耐火材料工艺学-绪论课件.ppt

1、2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院1理论课与实践课教学内容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一、课程在本专业的定位与课程目标 “耐火材料工艺学耐火材料工艺学”长期以来一直是本专业本科长期以来一直是本专业本科学生必修的专业主干课程之一。要求学生通过本课学生必修的专业主干课程之一。要求学生通过本课程的学习，掌握耐火材料的组成、结构、制备、性程的学习，掌握耐火材料的组成、结构、制备、性能、应用之间关系的基本规律，并接受耐火材料的能、应用之间关系的基本规律，并接受耐火材料的制备、性能测试和结构分析等基本技能的实践训练，制备、性能测试和结构分析等基本技能的实践训练

2、，对国内外耐火材料科学研究的前沿有一定的认识，对国内外耐火材料科学研究的前沿有一定的认识，为将来为将来在本领域从事科学研究、技术开发、生产运在本领域从事科学研究、技术开发、生产运行、工程设计及经营管理等工作行、工程设计及经营管理等工作打下良好的基础。打下良好的基础。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院2二、知识模块顺序及对应的学时二、知识模块顺序及对应的学时“耐火材料工艺学耐火材料工艺学”主要涉及耐火材料的化学矿物组成及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。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

3、火材料是耐火材料中两大主要部分，随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，炉外精炼技术大量采用，对耐火材料提出更高要求，增长，炉外精炼技术大量采用，对耐火材料提出更高要求，耐火材料耐火材料因此，国内外开展了对非氧化物、纯氧化物材料及其复合材因此，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。耐火材料的应用料和组织结构等特种耐火材料方面

4、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、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：如下：2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院3三、课程的重点、难点及解决办法三、课程的重点、难点及解决办法 课程的课程的定型耐火材料的性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，课程的相关性能的检测教学实验，课程的难点主难点主要为要为耐火材料组成、结构、性能与应用之耐火材料

5、组成、结构、性能与应用之间的关系。间的关系。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院4 耐火材料是冶金、建材、化工、机械等工业高温耐火材料是冶金、建材、化工、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。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、应用和贸这门课程是从事耐火材料生产、研究、应

6、用和贸易的人员的必修之课，其重要性不言而喻。易的人员的必修之课，其重要性不言而喻。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院5绪绪 论论耐火材料耐火材料定义定义耐火材料耐火材料的原料的原料耐火材料耐火材料的分类的分类耐火材料耐火材料的特点的特点宝钢耐火材料宝钢耐火材料的应用的应用耐火材料的耐火材料的历史与发展历史与发展2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院6一、耐火材料的定义一、耐火材料的定义1、传统的定义：耐火度不小于、传统的定义：耐火度不小于的的 无机非金属材料；无机非金属材料；2、ISO的定义：耐火度不小于的定义：耐火度不小于的的 无机非金属材料及制品。无机非

7、金属材料及制品。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院7二、耐火材料所用原料二、耐火材料所用原料 天然矿石原料：天然矿石原料：如耐火粘土、硅石、矾土、菱如耐火粘土、硅石、矾土、菱镁矿、白云石、石墨、锆英石、蓝晶石、红柱石、镁矿、白云石、石墨、锆英石、蓝晶石、红柱石、硅线石等。硅线石等。人工合成原料：人工合成原料：如工业氧化铝、碳化硅、氮化如工业氧化铝、碳化硅、氮化硅、莫来石、合成堇青石硅、莫来石、合成堇青石(M2A2S5)、镁铝尖晶石、镁铝尖晶石(MA)、ZrO2等。等。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院8三、耐火材料的分类三、耐火材料的分类 此种分类法能够

8、很直接地表征各种耐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、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，具有较强的实际科研上是常见的分类法，具有较强的实际应用意义。应用意义。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院9（1）硅质耐火材料）硅质耐火材料 含含SiO2在在90%以上的材料通常称为硅质耐火材以上的材料通常称为硅质耐火材料料，主要包括硅砖及熔融石英制品。，主要包括硅砖及熔融石英制品。硅砖以硅石硅砖以硅石为主要原料生产，其为主要原料生产，其SiO2含量一般不低于含量一般不低于93%，主要矿物组成为磷石英和方石英主要矿物组成为磷石英和

