硅酸铝系耐火材料硅质耐火材料.ppt

2020 4 24 材料科学与工程学院 1 第三章硅酸铝系耐火材料RefractoriesofAl2O3 SiO2system 本章重点 Al2O3 SiO2二元系统 结晶效应 杂质对Al2O3 SiO2二元系统的影响 玻璃效应 Al2O3 SiO2系制品的生产工艺 Al2O3 SiO2系制品的性能 2020 4 24 材料科学与工程学院 2 概况 Al2O3 SiO2系耐火材料 硅质 硅酸铝质 氧化铝质 硅质 SiO2 SiO2 93 硅酸铝质 Al2O3 SiO2半硅质 Al2O3 15 30 酸性 略有膨胀 不定型耐火材料的膨胀剂 粘土质 Al2O3 30 46 我国为48 具有较高的高温性能 适应性强 陶瓷的主要原料 高铝质 Al2O3 46 又可分为I II III等三等 耐火度和热震性随A3S2 Al2O3量变化 氧化铝质 Al2O3 Al2O3 95 2020 4 24 材料科学与工程学院 3 按晶相组成可以分为 莫来石质 刚玉质 刚玉 莫来石质 应用 冶金工业 高炉 热风炉 蓄热室 加热炉 均热炉 退火炉及铸锭系统等 建材工业 机械工业 石油化工工业 动力工业以及轻工业等 2020 4 24 材料科学与工程学院 4 72 78 可分为两个子二元系 Al2O3 A3S2A3S2 SiO2 3 1Al2O3 SiO2系相组成情况 一 Al2O3 SiO2二元系的情况 2020 4 24 材料科学与工程学院 5 1 Al2O3 SiO2的连续变化 可以生产出刚玉质 I II III等高铝质 粘土质 半硅质 硅质耐火材料 2 莫来石组成为产品种类明显变化的分界线 莫来石组成 Al2O3 71 8 SiO2 28 2 熔点 1850 实际上 莫来石组成不固定 Al2O3 72 78 3 Al2O3 SiO2 莫来石组成的高铝砖 特等 一等和高二等 刚玉砖基本晶相组成为 莫来石 刚玉或刚玉 Al2O3 SiO2 莫来石组成的高铝砖 低二等 三等 粘土砖 半硅砖和硅砖基本晶相组成为 SiO2 莫来石或SiO2 2020 4 24 材料科学与工程学院 6 表Al2O3 SiO2系耐火材料的分类及主要矿相 2020 4 24 材料科学与工程学院 7 SiO2与莫来石之间有一低共熔点 1587 10 共溶组成为Al2O3 5 5 SiO2 94 5 E1点距SiO2一侧很近 如果在SiO2中加入1 的Al2O3 根据杠杆规则 在1587 将会产生1 5 5 18 2 的液相 所以 硅砖中要防止Al2O3混入 1587 1700 液相线较陡 说明液相增加速度慢 1700 以上 液相线较平 说明液相增加速度较快 以上说明 粘土制品的荷重软化开始温度低 荷重软化温度范围宽 4 A3S2 SiO2子系统 2020 4 24 材料科学与工程学院 8 5Al2O3 A3S2子体系 5 结论 固液相数量及其比例 共熔温度 及液相随温度升高的增长速度决定制品的高温性能 A3S2熔点为1850 Al2O3 2050 以及低共熔点1840 都很高 因此莫来石和刚玉质的耐火材料性能优良 Al2O3含量高 则刚玉生成量越高 使液相生成温度越高 2020 4 24 材料科学与工程学院 9 SiO2 Al2O3系组成与耐火度间的关系 2020 4 24 材料科学与工程学院 10 本节重点 SiO2变体及晶型转变 鳞石英的熔点及结晶特性 矿化剂的选择原则及其种类 硅砖的生产工艺及其性能 3 2硅质耐火材料RefractoriesofSiO2system 2020 4 24 材料科学与工程学院 11 简介 定义 以SiO2为主要成分 93 98 的耐火制品 包括硅砖 特种硅砖 石英玻璃及其制品 分类 普通硅砖高密度硅砖 超高密度硅砖 一 定义及分类 2020 4 24 材料科学与工程学院 12 不同密度硅砖物理性能对比 2020 4 24 材料科学与工程学院 13 不同密度硅砖化学矿物组成对比 2020 4 24 材料科学与工程学院 14 14 优质硅砖的理化性能 2020 4 24 材料科学与工程学院 15 二 特点 对酸性炉渣抵抗力强 但受碱性渣强烈侵蚀 对CaO FeO Fe2O3等氧化物有良好的抵抗性 荷重变形温度高 波动在1640一1680 间 接近鳞石英 方石英的熔点 1670 1713 热震稳定性低 其次是耐火度不高 这限制了广泛应用 2020 4 24 材料科学与工程学院 16 应用于 焦炉 热风炉 玻璃熔窑 隧道窑的拱顶 各种窑炉的架子砖等 2020 4 24 材料科学与工程学院 