耐火材料工艺学课件

20十二月20221耐火材料工艺学18十二月20221耐火材料工艺学本节课主要内容了解碳复合耐火材料发展的背景、历程及地位理解“碳”与“炭”的区别掌握石墨的特性及含碳耐火材料的优点熟知目前含碳耐火材料急需解决的问题本节课主要内容了解碳复合耐火材料发展的背景、历程及地位已学知识点回顾1、耐火材料制备过程中的物理、化学以及工程学问题；2、耐火材料的组成、结构与性质以及它们之间的关系；3、耐火材料使用过程中的物理与化学过程及其损毁机理。一、耐火材料学主要研究的内容已学知识点回顾1、耐火材料制备过程中的物理、化学以及工程学问已学知识点回顾1、使用寿命、降低消耗——过去及大多现在；2、耐火材料的功能化——现在及未来；3、节能减排——未来。二、耐火材料研究的目标——过去，现在和将来已学知识点回顾1、使用寿命、降低消耗——过去及大多现在；二、已学知识点回顾高炉炼铁——将铁矿石制备还原成含碳铁水的过程：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2,Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2

炼钢过程——将含碳铁水中的碳氧化、除杂、合金化的过程三、钢铁冶金的过程已学知识点回顾高炉炼铁——将铁矿石制备还原成含碳铁水的过程：已学知识点回顾1、考虑耐火材料的耐火度。例如粘土砖的耐火度为1730℃，而其使用温度仅为1350℃。

2、考虑耐火材料的高温结构强度，通过其荷重软化点来表征。耐火材料的使用温度必须要低于其荷重软化点。例如粘土砖的耐火度为1730℃，而其荷重软化点为1350℃，因此最高使用温度仅为1350℃。3、考虑耐火材料要具有高的热稳定性；四、高温工业选择耐火材料的依据已学知识点回顾四、高温工业选择耐火材料的依据已学知识点回顾具有高温化学稳定性。例如，硅砖只能做酸性熔渣的耐火材料，而不能做为碱性熔渣的耐火材料；而镁砖则恰好相反，只能做碱性熔渣的耐火材料。考虑材料的致密度。满足前述条件下，尽量选择体积密度小的材料，以减少蓄热增强体温。在用作电炉内衬时，还需考虑其导电性。耐火材料的性能必须要满足生产要求，在此基础上，考虑其经济要求，尽量使生产成本最低。

已学知识点回顾具有高温化学稳定性。例如，硅砖只能做酸性熔渣传统耐火材料：MgO、Al2O3

、MA、A3S2……离子晶体、熔点高、储量丰富与炉渣亲和性润湿性好、脆性材料、热导率小抗渣性与热震稳定性差4.1碳复合耐火材料发展概况(背景、历程和地位)（1）背景氧化物为主特点：传统耐火材料：MgO、Al2O3、MA、A3S2……4.1新的冶炼技术的需要铁水的预处理顶吹、顶底复吹、超高功率电炉炉外精炼、连铸比的不断提高。要求耐火材料使用寿命(servicelife)要高。新的冶炼技术的需要铁水的预处理上个世纪80年代初至80年代末的二伊战争石油危机重油紧缺----如何节能降耗？能源危机的需要上个世纪80年代初至80年代末的二伊战争（2）历程国外国内

上世纪70年代末期，日本九洲耐火材料公司渡边明等人研制成功镁碳砖，在多国申报专利；镁碳砖最先用于电炉电极的热点部位；1978年用于转炉底吹转炉供气嘴，1979年用于转炉的各个部位。1980前后年开始研究含碳耐火材料，且列入国家“七五”(1985~1989)科技攻关项目。

1987年9~12月在鞍钢三炼钢厂转炉上试用镁碳砖后，仅用一年时间就超额完成了“七五”转炉炉龄达千次的攻关目标。上世纪80年代后期，在全国各大中小钢厂普遍推广使用MgO-C质耐火材料作为转炉和电炉的炉衬。（2）历程国外国内上世纪70年代末期，日本九洲（3）地位碳复合耐火材料是目前钢铁冶金工业中应用最广泛的一种耐火材料，图示说明。炼铁系统炼钢系统连铸系统（3）地位碳复合耐火材料是目前钢铁冶金工业中高炉高炉主沟渣沟铁沟

Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C高炉出铁场Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C铁沟浇注料高炉出铁口用Al2O3-SiC-C炮泥主沟渣沟铁沟Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C出铁口沟盖主沟渣沟铁沟摆动流槽高炉出铁口组成出铁口沟盖主沟渣沟铁沟摆动流槽高炉出铁口组成高炉出铁口Al2O3-SiC-C质炮泥高炉出铁口Al2O3-SiC-C质炮泥Ironmaking——torpedoladle（鱼雷罐）炼铁——鱼雷罐(运送铁水、铁水预处理脱P,S)Al2O3-SiC-C砖Ironmaking——torpedoladle（鱼雷罐）

Al2O3-MgO-C砖

Al2O3-SiC-C砖红柱石砖或Al2O3-SiC-C砖低水泥浇注料红柱石砖Al2O3-MgO-C砖Al2O3-SiC-C砖红柱石砖转炉系统顶吹氧气管底吹氩气管转炉系统顶吹氧气管底吹氩气管转炉炼钢系统铁水包转炉Al2O3-SiC-C砖MgO-C砖(MgO-CaO-C砖)鞍钢250T转炉转炉炼钢系统铁水包转炉Al2O3-SiC-C砖MgO-C砖(氧枪出钢口转炉炉口耳轴转炉耐火材料内衬吹气时的流动状态气体空间渣层金属液内衬全部是碳复合耐火材料氧枪出钢口转炉炉口耳轴转炉耐火材料内衬吹气时的流动状态气体空三相交流电炉炼钢示意图工作衬全部是含碳耐火材料三相交流电炉炼钢示意图工作衬全部是含碳耐火材料内衬：MgO-C，高碳导电炉底砖（MgO-C砖）及MgO-C捣打料(阳极)直流电弧炉内衬：MgO-C，高碳导电炉底砖（MgO-C砖）及MgO-C连铸系统钢包:渣线——MgO-C砖包衬——Al2O3-MgO-C砖连铸三大件塞棒——Al2O3-C质长水口——Al2O3-C质浸入式水口——Al2O3-C质滑板——Al2O3-ZrO2-CSEN（submergedentrynozzle）浸入式水口SES（Submergedentryshroud）浸入式水口双板滑动式水口工作示意中间包底滑板执行机构连铸系统钢包:SEN（submergedentrynoz钢包渣线MgO-C包衬:Al2O3-MgO-CAl2O3-MA-C钢包—中间包系统长水口Al2O3-C钢包渣线MgO-C包衬:钢包—中间包系统长水口Al2O3-C钢壳渣线：镁碳砖包衬：铝镁碳砖钢包结构示意图钢壳渣线：镁碳砖包衬：铝镁碳砖钢包结构示意图钢包(盛钢桶)内衬耐火材料钢包(盛钢桶)内衬耐火材料出完钢后的钢包渣线钢水作用区精炼炉钢包出完钢后的钢包渣线钢水作用区精炼炉钢包碳复合耐火材料的种类

炼铁系统（高炉炮泥、铁沟、渣线、鱼雷罐等）：Al2O3-SiC-C、Al2O3-MgO-C系列

炼钢系统（转炉、电炉）：MgO-C、MgO-CaO-C系列

连铸系统（钢包、钢包滑板、水口、长水口、中间包滑板、浸入式水口、塞棒等）：MgO-C、Al2O3-C、MgO-Al2O3-C系列碳复合耐火材料的种类炼铁系统（高炉炮泥、铁沟（4）“碳”与“炭”的区别

“碳”是一种元素，符号为C。

“炭”是碳，且以无定形碳为主的人造物质(artifact,non-natural)。炭的化学成分主要是碳，且其中的碳以无定形(非晶)结构存在。“碳”与“炭”的关系：

炭=无定形碳+杂质。实际应用时重点看是不是无定形碳，从而确定该用何字。三维结构（4）“碳”与“炭”的区别“碳”是一种元（5）石墨的特性及含碳耐火材料的优点石墨是元素碳的一种同素异形体（金刚石、C60、石墨烯、纳米碳管）。天然石墨类型致密结晶状石墨（块状）:结晶明显,晶体肉眼可见，直径>0.1毫米，品位高，含碳量为60～65%，有时达80～98%。鳞片石墨，呈鳞片状，有大鳞片和细鳞片之分。品位10～25%之间。可浮性好。隐晶质石墨（土状石墨）。晶体直径<1微米，特点是表面呈土状，缺乏光泽，润滑性差。品位较高。一般的60～85%。少数高达90%以上。石墨外观（5）石墨的特性及含碳耐火材料的优点石是以石油焦、沥青焦等为主要原料，以沥青为结合剂，压制成型后，经2500~3000℃高温非氧化气氛下进行石墨化处理而得。特点：含碳量高（99％以上），灰分少（不超过0.5％），但其结晶程度不如天然鳞片状石墨，且生产工艺复杂。

