耐火材料与保温技术.doc

耐火材料与保温技术摘要：耐火材料是一种耐火度不低于1580，有较好的抗热冲击和化学侵蚀的能力、导热系数低和膨胀系数低的无机非金属材料。耐火材料的质量对炉子寿命、产品品质、生产成本等都有直接影响。耐火材料的质量取决于其物理性质和工作性能的好坏。其广泛应用于水泥、钢铁、玻璃等重要的工业生产行业中。中国耐火材料的发展历史悠久，但依然存在各种缺点和不足。中国耐火材料的发展总体有着向朝着原料优质化、向质量型转变、开拓新品种、新工艺、耐火材料综合消耗等方向发展的前景。关键词：中国 耐火材料 发展 前景 性能 耐火材料定义为耐火度不低于1580，有较好的抗热冲击和化学侵蚀的能力、导热系数低和膨胀系数低的无机非金属材料。其主要是以铝矾土、硅石、菱镁矿、白云石等天然矿石为原料经加工后制造而成的。其应用是用作高温窑、炉等热工设备的结构材料，以及工业用高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。主要是广泛用于冶金、化工、石油、机械制造、硅酸盐、动力等工业领域，在冶金工业中用量最大，占总产量的5060。耐火材料的发展在国民工业生产的应用中有着举足轻重的地位。随着近年我国钢铁生产的高速发展，高炉炉衬用耐火材料取得了很大的进步，在生产技术、产品品种、质量水平方面，正逐步追赶世界先进水平，取代某些进口产品，以满足我国炼铁生产发展的需要。延长高炉寿命是近十几年来我国冶金工业的重要技术政策，炼铁工作者和耐火材料工作者为此做出了很大的努力，并取得了显著的成效。本文简介近年我国高炉炉衬用耐火材料发展的基本情况，以及武钢在这方面的研究工作。通过对高炉不同部位侵蚀机理的分析，以及国内高炉耐火材料产品与国外同类名牌产品的性能对比，探讨合理选用高炉耐火材料问题，避免或者减少盲目地、不恰当地使用进口耐火材料。1. 简述耐火材料的分类和性能要求1.1分类 1.11按组成来分，耐火材料可分为硅质制品、硅酸铝质制品、镁质制品、白云石制品、铬质制品、锆质制品、纯氧化制品及非纯氧化物制品等。 1.12按工艺方法来划分，可分为泥浆浇注制品、可塑成形制品、半干压成形的制品、由粉末非可塑料捣固成形制品、由熔融料浇注的制品、经喷吹或拉丝成形的制品及由岩石锯成的天然制品等。 1.13根据耐火度来分，可分为普通耐火材料制品，其耐火度为1580 1770；高级耐火材料制品，其耐火度为17702000；特级耐火材料制品。其耐火度为2000以上。 1.14根据耐火材料制品的外形来分，可分为定形耐火材料制品，如烧成砖。电熔砖。耐火隔热砖以及实验和工业用坩埚。器皿等特殊制品；不定形耐火材料制品，简称散装料，在使用地点才制成所需要的形状和进行热处理，如浇注料、捣打料、投射料、耐火泥等；耐火纤维，如铝纤维、硅酸铝纤维等，使用时一般经过加工成毯、毡、板、绳。组合键和纤维块制品。12基本性能要求 耐火材料的性能表现在诸多方面，其中它的物理性能包括结构性能、热学性能、力学性能、使用性能和作业性能。结构性能包括气孔率、体积密度、吸水率、透气度、 气孔孔径分布等。 热学性能包括热导率、热膨胀系数、比热、热容、导温系数、热发射率等。力学性能包括耐压强度、抗拉强度、抗折强度、抗扭强度、剪切强度、冲击强度、耐磨性、蠕变性、粘结强度、弹性模量等。使用性能包括耐火度、荷重软化温度、重烧线变化、抗热震性、抗渣性、抗酸性、抗碱性、抗水化性、抗CO侵蚀性、导电性、抗氧化性等。作业性包括稠度、塌落度、流动度、可塑性、粘结性、回弹性、凝结性、硬化性等。其中耐火度是耐火材料的最主要的性能技术指标，耐火度越高，其质量也好。 耐火材料的重要性体现在：影响炉子生产率，影响产品质量，影响炉子寿命，以及影响产品成本。2. 