17 3 2 1硅砖生产的物理化学原理 一 SiO2的同质多晶转变 SiO2的晶型转变 2020 4 24 材料科学与工程学院 18 SiO2不同变体间转变时的体积变化 2020 4 24 材料科学与工程学院 19 SiO2变体的性质 2020 4 24 材料科学与工程学院 20 磷石英具有较高的体积稳定性 2020 4 24 材料科学与工程学院 21 纯SiO2变体的 G T图 2020 4 24 材料科学与工程学院 22 鳞石英矛头双晶 熔点1670 2020 4 24 材料科学与工程学院 23 鳞石英双晶 N1 100 石英粒状晶体的断口形貌 2020 4 24 材料科学与工程学院 24 然界中 各种硅石所含的石英一般均为 石英 至于鳞石英 方石英则很少 方石英的熔点1723 鳞石英是1670 而石英是1600 但鳞石英具有较高的体积稳定性 硅砖中鳞石英具有特殊的结构 矛头状双晶相互交错的网络状结构 形成结晶网络 能获得坚强的骨架 因而使砖具有较高的荷重软化点及机械强度 不易熔于液相 这就使制品不因液相的出现而发生变形 只有温度达到鳞石英的熔点 破坏了网络结构 制品才被压溃 为什么在硅砖的生产过程中 石英转化成鳞石英的量越多越好 2020 4 24 材料科学与工程学院 25 1 作用是加速石英在烧成时转变为低密度的变体 鳞石英和方石英 而不显著降低其耐火度 它还能防止砖坯烧成时因发生急剧膨胀而产生的松散和开裂 注 制品松散 开裂的原因 在矿化剂很少或几乎没有时 石英转变 方石英 干转化 在干转化时 由于砖体的不均匀的体积膨胀很大 而又无液相缓冲应力 因而引起制品结构松散和开裂 不可能制得良好性能的制品 二 矿化剂 2020 4 24 材料科学与工程学院 26 2 影响矿化剂作用的因素取决于所加矿化剂与砖坯中硅氧在高温时所形成熔液的数量和性质 即液相开始形成的温度 液相的数量 粘度 润湿能力和结构等 共熔温度 愈低 愈有利于烧成中形成的方石英通过液相向鳞石英转变 矿化剂作用愈强 磷石英愈多 晶粒愈大 如 CaO Al2O3 SiO2 1170 2020 4 24 材料科学与工程学院 27 液相的结晶能力 液相是否易被SiO2所饱和 含Li2O Na2O FeO MnO等氧化物的液相易被SiO2饱和 具有高的结晶能力 是强矿化剂 液相黏度和润湿能力 溶解速度 黏度 扩散速度和液相的粘度有关 以碱金属氧化物作矿化剂时 所得液相的粘度最小 鳞石英化程度也最高 二价氧化物次之 注 当用复合氧化物为矿化剂时 在SiO2含量相同 则所得液相的粘度比只用其中一种氧化物的小 因而能增强矿化作用 润湿能力 与所加氧化物的阳离子半径及电荷有关 阳离子的电荷大 半径小的氧化物润湿能力强 因此化能力也强 2020 4 24 材料科学与工程学院 28 液相的结构 若液相的原子比O Si约为2 1 2 5时含有大量的二氧化硅四面体的阴离子络合物 其近程次序和 鳞石英的晶格结构相近 则将从液相中强烈析出鳞石英 矿化作用以碱金属最强 FeO MnO次之 CaO MnO较差 2020 4 24 材料科学与工程学院 29 3 矿化剂的选择原则 与SiO2作用 并在不太高的温度下形成液相 且对制品的耐火度降低不大 能够形成足够的液相 液相应具有低的黏度及大的润湿石英的能力 且数量随温度的改变不大 在制砖过程中 矿化剂分布应均匀 不具水溶性 经济 溶液制备容易 便于生产控制 2020 4 24 材料科学与工程学院 30 即 有二液区 形成液相温度 1470 鳞石英的最高稳定温度 2020 4 24 材料科学与工程学院 31 2020 4 24 材料科学与工程学院 32 含SiO2的二元系统类型 有二液区CaO SiO2FeO SiO2MgO SiO2TiO2 SiO2Cr2O3 SiO2 不含二液区Al2O3 SiO2Na2O SiO2K2O SiO2 2020 4 24 材料科学与工程学院 33 CaO SiO2系 液化温度1707 二液区宽度1 27 5CaO 二元共熔点1436 CaO可用作矿化剂 硅砖可以单独吸收27 5 CaO而不致崩溃 27 5 2020 4 24 材料科学与工程学院 34 FeO SiO2系 液化温度1698 二液区宽度3 42FeO 二元共熔点1178 FeO能用作矿化剂 硅砖可以单独吸收42 FeO而不致崩溃 42 3 2020 4 24 材料科学与工程学院 35 MgO SiO2系 液化温度1695 1723 二液区宽度3 42MgO 二元共熔点1543 MgO不能用作矿化剂 2020 4 