含碳耐火材料中大量使用的是天然鳞片石墨（自然界的薄片石墨）。人造石墨人造石墨石墨结构示意图

石墨（Graphite）的基本性质真空中熔点为3850℃,挥发点为4250℃；低压下升华温度:2200℃,其强度随温度的升高而增加。六角网状平面上的每个碳原子与周围碳原子形成三个共价键,另一个电子在该平面上自由移动,且与相邻平面上碳原子的剩余电子作为电子云存在于网状平面间,使石墨具有良好的导热和导电性。石墨具有各向异性,宏观膨胀系数不大;在温度骤变时其体积变化小,同时具有良好的导热性能,因而石墨抗热震性能优良。石墨结构示意图石墨（Graphite）的基本性质①耐高温性能好；②导热、导电性好；③特殊的抗热震性能；④润滑性，石墨层间结合力弱,使之具有润滑性;鳞片越大,润滑性越好。石墨在常温下具有很好的化学稳定性,不受任何强酸强碱及有机溶剂的侵蚀.⑤良好的化学稳定性和抗侵蚀能力。但石墨在空气中易氧化，用于碳复合耐火材料时应该采取必要的防氧化措施。石墨结构石墨的性质①耐高温性能好；石墨结构石墨的性质（1）对炉渣的不湿润性（non-wettingforslag）（2）高的导热性（highthermalconductivity

）（3）低的热膨胀性（lowthermalexpansion

）此处，石墨与耐火材料在高温下不发生共熔。石墨作为耐火原料时的特性抗渣性热震稳定性湿润角与润湿性的关系接触角或润湿角?（1）对炉渣的不湿润性（non-wettingfors碳复合耐火材料既可以保持原耐火材料的特点，又能发挥复合后的新特性，可根据需要进行设计，取长补短，最大限度地达到使用要求的性能。如MgO-C砖利用了镁砂的抗碱性渣侵蚀能力强和碳的高导热性及低膨胀性，补偿了碱性制品抗剥落性差的最大缺点。

(6)碳复合耐火材料的特点及优点具有高的热震稳定性；良好的抗熔渣和钢水的侵蚀性使用寿命长碳复合耐火材料既可以保持原耐火材料的特点，又（7）碳复合耐火材料使用现状所有的电炉、转炉炉衬材料均为含碳耐火材料；使用寿命大多在一万炉以上，通过采用溅渣护炉技术后,武钢、济钢等钢厂的炉衬寿命均超过三万炉次。但吨钢耐材消耗还有待努力降低!炼钢现场（7）碳复合耐火材料使用现状所有的电炉、(8)目前含碳耐火材料急需解决的问题石墨的高导热热损失大,不利于节能!作为炉衬材料往钢液中渗碳不利于冶炼低碳钢等品种钢(8)目前含碳耐火材料急需解决的问题石墨的高导热热损失大20十二月202239耐火材料工艺学18十二月20221耐火材料工艺学本节课主要内容了解碳复合耐火材料发展的背景、历程及地位理解“碳”与“炭”的区别掌握石墨的特性及含碳耐火材料的优点熟知目前含碳耐火材料急需解决的问题本节课主要内容了解碳复合耐火材料发展的背景、历程及地位已学知识点回顾1、耐火材料制备过程中的物理、化学以及工程学问题；2、耐火材料的组成、结构与性质以及它们之间的关系；3、耐火材料使用过程中的物理与化学过程及其损毁机理。一、耐火材料学主要研究的内容已学知识点回顾1、耐火材料制备过程中的物理、化学以及工程学问已学知识点回顾1、使用寿命、降低消耗——过去及大多现在；2、耐火材料的功能化——现在及未来；3、节能减排——未来。二、耐火材料研究的目标——过去，现在和将来已学知识点回顾1、使用寿命、降低消耗——过去及大多现在；二、已学知识点回顾高炉炼铁——将铁矿石制备还原成含碳铁水的过程：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2,Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2