中国耐火材料的发展2.1中国古代耐火材料的制造和应用 中国古代耐火材料制造技艺方面，从许多高温操作工艺如冶铁、炼钢、铸铜、陶瓷、玻璃灯的史实来推断，有很好的成就。5000多年以前中国即有陶瓷，2000多年前即有瓷器。其烧制用的窑炉衬砖和匣钵，均不可缺少耐火材料。2.2中国当代耐火材料的发展 高温工业生产都会涉及到耐火材料问题。如钢铁冶炼、玻璃熔制、陶瓷、水泥的烧成，以及耐火材料烧成，都密切与耐火材料有关。中国建国初期耐火材料工业很落后，几乎全是手工作业。通过选用当地原料、改进工艺、强化操作，是一些关键产品（如黏土砖和硅砖）的质量基本达到了当时的标准。 后来，研究开发了高铝砖、镁铝砖、焦炉硅砖、碳砖、碳化硅砖、电熔莫来石砖、耐火混凝土和不烧砖，使用上取得了很好的效果，最突出的科技成就就是从中国资源特点出发，根据中国有丰富的菱镁矿和高铝矾土淡缺少铬铁矿的情况，以镁铝砖代替国外传统使用的镁铝砖。又如利用中国丰富的高铝钒硅土研究开发了各级高铝砖的产品系列，在水泥回转窑、高温隧道等逐步推广使用，都取得了相当的发展。3. 耐火材料发展的优势与不足3.1耐火材料发展促进工业产业进步 近三十年来，由于耐火材料的研究不断的深入，新颖优质的耐火材料的层出不穷。与耐火材料密切联系的工业产业得到了足够的动力，使产业效率不断提高，从而促进了产业的进步。粗钢年产量从1980年的3700万吨增长到2009年的56800万吨，跃居世界第一位。连铸钢的产量的增加也较快。2009年10种有色金属的产量为260488万吨，同比增长399。2008年的水泥生产产量达到为14.5亿吨，位居第一。现在大型现代化钢铁厂和水泥厂所用的耐火材料已有95%以上采用国内产品。3.2耐火材料存在的不足 中国耐火材料年生产的主要问题是质量不够稳定，优质高效新产品不足，以致使用寿命低，消耗高。中国国内的耐火材料产品中，普通制品仍占据很大比例，优质长寿节能产品少。与国际水平相比，其耐火材料生产存在着“高耗低效”的问题。其出现的原因有两方面：一方面是中国国内耐火材料存在着质量低、品种少、寿命短的现象，实际生产中有些最容易损坏的地方，按理应该用性能更好的高档的耐火材料，但由于品种少，不得不都用一样的材料，结果导致寿命不同步，浪费比较大。另一方面，中国的钢铁生产工艺和设备亦存在着一些特殊情况。就高炉而言，大中小都有，且中小高炉占有很大比例。4. 耐火材料性能评价方法的进步 过去炼铁工作者对高炉耐火材料性能的要求仅限于一些常规性能如对炭砖仅要求灰份、耐压强度、体积密度、气孔率等指标对陶瓷耐火材料仅要求化学成分、耐火度、荷重软化温度、显气孔率、体积密度、耐压强度、重烧线变化率等指标。 对于高炉耐火材料使用性能的检测方法已进行了近20年的长期研究。在研究高炉砖衬破损和侵蚀机理的基础上对高炉耐火材料提出了多项特殊使用性能要求并研究出了相应的试验方法通过原冶金部制定了检验方法标准。主要的检验方法标准有导热系数;抗碱性;抗铁水熔蚀性;抗炉渣侵蚀性;平均孔径;1m孔容积率;透气度;抗氧化性。应用这些检验方法选用高炉耐火材料已有十多年历史对高炉寿命的提高发挥了重要的作用。这些检验方法目前已在国内得到广泛应用很多新型优质高炉耐火材料不断地开发出来有的综合性能已赶上国际先进水平有些指标甚至超过了国际先进水平。5. 耐火材料的种类5.1酸性耐火材料 用量较大的有硅砖和粘土砖。硅砖是含93%以上SiO2的硅质制品，使用的原料有硅石、废硅砖等。硅砖抗酸性炉渣侵蚀能力强，但易受碱性渣的侵蚀，它的荷重软化温度很高，接近其耐火度，重复煅烧后体积不收缩,甚至略有膨胀，但是热震性差。硅砖主要用于焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉等热工设备。