9、方石英。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院10（2）镁质耐火材料）镁质耐火材料 镁质耐火材料是指以镁砂为主要原料，以方镁石镁质耐火材料是指以镁砂为主要原料，以方镁石为主晶相，为主晶相，MgO含量大于含量大于80%的碱性耐火材料。的碱性耐火材料。镁质制品：镁质制品：MgO含量含量87%，主要矿物为方镁石；，主要矿物为方镁石；镁铝质制品：含镁铝质制品：含MgO 75%，Al2O3含量一般为含量一般为7-8%，主 要 矿 物 成 分 为 方 镁 石 和 镁 铝 尖 晶 石，主 要 矿 物 成 分 为 方 镁 石 和 镁 铝 尖 晶 石（MgAl2O4）；）；镁铬质制品：含镁铬质制

10、品：含MgO60%，Cr2O3含量一般在含量一般在20%以下，主要矿物成分为方镁石和铬尖晶石以下，主要矿物成分为方镁石和铬尖晶石;2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院11 镁橄榄石质及镁硅质制品：此种镁质材料中除镁橄榄石质及镁硅质制品：此种镁质材料中除含有主成分含有主成分MgO外，第二化学成分为外，第二化学成分为SiO2。镁橄镁橄榄石砖比镁硅砖含有更多的榄石砖比镁硅砖含有更多的SiO2，前者的主要矿，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

11、有一定量的镁钙质制品：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主要矿物成分除方镁石外还含有一定量的硅酸二钙（酸二钙（2 CaOSiO2）。）。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院12（3）白云石质耐火材料）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。称为白云石质耐火材料。主要化学成分为：主要化学成分为：30-42%的的MgO和和40-60%的的CaO，二者之和一般应大，二者之和一般应大于于90%。其主要矿物成分为方镁石和方钙石（氧化。其主要矿物成分为方镁石和方钙石（氧

12、化钙）。钙）。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院13（4）碳复合耐火材料）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生产的耐火材料。与相应的耐火氧化物复合生产的耐火材料。（5）含锆耐火材料）含锆耐火材料 含锆耐火材料是指以氧化锆（含锆耐火材料是指以氧化锆（ZrO2）、锆英）、锆英石等含锆材料为原料生产的耐火材料。含锆耐火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、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。锆刚玉制品等。2023-5-22材料科学与工程

13、学院材料科学与工程学院14（6）特种耐火材料）特种耐火材料 特种耐火材料又可分为如下品种：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；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、氧化锆制纯氧化物制品：包括氧化铝制品、氧化锆制 品、氧化钙制品等；品、氧化钙制品等；非氧化物制品：包括碳化硅、碳化硼、氮化非氧化物制品：包括碳化硅、碳化硼、氮化 硅、氮化硼、硼化锆、硼化硅、氮化硼、硼化锆、硼化 钛、塞伦钛、塞伦(Sialon）、阿伦）、阿伦(Alon)制品等。制品等。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院15硅质制品硅质制品硅砖硅砖石英玻璃石英玻璃SiO

14、2SiO2磷石英、方石英磷石英、方石英石英玻璃石英玻璃硅酸铝质制品硅酸铝质制品半硅砖半硅砖粘土砖粘土砖高铝砖高铝砖SiO2、Al2O3SiO2、Al2O3SiO2、Al2O3莫来石、方石英莫来石、方石英莫来石、方石英莫来石、方石英莫来石、刚玉莫来石、刚玉镁质制品镁质制品镁砖（方镁石砖）镁砖（方镁石砖）镁铝砖镁铝砖镁铬砖镁铬砖镁橄榄石砖镁橄榄石砖镁硅砖镁硅砖镁钙砖镁钙砖镁白云石砖镁白云石砖镁碳砖镁碳砖MgOMgO、Al2O3MgO、Cr2O3MgO、SiO2MgO、SiO2MgO、CaOMgO、CaOMgO、C方镁石方镁石方镁石、镁铝尖晶石方镁石、镁铝尖晶石方镁石、镁铬尖晶石方镁石、镁铬尖晶石镁

