华北理工矿物材料基础教案11耐火材料（二）

PAGEPAGE9课程名称：《矿物材料学基础》第11讲次本讲课程内容（或教材章节题目）第五章耐火材料第二节耐火材料的生产过程第三节氧化硅质耐火材料第四节硅酸铝质耐火材料第五节碱性及尖晶石质耐火材料本讲课程目的要求及重点、难点：【目的要求】使同学们掌握耐火材料的生产过程，氧化硅质耐火材料、硅酸铝质耐火材料、碱性及尖晶石质耐火材料各自的性能。【重点】耐火材料的生产过程【难点】耐火材料烧成中的物理化学变化教学内容【本讲课程的引入】上节课我们讲了耐火材料的性能，这节课我们讲一下耐火材料的生产过程以及不同耐火材料的生产及性能。。第二节耐火材料的生产过程一、原料加工二、配料1、组分配比A、主体原料B、辅助原料：纸浆、结合剂、水分2、粒度配比A、R大/R小>7B、三组分最紧密堆积原则：两头大，中间小大：中：细=5:1:4=6:1:3=7:1:2成型性能干燥性能烧结性能偏析性大颗粒易易不易易小颗粒不易不易易不易三、混炼1、使水分均匀、颗粒组成均匀、原料成分均匀，并且可塑性↑；2、设备：湿碾机、搅拌机、混砂机3、加料顺序：大颗粒→水、结合剂→细粉4、有的泥料需困料3天，最长达1年。困料：把泥料堆在一起，在一定温度、湿度下放置一定时间，叫做~。作用：A、使水分通过毛细管作用达到均匀；B、使物料分散性、可塑性、结合性进一步提高；C、在潮湿环境中，细菌作用使有机质分解为有机酸，有机酸可起结合、润滑作用，使坯料均化。D、使某些物化反应继续进行，使反应完全。四、成型将泥料通过压力而具有一定形状、尺寸，并有一定致密度、强度的坯体的过程。1、成型方法按含水量来分：半干法成型（水2～6%）可塑法成型（水10～16%）注浆法成型（水40%左右）振动成型：适用于大型制品熔铸成型：强度大、抗侵蚀能力强、成本高热压成型：把成型与烧成结合在一起同时进行（氮化硅刀具），致密度↑等静压成型：通过对液体加压，再通过橡皮膜将其压力均匀的传给粉料，加压无方向性，容易压成形状复杂的制品。五、干燥目的：提高强度，保证烧成初期能够顺利进行干燥过程：传质：水分：内部→表面→空气传热：热介质→坯体设备：隧道干燥器、室式干燥器等六、烧成1、设备：隧道窑、倒焰窑101.2×2.2×1.6m粘土砖隧道窑系统图1.推车机；2.排烟机；3.烟囱；4.气幕风机；5.抽烟风兼一次风机；6.冷却送风机；7.燃料管间歇式倒焰窑1.窑室；2.燃烧室；3.档火墙；4.喷火口；5.吸火孔；6.支烟道；7.主烟道；8.窑门；9.窑孔顶；10.窑箍；11.看火孔（也可作取样孔）2、烧成中的物理化学变化A、坯体排除水分阶段（10～200℃）排除坯体中残存的自由水和吸附水，坯体中留下气孔，有利于下阶段反应进行。B、分解、氧化阶段（200～1000℃）排除化学结合水，碳酸盐或硫酸盐分解，有机物氧化燃烧。可能有晶型转变或少量低熔液相开始生成，坯体质量↓气孔率↑C、液相形成和耐火相合成阶段（>1000℃）分解作用继续完成，T↑，液相生成量↑，η↓，某些新耐火矿物开始形成，并进行溶解重结晶。由于液相的扩散、流动、溶解、沉析传质过程的进行，颗粒表面在液相表面张力的作用下，进一步靠拢促使坯体致密化，使强度↑，体积↓，气孔率↓，烧结急剧进行。D、烧结阶段坯体中各种反应趋于完全、充分，液相数量继续增加，结晶相进一步成长而达到致密化，即所谓“烧结”。E、冷却阶段主要发生耐火相析晶，某些晶体晶型转变，玻璃相固化。