24 材料科学与工程学院 36 TiO2 SiO2系 液化温度1780 1794 二液区宽度18 92TiO2 偏向TiO2 二元共熔点1553 TiO2不能用作矿化剂 2020 4 24 材料科学与工程学院 37 Cr2O3 SiO2系 液化温度2250 二液区宽度5 98Cr2O3 二元共熔点1720 Cr2O3不能用作矿化剂 2020 4 24 材料科学与工程学院 38 CaO FeO SiO2系 CaO SiO2 FeO SiO2都有二液区 由两个含二液区的二元系统构成的三元系统 仍然保持着二液区 CaO FeO可作为矿化剂 硅砖可以同时吸收不同比例的CaO和FeO 2020 4 24 材料科学与工程学院 39 Al2O3 SiO2系 加入5 5 Al2O3 液化温度由1723 降到3Al2O3 2SiO2 SiO2共晶点1595 并且无二液区 Al2O3不能用作矿化剂 5 5 2020 4 24 材料科学与工程学院 40 Na2O SiO2系 加入6 5 Na2O 液化温度下降到1600 25 Na2O 液化温度降到Na2O SiO2 SiO2共晶点789 并且无二液区 Na2O不能用作矿化剂 Na2O也是有害杂质 25 6 5 2020 4 24 材料科学与工程学院 41 所以 生产中常用的矿化剂是 CaO FeO MnO 对硅质原料耐火度降低不大 温度升高 液相量增加缓慢 使泥料具有结合性和可塑性 干燥后坯体具有一定的强度 烧成时起矿化剂作用 促进石英转化 目前生产中采用 石灰 铁质 CaO FeO 减少制品裂纹 主要用轧钢皮 铁鳞 引入 要求 Fe2O3 FeO 90 加入量 3 4 2020 4 24 材料科学与工程学院 42 85 66 2020 4 24 材料科学与工程学院 43 三 与硅砖有关的物系 Na2O K2O SiO2杂质作用Al2O3 SiO2杂质作用Na2O K2O A12O3 SiO2耐火度 优质硅砖要求 CaO 3 A12O3十TiO2十R2O 0 5 R2O Al2O3 SiO2系 2020 4 24 材料科学与工程学院 44 B 1 Al2O3 2 CaO 97 SiO2 B 0 5 Al2O3 2 CaO 97 5 SiO2 Al2O3 CaO SiO2系 2020 4 24 材料科学与工程学院 45 2007 5 20 Al2O3 CaO SiO2系 B 1 Al2O3 2 CaO 97 SiO2L1600 SiO2 B 100 SiO2 C 15 3 S1600 B C 100 SiO2 C 84 5 B 0 5 Al2O3 2 CaO 97 5 SiO2L1600 SiO2 B 100 SiO2 C 10 9 S1600 B C 100 SiO2 C 89 1 2020 4 24 材料科学与工程学院 46 A12O3对硅砖有严重影响 2020 4 24 材料科学与工程学院 47 Na2O K2O SiO2杂质作用Al2O3 SiO2杂质作用Na2O K2O A12O3 SiO2耐火度 优质硅砖要求 CaO 3 A12O3十TiO2十R2O 0 5 R2O Al2O3 SiO2系 2020 4 24 材料科学与工程学院 48 3 1 2硅砖生产工艺 一 原料 1 硅质原料 2020 4 24 材料科学与工程学院 49 2 废硅砖 20 降低成本 减少坯体的烧成收缩 降低烧成废品率 3 矿化剂 轧钢皮 铁鳞 Fe2O3 FeO 90 平炉渣 硫酸渣 软锰矿等 4 结合剂 石灰乳 硅酸盐水泥 亚硫酸纸浆废液 2020 4 24 材料科学与工程学院 50 颗粒组成的选择 结合剂少 临界粒度 颗粒大易压碎 转变时体积膨胀大而开裂 临界粒度要小 一般为2 3mm 细粉数量 转变时体积膨胀小 与矿化剂作用及烧结性增强 成型砖坯体积密度2 2 2 3g cm3砖模尺寸应缩小 缩尺 烧成废品率高 SiO2晶型转变 体积变化 液相量较少 10 二 生产工艺要点 2020 4 24 材料科学与工程学院 51 150 自由水 450 500 Ca OH 2分解 砖坯结合强度 550 650 石英 石英600 700 CaO与SiO2的固相反应开始 砖坯结合强度 2CaO SiO2 2CaO SiO22CaO SiO2 SiO2 2 CaO SiO2 烧成中主要物理化学变化 2020 4 24 材料科学与工程学院 52 1000 1100 生成固溶体 CaO SiO2 FeO SiO2 CaO SiO2 FeO SiO2 CaO SiO2 FeO SiO2 1200 与