15、橄榄石、方镁石镁橄榄石、方镁石方镁石、镁橄榄石方镁石、镁橄榄石方镁石、硅酸二钙方镁石、硅酸二钙方镁石、氧化钙方镁石、氧化钙方镁石、无定形碳方镁石、无定形碳 （或石墨）（或石墨）2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院16白云石质白云石质制品制品白云石砖白云石砖CaO、MgO氧化钙、方镁石氧化钙、方镁石铬质制品铬质制品铬砖铬砖铬镁砖铬镁砖Cr2O3、Fe2O3Cr2O3、MgO铬铁矿铬铁矿镁铬尖晶石、方镁石镁铬尖晶石、方镁石碳质制品碳质制品碳砖碳砖石墨制品石墨制品碳化硅制品碳化硅制品CCSiC无定形碳（或石墨）无定形碳（或石墨）石墨石墨碳化硅碳化硅锆质制品锆质制品锆英石砖锆英石砖Z

16、rO2、SiO2锆英石锆英石特殊制品特殊制品纯氧化物制品纯氧化物制品 Al2O3、ZrO2、MgO、CaO刚玉、高温型刚玉、高温型ZrO2、方镁石、氧化钙方镁石、氧化钙碳化物、碳化物、氮化物、氮化物、硅化物、硅化物、硼化物、硼化物、金属陶瓷等金属陶瓷等2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院17 通常是指其中含有相当数量通常是指其中含有相当数量二氧化硅二氧化硅的耐火材的耐火材料。料。硅质硅质耐火材料中游离二氧化硅含量很高耐火材料中游离二氧化硅含量很高(大于大于94%)，是酸性最强的耐火材料；，是酸性最强的耐火材料；粘土质粘土质耐火材料中游离二氧化硅含量较少，是耐火材料中游离二氧化

17、硅含量较少，是弱酸性的；弱酸性的；半硅质半硅质耐火材料居于期间。也有将锆英石质耐耐火材料居于期间。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，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因为此类材料中含有较高的SiO2或在高温状态下能或在高温状态下能形成形成SiO2。2、按化学特性分、按化学特性分 2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院18 中性耐火材料按严格意义讲是指中性耐火材料按严格意义讲是指碳质碳质耐火材料。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、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

18、入中性耐火材料（两性锆刚玉质、铬质耐火材料归入中性耐火材料（两性氧化物如氧化物如Al2O3、Cr2O3等）。等）。此类耐火材料在高温状况下对酸、碱性介质的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。的侵蚀具有较好的抵抗能力。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院19 一般是指以一般是指以MgO、CaO或以或以MgOCaO为主要为主要成分的耐火材料（镁质、石灰质、镁铬质、镁硅质、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）。白云石质耐火制

19、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。的化学侵蚀具有较强的抵抗能力。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院203、根据耐火度的高低、根据耐火度的高低 15801770 17702000 20004、依据形状及尺寸的不同、依据形状及尺寸的不同 230mm113mm65mm；不多于；不多于4个个 量量 尺，（尺寸比）尺，（尺寸比）Max:Min4:1；不多于不多于2个凹角，（尺寸比）个凹角，（尺寸比）Max:Min6:1；或有一个；或有一个5070的锐角；的锐角；：（尺寸比）（尺寸比）Max

20、:Min8:1；或不多于；或不多于4 个凹角；或有一个个凹角；或有一个3050的锐角。的锐角。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院215、按成型与否分、按成型与否分 ，具有一定的形状。具有一定的形状。，也称散状耐火材料，在现场按，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。照具体要求施工成一定形状的耐火材料。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院22经过高温烧成。经过高温烧成。不经过高温烧成，仅经过干燥或不经过高温烧成，仅经过干燥或 热处理得到的定性耐火制品。热处理得到的定性耐火制品。将配好的原料通过高温熔融，然将配好的原料通过高温熔融，然

21、后浇铸、退火得到的定性耐火制后浇铸、退火得到的定性耐火制 品。品。6、按烧制方法分、按烧制方法分2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院23特致密制品，显气孔率低于特致密制品，显气孔率低于3%；高致密制品，显气孔率为高致密制品，显气孔率为3%10%；致密制品，显气孔率为致密制品，显气孔率为10%16%；烧结制品，显气孔率为烧结制品，显气孔率为16%20%；普通制品，显气孔率为普通制品，显气孔率为20%30%；轻质制品，显气孔率为轻质制品，显气孔率为45%85%；超级轻质制品，显气孔率高于超级轻质制品，显气孔率高于85%。7、按气孔率分（、按气孔率分（7类）类）2023-5-22材