3、两种烧成机理A、固相烧结（高温、短时间）：主要靠内外质点扩散使质点相互接触反应生成新物质（如镁砖）B、液相烧结（低温、长时间）：主要靠液相粘性流动、界面能及毛细管的作用浸润颗粒、使颗粒靠近、移动，从而更加致密。（如粘土砖）第三节氧化硅质耐火材料一、SiO2的同素异形转变氧化硅转变时体积变化如表所示，鳞石英转变时体积变化较小，方石英较大，希望在烧成后硅砖中含有大量鳞石英，方石英次之，残余石英愈少愈好。二、硅砖的生产1、原料：硅石（石英岩、石英砂岩、燧石岩）2、工艺流程：矿化剂→粉碎硅石→粗、中、细碎→筛分→配料→混合→成型→干燥→烧成→检验→成品→入库石灰→消化→石灰乳三、硅砖的性质和使用1、化学成分主要成分：SiO2:93-98%主要杂质：Al2O3、Fe2O3、少量矿化剂2、真密度和体积密度2.38g/cm3、1.8-1.95g/cm33、使用性质耐火度1690-1730℃；荷重软化温度：1620-1670℃；残余膨胀率不超过0.3-0.4%；耐热震性很差，850℃下水冷仅1-2次；酸性耐火材料，对酸性、弱酸、含腐蚀性成分的炉气具很强的抵抗力；主要用于砌筑玻璃炉窑和焦炉。第四节硅酸铝质耐火材料硅酸铝质耐火材料是由Al2O3和SiO2及少量杂质所组成，根据其Al2O3含量不同可分为：1、粘土质耐火材料(Al2O330~46％)2、高铝质耐火材料(A12O3＞40%)3、半硅质耐火材料（Al2O3+TiO2<30%,SiO2>65%）属弱酸性耐火材料，主要品种有：粘土砖和不定形耐火材料。一、粘土质耐火材料1、原料耐火粘土产出状态分散性和可塑性矿物成分杂质硬质粘土较坚硬和致密的块状岩石水润后，粘性及可塑性均较差，不易在水中分散高岭石（水铝石和三水铝石）长石、云母、铁质、含TiO2矿物软质粘土基本松散的土状集合体具有很好的可塑性高岭石类矿物除上述杂质外，常含一些有机质、硫化物、硫酸盐、碳酸盐等。半软质粘土介于硬质和软质之间2、粘土质耐火材料的生产粘土的加热变化：综合反应式：3、粘土质耐火制品的性能及应用二、半硅质耐火制品Al2O3+TiO2<30%，SiO2>65%的耐火材料主要制品：半硅砖和蜡石砖原料：叶腊石一突出特点：在烧成时，体积膨胀与收缩变化的结果相互抵消，最终体积变化很小。主要特点：体积稳定性好，对酸性、弱酸性炉渣有较好的抵抗力，荷重软化变形温度较高。用途：盛钢桶内衬、燃烧室和高温烟道，寿命高于粘土砖。三、高铝质耐火材料定义：Al2O3含量大于48％的硅酸铝质耐火材料。按Al2O3含量分为三个等级：Ⅰ等：Al2O3>75%Ⅱ等：Al2O360-75%Ⅲ等：Al2O348-60%应用：所用耐火材料中应用最广泛的一种，用于各种工业领域的窑炉和锅炉上，可提高炉窑的使用寿命（与粘土砖比），炉顶使用，比硅砖要好。1、原料（1）高铝矾土主要矿物：水铝石和高岭石。不能直接用来制砖坯，必须经高温煅烧，三阶段如下：A、分解脱水及莫来石化阶段B、二次莫来石化阶段C、重结晶烧结阶段1500℃以上，料块致密化（2）蓝晶石、红柱石、硅线石A、加热性质B、耐火度：很高，1825℃C、具较高的机械强度和硬度D、抗化学侵蚀性强，甚至不溶氢氟酸应用：温度剧变部位，如高炉炉喉、出铁口等。2、生产工艺硅线石砖：硅线石可以不经高温煅烧直接作为脊料使用，以结合粘土或有机树脂作结合剂，经高压成型后在1500以上高温烧成。