粘土砖中含30%46%氧化铝，它以耐火粘土为主要原料，耐火度15801770，抗热震性好，属于弱酸性耐火材料，对酸性炉渣有抗蚀性，用途广泛，是目前生产量最大的一类耐火材料。5.2中性耐火材料 高铝质制品中的主晶相是莫来石和刚玉，刚玉的含量随着氧化铝含量的增加而增高，含氧化铝95%以上的刚玉制品是一种用途较广的优质耐火材料。铬砖主要以铬矿为原料制成的，主晶相是铬铁矿。它对钢渣的耐蚀性好，但抗热震性差，高温荷重变形温度较低。用铬矿和镁砂按不同比例制成的铬镁砖抗热震性好，主要用作碱性平炉顶砖。 碳质制品是另一类中性耐火材料，根据含碳原料的成分和制品的矿物组成，分为碳砖、石墨制品和碳化硅质制品三类。碳砖是用高品位的石油焦为原料，加焦油、沥青作粘合剂，在1300隔绝空气条件下烧成。石墨制品(除天然石墨外)用碳质材料在电炉中经25002800石墨化处理制得。碳化硅制品则以碳化硅为原料，加粘土、氧化硅等粘结剂在13501400烧成。也可以将碳化硅加硅粉在电炉中氮气氛下制成氮化硅碳化硅制品。碳制品的膨胀系数很低导热性高，耐热震性能好，高温强度高。在高温下长期使用也不软化，不受任何酸碱的侵蚀，有良好的抗盐性能，也不受金属和熔渣的润湿，质轻，是优质的耐高温材料。缺点是在高温下易氧化，不宜在氧化气氛中使用。碳质制品广泛用于高温炉炉衬（炉底、炉缸、炉身下部等）、熔炼有色金属炉的衬里。石墨制品可以做反应槽和石油化工的高压釜内衬。碳化硅与石墨制品还可以制成熔炼铜同金和轻合金用的坩埚。5.3碱性耐火材料 以镁质制品为代表。它含氧化镁80%85%以上， 以方镁石为主晶相。生产镁砖的主要原料有菱镁矿、海水镁砂由海水中提取的氢氧化镁经高温煅烧而成）等。对碱性渣和铁渣有很好的抵抗性。纯氧化镁的熔点高达2800,因此,镁砖的耐火度较粘土砖和硅砖都高。20世纪50年代中期以来，由于采用了吹氧转炉炼钢和采用碱性平炉炉顶，碱性耐火材料的产量逐渐增加，粘土砖和硅砖的生产则在减少。碱性耐火材料主要用于平炉、吹氧转炉、电炉、有色金属冶炼以及一些高温热工设备。5.4其他耐火材料 氧化物材料如氧化铝、氧化镧、氧化铍、氧化钙、氧化锆、氧化铀、氧化镁、氧化铈和氧化钍等熔点在20503050；难容化合物材料如碳化物（碳化硅、碳化钛、碳化钽等）、氮化物（氮化硼、氮化硅等）、硼化物（硼化锆、硼化钛、硼化铪等）、硅化物(二硅化钼等)和硫化物(硫化钍、硫化铈等)。它们的熔点为20003887，其中最难熔的是碳化物；高温复合材料如金属陶瓷、高温无机涂层和纤维增强陶瓷等。6中国耐火材料的发展前景 今后耐火材料技术发展的主要方向应当是，根据中国原料资源特点，全面提高质量，终点开发优质高效新产品，采用先进工艺、技术革新和更新装备，以提高使用效果降低使用消耗，适应高温技术苛刻要求4。具体今后的发展前景如下： 6.1原料优质化 这是发展优质耐火材料的基础。要在选矿、提纯、合成工艺、锻炼技术等方面做大量的研究。原料纯度的提高，烧结程度改善，成分结构均匀，性能稳定，为发展优质高纯高效制品提供了基础。天然耐火原料使用比例逐渐此案将，而经过选矿与合成的高纯度、高密度和质量均匀的耐火原料比例不断提高。另外，在研制耐火材料新品种方面，也应该立足于中国的资源和需要，研究发展优质、高效、高铝质和碱性制品。 6.2向质量型转变 以节能、省力、多品种、高质量、低产量、高利润为特点，加速耐火材料从量到质、从劳动密集型想技术密集型的转变，要有数量型想品种质量型转变。 6.3开拓新品种 包括有：高温型耐火制品；低能耗型耐火制品；高技术、高性能耐火制品。 6.4新工艺 工艺上严格要求精料、精配、高压、高温、复合技术、引用超细粉，通过调节控制显微结构特征，可改进、优化高温性能，尤其是理学性能、抗热震性能和抗侵性能。另外，为使直接结合和再结合砖向更高纯度、更高密度和更好