22、料科学与工程学院材料科学与工程学院241耐火原料品种多；耐火原料品种多；2耐火材料的产品多；表现在配方多。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材料在一个厂家同；另外还表现在同一种耐火材料在一个厂家 使用与在另一个厂家使用的效果也不一样。使用与在另一个厂家使用的效果也不一样。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院25 郭沫若曾说过郭沫若曾说过“自从旧石器时代以来陶瓷自从旧石器时代以来陶瓷出现出现50

23、00年历史，中国文明史即为陶瓷发展年历史，中国文明史即为陶瓷发展史史”。陶瓷的烧制离不开耐火材料，如装瓷器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。用的匣钵和砌筑窑体材料。耐火材料自从耐火材料自从19世纪开始随着钢铁工业、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。化工工业的发展而发展。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院26 据据世界金属导报世界金属导报2019年年11月月27日报日报道：全世界约有道：全世界约有多家耐火材料公司，年多家耐火材料公司，年生产能力约生产能力约，全球耐

24、火材料市场为，全球耐火材料市场为22002500万吨，总价值约为万吨，总价值约为美元。美元。具体应用范围：钢铁工业占具体应用范围：钢铁工业占70%，水泥与石，水泥与石灰工业占灰工业占7%，陶瓷工业占，陶瓷工业占6%，玻璃工业占，玻璃工业占34%，石化工业占，石化工业占4%，有色金属工业占，有色金属工业占23%，其他，其他6%。2000年全世界范围年销售额在年全世界范围年销售额在1亿美元亿美元以上的耐火材料公司以上的耐火材料公司20强中，排名第一的是强中，排名第一的是奥地利的奥地利的RHI公司，年销售额达公司，年销售额达16亿美元。亿美元。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院2

25、7 在发达国家：耐火材料的生产产量下降，平均价在发达国家：耐火材料的生产产量下降，平均价格在上升，如表格在上升，如表1：美美 国国 日日 本本 产量产量（万吨）（万吨）平均价格平均价格（元（元/吨）吨）产量产量（万吨）（万吨）平均价格平均价格（万日元（万日元/吨）吨）1980年年480 370270102000年年35065013315下降下降27%上涨上涨75.7%下降下降51%上涨上涨50%表表1美国与日本耐火材料的生产情况美国与日本耐火材料的生产情况2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院28 在我国，在我国，耐火材料的年产量仅为耐火材料的年产量仅为7.4万吨，万吨，产品单

26、一，只能生产产品单一，只能生产粘土砖和硅砖粘土砖和硅砖，生产简陋，多，生产简陋，多为手工作坊式。为手工作坊式。，特别大炼钢铁时代，耐火材料，特别大炼钢铁时代，耐火材料有了一次飞跃，各大钢厂都建立了配套的耐火厂。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，改造扩建批砖瓦厂是之成为耐火厂，改造扩建鞍钢、唐钢、鞍钢、唐钢、大石桥等一批耐火厂大石桥等一批耐火厂，此时年产量达到，此时年产量达到101.4万吨。万吨。“二五二五”期间，投资近期间，投资近4亿元，亿元，“三五三五”“”“四五四五”又

27、又投资了投资了3.6亿元建立了一批新的耐火厂；到亿元建立了一批新的耐火厂；到1980年年“五五五五”结束，年产量达到结束，年产量达到414.7万吨。万吨。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院29 “六五六五”以来，以宝钢、金川有色冶金和大型合以来，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，投资建设与投产，国家以耐火材料国产化为契机，投资近近10亿元改造了一批耐火厂如：亿元改造了一批耐火厂如：青岛耐火材料厂青岛耐火材料厂1个多亿的个多亿的“连铸三大件连铸三大件塞棒、

28、长水口、侵入式水塞棒、长水口、侵入式水口口”；上海第二耐火材料厂上海第二耐火材料厂1.5亿左右的滑板生产线。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。取得了前所未有的长足发展。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院301）计划经济时代中国耐火材料由）计划经济时代中国耐火材料由33家重点企业家重点企业 扶持；扶持；2）改革开放以后，随着钢铁工业的迅速发展，耐）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；火材料行业快速发展起来；2019年统计，全国年统计，全国 有有11