3、性质耐火度:1770~2000℃，随Al2O3含量的增加和杂质的减少而提高。荷重软化温度:1400~1900℃，比粘土砖高，比硅砖低导热性：很好，比粘土砖高耐热震性：介于粘土制品和硅质制品间抗渣性：既抗碱性渣又抗酸性渣。第五节碱性及尖晶石质耐火材料碱性耐火材料：化学性质呈碱性的耐火材料。一、镁质耐火材料主要品种原料成分结合相普通镁砖烧结镁石MgO91%硅酸盐直接结合镁砖高纯烧结镁石MgO95%方镁石晶粒间直接结合镁钙砖高钙烧结镁石CaO6-10%硅酸二钙镁硅砖高硅烧结镁石SiO25-11%镁橄榄石镁铝砖烧结镁石Al2O35-10%镁铝尖晶石镁铬砖烧结镁石Cr2O38-20%镁铬尖晶石镁碳砖烧结镁石C10-40%碳冶金镁砂烧结镁石不定形耐火材料2、矿物组成主要晶相：方镁石结合物：硅酸盐、铁的氧化物和铁酸盐、尖晶石结合物3、生产工艺制作各种镁砖，不能直接使用天然原料，必须将菱镁石预先煅烧。4、特点耐火度很高，一般在1920℃以上。抗碱性熔渣的性能一般较好，其中以镁碳砖和镁铝砖最好。荷重软化温度一般在1500-1600℃以上。抗热震性以镁铬砖和镁碳砖最好，1100℃冷水循环>25次。最高使用温度多在1600-1700℃以上。5、应用二、白云石质耐火材料1、含游离CaO的白云石质耐火材料2、烧结白云石耐火材料的矿物组成主晶相：方镁石和石灰易熔物：CaO/MgO+SiO2/Fe2O3→C4AF、C2F、C3S、C3A碳及有机结合剂：游离CaO极易水化，因此所用结合剂都是无水和不吸潮而防水的含碳较高的有机物。3、含游离CaO白云石耐火制品的生产特点A、冶金白云石：直接将烧结白云石破碎、筛分和合理级配而成将白云石颗粒破碎成数毫米加入少许铁磷，合成熟料B、焦油沥青白云石制品：这是长期以来生产及使用的一种不烧白云石制品。此种制品不宜久存，更不可受潮。C、沥青结合捣打料：D、轻烧油浸白云石制品：E、烧成油浸白云石和镁白云石耐火制品F、镁钙碳制品G、半稳定白云石制品4、稳定性白云石制品在大气条件下稳定性很高的人工合成的、无游离CaO的白云石熟料。A、化学成分：CaO、MgO各占40%，SiO2占13-15%，CaO/SiO2重量比2.8，R2O3约5%矿物组成：C3S、方镁石；少量C2S、C4AFB、生产C、制品的性能和应用性能：常温耐压强度为50-70MPa；荷重软化温度约为1500℃；具很强的抗碱性熔渣侵蚀的能力较好的大气稳定性；较高的抗水化性；耐热震性较差应用：各种炼钢炉的副炉底和炉衬；加热炉的均热床和高温段炉底；水泥回转窑高温烧成带；化铁炉、盛钢桶的内衬三、尖晶石质耐火材料1、镁铝尖晶石质耐火材料A、理想化学式MgO·Al2O3理论化学组成MgO：28.3wt%，Al2O3:71.7wt%B、镁铝尖晶石的合成由于天然的极少富集成可供开采的矿床，故耐火材料所用尖晶石多用人工合成方法制取。具体合成方法有：◆电熔法合成尖晶石用工业Al2O3粉或特级高铝矾土和轻烧氧化镁在电炉中熔制，熔制温度2200℃左右。◆烧结法合成尖晶石C、镁铝尖晶石耐火制品：不烧和烧成块状制品◆生产与普通镁砖的生产过程基本相同。坯体应高压成型和高温烧成。◆性质和应用☆常温和高温强度很高，荷重软化温度1700-1750℃，抗蠕变能力很强。☆具有优良的抵抗熔渣直接侵蚀的性能，优于镁铝砖。☆具很好的耐真空性，较低的热膨胀系数、较好的抗热震性。☆当气氛变化时，体积稳定性很好。2