炼钢过程——将含碳铁水中的碳氧化、除杂、合金化的过程三、钢铁冶金的过程已学知识点回顾高炉炼铁——将铁矿石制备还原成含碳铁水的过程：已学知识点回顾1、考虑耐火材料的耐火度。例如粘土砖的耐火度为1730℃，而其使用温度仅为1350℃。

2、考虑耐火材料的高温结构强度，通过其荷重软化点来表征。耐火材料的使用温度必须要低于其荷重软化点。例如粘土砖的耐火度为1730℃，而其荷重软化点为1350℃，因此最高使用温度仅为1350℃。3、考虑耐火材料要具有高的热稳定性；四、高温工业选择耐火材料的依据已学知识点回顾四、高温工业选择耐火材料的依据已学知识点回顾具有高温化学稳定性。例如，硅砖只能做酸性熔渣的耐火材料，而不能做为碱性熔渣的耐火材料；而镁砖则恰好相反，只能做碱性熔渣的耐火材料。考虑材料的致密度。满足前述条件下，尽量选择体积密度小的材料，以减少蓄热增强体温。在用作电炉内衬时，还需考虑其导电性。耐火材料的性能必须要满足生产要求，在此基础上，考虑其经济要求，尽量使生产成本最低。

已学知识点回顾具有高温化学稳定性。例如，硅砖只能做酸性熔渣传统耐火材料：MgO、Al2O3

、MA、A3S2……离子晶体、熔点高、储量丰富与炉渣亲和性润湿性好、脆性材料、热导率小抗渣性与热震稳定性差4.1碳复合耐火材料发展概况(背景、历程和地位)（1）背景氧化物为主特点：传统耐火材料：MgO、Al2O3、MA、A3S2……4.1新的冶炼技术的需要铁水的预处理顶吹、顶底复吹、超高功率电炉炉外精炼、连铸比的不断提高。要求耐火材料使用寿命(servicelife)要高。新的冶炼技术的需要铁水的预处理上个世纪80年代初至80年代末的二伊战争石油危机重油紧缺----如何节能降耗？能源危机的需要上个世纪80年代初至80年代末的二伊战争（2）历程国外国内

上世纪70年代末期，日本九洲耐火材料公司渡边明等人研制成功镁碳砖，在多国申报专利；镁碳砖最先用于电炉电极的热点部位；1978年用于转炉底吹转炉供气嘴，1979年用于转炉的各个部位。1980前后年开始研究含碳耐火材料，且列入国家“七五”(1985~1989)科技攻关项目。

1987年9~12月在鞍钢三炼钢厂转炉上试用镁碳砖后，仅用一年时间就超额完成了“七五”转炉炉龄达千次的攻关目标。上世纪80年代后期，在全国各大中小钢厂普遍推广使用MgO-C质耐火材料作为转炉和电炉的炉衬。（2）历程国外国内上世纪70年代末期，日本九洲（3）地位碳复合耐火材料是目前钢铁冶金工业中应用最广泛的一种耐火材料，图示说明。炼铁系统炼钢系统连铸系统（3）地位碳复合耐火材料是目前钢铁冶金工业中高炉高炉主沟渣沟铁沟

Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C高炉出铁场Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C铁沟浇注料高炉出铁口用Al2O3-SiC-C炮泥主沟渣沟铁沟Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C出铁口沟盖主沟渣沟铁沟摆动流槽高炉出铁口组成出铁口沟盖主沟渣沟铁沟摆动流槽高炉出铁口组成高炉出铁口Al2O3-SiC-C质炮泥高炉出铁口Al2O3-SiC-C质炮泥Ironmaking——torpedoladle（鱼雷罐）炼铁——鱼雷罐(运送铁水、铁水预处理脱P,S)Al2O3-SiC-C砖Ironmaking——torpedoladle（鱼雷罐）