29、36家耐火材料生产企业家耐火材料生产企业 2019年统计，全国年统计，全国 有有1359家耐火材料生产企业家耐火材料生产企业 2019年统计，全国年统计，全国 有有1505家耐火材料生产企业家耐火材料生产企业 2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院31年份年份19801985199020192000201920192019产量，产量，百万吨百万吨3.825.466.7517.559.811.0018.732.4 连铸比的提高和冶炼技术的进步导致吨钢耐火材料消耗连铸比的提高和冶炼技术的进步导致吨钢耐火材料消耗下降；另一方面，钢产量增加；使得下降；另一方面，钢产量增加；使得2019

30、年以后中国耐火年以后中国耐火材料产量呈上升趋势。材料产量呈上升趋势。2019年、年、2019年和年和2019年，中国粗钢产量分别为：年，中国粗钢产量分别为：1.8、2.8和和4.1亿吨；亿吨；2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院32 q钢铁工业的竞争日趋激烈，耐火材料生产厂家面临更大的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；成本压力；q中国耐火材料企业的研发力量有待加强。不能仅仅作为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；一个加工基地；q应注意可持续发展战略。如：矿山的管理、耐火材料的应注意可持续发展战略。如：矿山的管理、耐火材料

31、的 回收利用、环境友好耐火材料的使用；回收利用、环境友好耐火材料的使用；q洁净钢的生产对耐火材料提出了更高的要求，除了要求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；长寿以外，还要求对钢水无污染；2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院33 我国已成为世界耐火原料市场的主要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，矾土熟料占供应国。在出口的原料中，矾土熟料占60%；鳞片石墨占；鳞片石墨占56.7%；砂占；砂占30%；2019年年19月：出口原料（月：出口原料（10种）种）280.66万吨，同比万吨，同比 增增 加加5.72%，创汇

32、，创汇2.85亿美元，平均价格：亿美元，平均价格：99.51美元美元/吨。吨。39.432万吨，同比增加万吨，同比增加7.19%，创，创汇汇1.44亿美元，平均价格：亿美元，平均价格：365.70美元美元/吨。吨。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院34 当今耐火材料的发展，当今耐火材料的发展，一极是不定形化，一极是不定形化，而另一而另一极则是极则是定形耐火材料的高级化定形耐火材料的高级化，概括起来就是朝着高，概括起来就是朝着高纯化、精密化、致密化和大型化。着重开发氧化物和纯化、精密化、致密化和大型化。着重开发氧化物和非氧化物复合的耐火材料。非氧化物复合的耐火材料。减少了硅石

33、、粘土、叶腊石等天然原料减少了硅石、粘土、叶腊石等天然原料 用量用量,转向烧结、电熔氧化镁、碳化硅等转向烧结、电熔氧化镁、碳化硅等 人工合成原料。人工合成原料。研制复杂和高精度形状的加工技术。研制复杂和高精度形状的加工技术。采用高压成型、高温烧成的设备和技采用高压成型、高温烧成的设备和技 术，使高纯原料制成的制品（尤其大型术，使高纯原料制成的制品（尤其大型 制品）致密度得以保证。制品）致密度得以保证。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院35 宝钢一、二期国家概算投资宝钢一、二期国家概算投资301.2亿元，三期亿元，三期为为623.4亿元。一期亿元。一期1978.12.2319

34、85.9；二期；二期1991.6投产；三期投产；三期1993年开始建设年开始建设，（包括一座，（包括一座4350m3高高炉，与之配套的炉，与之配套的450m的烧结机和的烧结机和4座座50孔焦炉；孔焦炉；2台台250t顶底复吹转炉及顶底复吹转炉及2台台1450mm板坯连铸机，板坯连铸机，1580mm热连轧机，热连轧机，1420mm冷连轧机，冷连轧机，1550mm冷冷连轧机，一座连轧机，一座150t超高功率双炉底直流电弧炉及一超高功率双炉底直流电弧炉及一座相应钢包精炼炉和一台六流管坯连铸机。）座相应钢包精炼炉和一台六流管坯连铸机。）2019年初投入热负荷试车，当年年产钢能力超过年初投入热负荷试车，

