在加热过程中的长度热膨胀性是指耐火制品在加热过程中的长度变化,其表示方法有变化,其表示方法有线膨胀率线膨胀率和和线膨胀系数线膨胀系数量量种。种。 线膨胀率线膨胀率是指由室温至试验温度间,试样长是指由室温至试验温度间,试样长度的相对变化率。度的相对
16、变化率。 线膨胀系数线膨胀系数是指由室温至试验温度间,温度是指由室温至试验温度间,温度每升高每升高1,试样长度的相对变化率。,试样长度的相对变化率。耐火材料的热学性能-(2)热膨胀性 热膨胀性是耐火材料使用时应考虑的重要性热膨胀性是耐火材料使用时应考虑的重要性能之一。炉窑在常温下砌筑,而在高温下使用时能之一。炉窑在常温下砌筑,而在高温下使用时炉体要膨胀。为抵消热膨胀造成的应力,炉体要膨胀。为抵消热膨胀造成的应力,需预留需预留膨胀缝膨胀缝。线膨胀率和线膨胀系数是预留膨胀缝和。线膨胀率和线膨胀系数是预留膨胀缝和砌体总尺寸结构设计计算的关键参数。砌体总尺寸结构设计计算的关键参数。常用耐火制品的平均线
17、膨胀系数见下表(例)材料名称黏土砖莫来石砖莫来石刚玉砖刚玉砖半硅砖硅砖镁砖平均线膨胀系数(201000)/10-6 -14.56.05.55.87.07.58.08.57.07.911.5131415砖砌筑砖砌筑膨胀缝膨胀缝不定型耐材施不定型耐材施工膨胀缝工膨胀缝 热导率是指在单位温度梯度下,单位时间内热导率是指在单位温度梯度下,单位时间内通过单位垂直面积的热量。耐火材料的热导率通过单位垂直面积的热量。耐火材料的热导率对于高温热工设备的设计是不可缺少的重要数对于高温热工设备的设计是不可缺少的重要数据。对于那些要求隔热性能良好的轻质耐火材据。对于那些要求隔热性能良好的轻质耐火材料,检验其热导率更
18、具有重要意义,可以减少料,检验其热导率更具有重要意义,可以减少厚度或热损失。厚度或热损失。耐火材料的热学性能-(3)热导率 一般把导热系数小于一般把导热系数小于0.25W/m. 的材料称为的材料称为绝热材料。绝热材料都是多孔材料,孔内都充满绝热材料。绝热材料都是多孔材料,孔内都充满着空气,空气的导热系数比固体的导热系数小得着空气,空气的导热系数比固体的导热系数小得多,因此多孔材料的导热系数都较小。一般优质多,因此多孔材料的导热系数都较小。一般优质的绝热材料导热系数值在的绝热材料导热系数值在0.0350.07 W/m. 。 耐火材料的导热系数在耐火材料的导热系数在0.75.8 W/m. ,绝,绝
19、大部分耐火材料的导热系数是随温度升高而增大大部分耐火材料的导热系数是随温度升高而增大。但是镁砖和镁铬砖例外,其导热系数随温度升。但是镁砖和镁铬砖例外,其导热系数随温度升高而减小(下图)。高而减小(下图)。 1碳化硅砖;碳化硅砖;2镁砖镁砖;3碳化硅砖碳化硅砖(含(含SIC70%););4刚玉砖刚玉砖;5碳碳化硅砖(含化硅砖(含SIC50%););6烧结白云石砖;烧结白云石砖;7氧化锆砖;氧化锆砖;8镁铬镁铬砖砖;9刚玉砖(刚玉砖(90%););10硅硅线石砖;线石砖;11橄榄橄榄石砖;石砖;12铬砖;铬砖;13硅砖;硅砖;14致密黏土砖;致密黏土砖;15黏土砖黏土砖镁砖、镁铬砖、刚玉砖比较明显
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