Al2O3-MgO-C砖

Al2O3-SiC-C砖红柱石砖或Al2O3-SiC-C砖低水泥浇注料红柱石砖Al2O3-MgO-C砖Al2O3-SiC-C砖红柱石砖转炉系统顶吹氧气管底吹氩气管转炉系统顶吹氧气管底吹氩气管转炉炼钢系统铁水包转炉Al2O3-SiC-C砖MgO-C砖(MgO-CaO-C砖)鞍钢250T转炉转炉炼钢系统铁水包转炉Al2O3-SiC-C砖MgO-C砖(氧枪出钢口转炉炉口耳轴转炉耐火材料内衬吹气时的流动状态气体空间渣层金属液内衬全部是碳复合耐火材料氧枪出钢口转炉炉口耳轴转炉耐火材料内衬吹气时的流动状态气体空三相交流电炉炼钢示意图工作衬全部是含碳耐火材料三相交流电炉炼钢示意图工作衬全部是含碳耐火材料内衬：MgO-C，高碳导电炉底砖（MgO-C砖）及MgO-C捣打料(阳极)直流电弧炉内衬：MgO-C，高碳导电炉底砖（MgO-C砖）及MgO-C连铸系统钢包:渣线——MgO-C砖包衬——Al2O3-MgO-C砖连铸三大件塞棒——Al2O3-C质长水口——Al2O3-C质浸入式水口——Al2O3-C质滑板——Al2O3-ZrO2-CSEN（submergedentrynozzle）浸入式水口SES（Submergedentryshroud）浸入式水口双板滑动式水口工作示意中间包底滑板执行机构连铸系统钢包:SEN（submergedentrynoz钢包渣线MgO-C包衬:Al2O3-MgO-CAl2O3-MA-C钢包—中间包系统长水口Al2O3-C钢包渣线MgO-C包衬:钢包—中间包系统长水口Al2O3-C钢壳渣线：镁碳砖包衬：铝镁碳砖钢包结构示意图钢壳渣线：镁碳砖包衬：铝镁碳砖钢包结构示意图钢包(盛钢桶)内衬耐火材料钢包(盛钢桶)内衬耐火材料出完钢后的钢包渣线钢水作用区精炼炉钢包出完钢后的钢包渣线钢水作用区精炼炉钢包碳复合耐火材料的种类

炼铁系统（高炉炮泥、铁沟、渣线、鱼雷罐等）：Al2O3-SiC-C、Al2O3-MgO-C系列

炼钢系统（转炉、电炉）：MgO-C、MgO-CaO-C系列

连铸系统（钢包、钢包滑板、水口、长水口、中间包滑板、浸入式水口、塞棒等）：MgO-C、Al2O3-C、MgO-Al2O3-C系列碳复合耐火材料的种类炼铁系统（高炉炮泥、铁沟（4）“碳”与“炭”的区别

“碳”是一种元素，符号为C。

“炭”是碳，且以无定形碳为主的人造物质(artifact,non-natural)。炭的化学成分主要是碳，且其中的碳以无定形(非晶)结构存在。“碳”与“炭”的关系：

炭=无定形碳+杂质。实际应用时重点看是不是无定形碳，从而确定该用何字。三维结构（4）“碳”与“炭”的区别“碳”是一种元（5）石墨的特性及含碳耐火材料的优点石墨是元素碳的一种同素异形体（金刚石、C60、石墨烯、纳米碳管）。天然石墨类型致密结晶状石墨（块状）:结晶明显,晶体肉眼可见，直径>0.1毫米，品位高，含碳量为60～65%，有时达80～98%。鳞片石墨，呈鳞片状，有大鳞片和细鳞片之分。品位10～25%之间。可浮性好。隐晶质石墨（土状石墨）。晶体直径<1微米，特点是表面呈土状，缺乏光泽，润滑性差。品位较高。一般的60～85%。少数高达90%以上。石墨外观（5）石墨的特性及含碳耐火材料的优点石是以石油焦、沥青焦等为主要原料，以沥青为结合剂，压制成型后，经2500~3000℃高温非氧化气氛下进行石墨化处理而得。特点：含碳量高（99％以上），灰分少（不超过0.5％），但其结晶程度不如天然鳞片状石墨，且生产工艺复杂。

含碳耐火材料中大量使用的是天然鳞片石墨（自然界的薄片石墨）。人造石墨人造石墨石墨结构示意图

石墨（Graphite）的基本性质真空中熔点为3850℃,挥发点为4250℃；低压下升华温度:2200℃,其强度随温度的升高而增加。六角网状平面上的每个碳原子与周围碳原子形成三个共价键,