35、当年年产钢能力超过1000万万吨；达产后年产粗钢吨；达产后年产粗钢1100万吨，产品板材万吨，产品板材931.6万吨。万吨。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院362、炼钢工艺流程、炼钢工艺流程降碳、去硫降碳、去硫磷、调硅磷、调硅锰锰2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院372023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院382023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院392023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院403、钢铁工业使用耐火材料的情况、钢铁工业使用耐火材料的情况耐火材料和钢铁工业密不可分，从人类开始从耐火材料和钢铁工业

36、密不可分，从人类开始从事炼铁技术以来，人们就开始使用耐火材料。事炼铁技术以来，人们就开始使用耐火材料。耐火材料主要应用在冶金行业，耐火材料主要应用在冶金行业，70；其；其次是用在建筑行业，次是用在建筑行业，20；其它行业；其它行业10。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院41、简介、简介焦炉是获得焦炭及炼焦化学副产品的热工设备。焦炉是获得焦炭及炼焦化学副产品的热工设备。主要部分为碳化室。主要部分为碳化室。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院422023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院432023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院44

37、 碳化室是由炉墙、炉底、炉顶和炉门组成。碳化室是由炉墙、炉底、炉顶和炉门组成。碳化室工作室工作是周期性的，装煤时炉墙表面碳化室工作室工作是周期性的，装煤时炉墙表面温度降至温度降至500600，结焦末期炉墙表面温度又，结焦末期炉墙表面温度又升至升至10001100。温度的大幅波动，使砌体产。温度的大幅波动，使砌体产生热应力，导致砌体出现裂纹、组织松散、强度生热应力，导致砌体出现裂纹、组织松散、强度降低，还受到煤料成焦时的膨胀压力，致使墙面降低，还受到煤料成焦时的膨胀压力，致使墙面鼓胀和凹陷等。鼓胀和凹陷等。装煤和推焦时，炉墙和炉底经常受到强烈的装煤和推焦时，炉墙和炉底经常受到强烈的机械磨损和撞击

38、，另外，炉墙还承受化学侵蚀和机械磨损和撞击，另外，炉墙还承受化学侵蚀和碳素沉积的作用。因此，碳素沉积的作用。因此，碳化室墙、底用硅砖砌碳化室墙、底用硅砖砌筑。筑。、碳化室用耐火材料、碳化室用耐火材料2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院45 焦炉，尤其现代化大型焦炉对硅砖的要求焦炉，尤其现代化大型焦炉对硅砖的要求时及其严格的。时及其严格的。首先是外观上光洁度与平整度要求很高。首先是外观上光洁度与平整度要求很高。砖的棱角齐整、尺寸公差小。另外，硅砖为鳞砖的棱角齐整、尺寸公差小。另外，硅砖为鳞石英、方石英并与残余石英及玻璃相共存的复石英、方石英并与残余石英及玻璃相共存的复合体，其中

39、只有合体，其中只有形成结晶网络而构成坚形成结晶网络而构成坚固的骨架，使砖具有良好的高温结构强度，为固的骨架，使砖具有良好的高温结构强度，为此必须使石英达到充分转化，促使砖中大量鳞此必须使石英达到充分转化，促使砖中大量鳞石英的形成。石英的形成。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院46 工业发达国家所生产的硅砖真密度一般工业发达国家所生产的硅砖真密度一般为：为：2.312.32g/cm3，控制硅砖中残存石英，控制硅砖中残存石英含量使残余膨胀几乎为零。含量使残余膨胀几乎为零。现代大型焦炉碳化室墙面采用致密硅砖现代大型焦炉碳化室墙面采用致密硅砖砌筑，显气孔率控制在砌筑，显气孔率控制在

40、1617，以提高，以提高炉墙导热性，增加生产能力。炉墙导热性，增加生产能力。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院47炉门炉门由于经常开启，温度波动较大，朝向碳由于经常开启，温度波动较大，朝向碳化室一侧一般化室一侧一般采用粘土砖砌筑采用粘土砖砌筑，也可用堇青石，也可用堇青石砖和不定形耐火材料，耐火材料与外壳之间充砖和不定形耐火材料，耐火材料与外壳之间充填隔热材料。填隔热材料。碳化室靠炉门的墙，也称碳化室靠炉门的墙，也称炉头炉头，处于温度波，处于温度波动大的区域，因此多动大的区域，因此多用粘土砖、高铝砖、硅线用粘土砖、高铝砖、硅线石砖和红柱石砖石砖和红柱石砖砌筑。砌筑。炉头和炉门

41、损坏时一般用砖补砌，或用耐火炉头和炉门损坏时一般用砖补砌，或用耐火可塑料及浇注料修补，较好的修补方法为火焰可塑料及浇注料修补，较好的修补方法为火焰喷补法。喷补法。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院48燃烧室由炉墙、炉底和炉顶组成。炉燃烧室由炉墙、炉底和炉顶组成。炉墙与碳化室共用，需砌筑严密，不得有气体墙与碳化室共用，需砌筑严密，不得有气体串通，该侧面主要受高温、煤中所含盐类和串通，该侧面主要受高温、煤中所含盐类和燃气的作用。炉底与斜道上的空气和煤气道燃气的作用。炉底与斜道上的空气和煤气道相通。燃烧室工作层用相通。燃烧室工作层用硅砖砌硅砖砌筑，其技术要筑，其技术要求与碳化室用

42、砖相同。求与碳化室用砖相同。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院49以以鳞石英为主晶相鳞石英为主晶相的硅质制品。的硅质制品。现代焦炉是由成千种砖形，上万吨耐现代焦炉是由成千种砖形，上万吨耐火材料砌筑的庞大热工设备。硅砖是其砌体火材料砌筑的庞大热工设备。硅砖是其砌体的主要材料，构成了焦炉的基本部分：蓄热的主要材料，构成了焦炉的基本部分：蓄热室、斜道、燃烧室、碳化室、炉顶等，占耐室、斜道、燃烧室、碳化室、炉顶等，占耐火砖总量的火砖总量的6070。焦炉的一个炉役约焦炉的一个炉役约2030年，有的高年，有的高达达45年。焦炉硅砖的质量好坏直接影响到炉年。焦炉硅砖的质量好坏直接影响到炉

43、役的长短。役的长短。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院50焦炉硅砖使用性能要求焦炉硅砖使用性能要求1、荷重软化温度高、荷重软化温度高 焦炉硅砖在高温下能承受炉顶上装煤车焦炉硅砖在高温下能承受炉顶上装煤车的动负荷，并可在长期使用中不变形。的动负荷，并可在长期使用中不变形。2、热导率高、热导率高 焦炭是用焦煤在碳化室中靠燃烧室的焦炭是用焦煤在碳化室中靠燃烧室的热传导加热而炼成的，所以，砌筑燃烧室的热传导加热而炼成的，所以，砌筑燃烧室的硅砖应该有较高的热导率。硅砖应该有较高的热导率。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院513、高温时有良好的热震稳定性能、高温时有

44、良好的热震稳定性能 由于焦炉周期性的装煤、出焦，引起燃烧室由于焦炉周期性的装煤、出焦，引起燃烧室墙两侧硅砖的温度急剧变化。正常操作的温度波墙两侧硅砖的温度急剧变化。正常操作的温度波动范围内不会引起硅砖的严重裂纹和剥落，因为动范围内不会引起硅砖的严重裂纹和剥落，因为在在600以上，焦炉硅砖具有良好的抗热震性能。以上，焦炉硅砖具有良好的抗热震性能。4、体积稳定性、体积稳定性 晶型转化良好的硅砖中，残存石英不大于晶型转化良好的硅砖中，残存石英不大于1，加热时的膨胀集中在加热时的膨胀集中在600 以前，之后膨胀显著趋以前，之后膨胀显著趋缓。在焦炉正常操作时，温度不会降至缓。在焦炉正常操作时，温度不会降

45、至600 以下，以下，砌体的变化也不会大，可长期保持砌体的稳定和砌体的变化也不会大，可长期保持砌体的稳定和严密性。严密性。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院52某焦炉硅砖的理化性能某焦炉硅砖的理化性能2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院53焦炉硅砖的矿物组成：焦炉硅砖的矿物组成：真密度为真密度为2.35g/cm3的硅砖，其矿物组成为：的硅砖，其矿物组成为：鳞石英鳞石英6070，方石英，方石英1525，残存石英，残存石英35，玻璃相及其它，玻璃相及其它10。焦炉硅砖残存石英少，。焦炉硅砖残存石英少，鳞石英多，可以减轻烘炉时的膨胀和在使用过程鳞石英多，可以减轻

46、烘炉时的膨胀和在使用过程中由于残存石英的转化而产生的膨胀。中由于残存石英的转化而产生的膨胀。注：注：新砌焦炉烘炉的温度时间升温曲线应合新砌焦炉烘炉的温度时间升温曲线应合理制定，尤其是在理制定，尤其是在600前膨胀较激烈的阶段应严前膨胀较激烈的阶段应严格控制。格控制。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院54 。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院55 假如，我国炼铁炉料结构全部增加假如，我国炼铁炉料结构全部增加20%的熔的熔剂性球团矿代替烧结矿，球团矿生产比烧结矿生剂性球团矿代替烧结矿，球团矿生产比烧结矿生产能耗每年可直接节约煤炭将近产能耗每年可直接节约煤炭将

47、近500万吨，相当于万吨，相当于河北省钢铁企业烧结能耗的总量。河北省钢铁企业烧结能耗的总量。由于球团矿料层透气性好，强度高，粉末少，由于球团矿料层透气性好，强度高，粉末少，故烟气含尘量少，相对烧结矿可减少排入大气的故烟气含尘量少，相对烧结矿可减少排入大气的灰尘量，有利于改善环境。此外，烧结过程的烟灰尘量，有利于改善环境。此外，烧结过程的烟气中气中SO2、NOX含量都较球团过程中的烟气含量高，含量都较球团过程中的烟气含量高，主要原因是因为烧结使用固体燃料较多，固体燃主要原因是因为烧结使用固体燃料较多，固体燃料中的硫和氮是生成料中的硫和氮是生成SO2、NOX 的来源之一。而的来源之一。而球团矿生产

48、是同高炉配套的，其燃料来源主要是球团矿生产是同高炉配套的，其燃料来源主要是高炉煤气高炉煤气。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院56、高炉简介、高炉简介高炉是利用鼓入的热风使焦炭燃烧及还原高炉是利用鼓入的热风使焦炭燃烧及还原熔炼铁矿石的竖式炉，是在高温和还原气氛下熔炼铁矿石的竖式炉，是在高温和还原气氛下连续进行炼铁的热工设备。连续进行炼铁的热工设备。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院57高炉示意图高炉示意简图2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院58高炉炉体由高炉炉体由5部分组成。部分组成。炉体附设有风口、出渣口、出铁口、冷却炉体附设有风口

49、、出渣口、出铁口、冷却系统及加料装置等设施。系统及加料装置等设施。高炉炉衬按其使用损毁特点可分为高炉炉衬按其使用损毁特点可分为上、中、上、中、下三段；下三段；炉喉、炉身上部和中部；炉喉、炉身上部和中部；炉身下部、炉腰和炉腹；炉身下部、炉腰和炉腹；炉缸和炉缸和炉底。炉底。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院59高炉用高炉用主要主要是是炉料机械磨损、碳素沉积、渣铁侵炉料机械磨损、碳素沉积、渣铁侵蚀、碱金属侵蚀和铅锌渗透、热应力蚀、碱金属侵蚀和铅锌渗透、热应力和高温荷重等综合因素，和高温荷重等综合因素，其中温度是其中温度是决定性的因素。因此，高炉炉体易损决定性的因素。因此，高炉炉体

50、易损部位均设有冷却系统，以提高炉衬的部位均设有冷却系统，以提高炉衬的使用寿命。使用寿命。2023-5-22材料科学与工程学院材料科学与工程学院60 炉喉炉喉承受炉料下降时的直接冲击和摩承受炉料下降时的直接冲击和摩擦，极易磨损，多采用高强度的擦，极易磨损，多采用高强度的砌筑，并采用铸钢板保护。砌筑，并采用铸钢板保护。炉身上部和中部炉身上部和中部温度不超过温度不超过700，无炉渣形成和炉渣，无炉渣形成和炉渣侵蚀，除承受炉料滑行与冲击以及热烟气所携粉侵蚀，除承受炉料滑行与冲击以及热烟气所携粉尘的摩擦而导致机械磨损外，主要是铅、锌侵入尘的摩擦而导致机械磨损外，主要是铅、锌侵入沉积，使衬砖组织变的脆弱，