耐火材料的應(yīng)用

1、第二篇耐火材料的應(yīng)用耐火材料作為高溫爐窯及熱工設(shè)備的構(gòu)造材料及元部件材料，廣泛用于鋼鐵、有色金屬、建材、石油化工、機械工業(yè)等部門。冶金爐窯對耐火材料的要求冶金爐窯種類繁多，構(gòu)造復(fù)雜，耐火材料的選擇和應(yīng)用往住有很大差異。但是，必須滿足以下要求：能承受高溫作用而不軟化、不熔化；能承受高溫荷重作用，不喪失構(gòu)造強度，不發(fā)生變形和坍塌；有好的體積穩(wěn)定性，在高溫下不發(fā)生過大的體積膨脹和收縮，重?zé)€變化小；能抵抗溫度急劇變化；能抵抗高溫熔體的化學(xué)侵蝕和物理沖刷作用；外形尺寸規(guī)整，公差小。耐火材料在使投中損毀的機理冶金爐窯長期連續(xù)處在高溫下運行，耐火材料工作條件惡劣，極易損毀，其中以熔煉爐最為典型。造成耐火材

2、料損毀的因素很多，但歸納起來主要有以下幾點。1謂蝕作用：是由于熔渣和金屬液或含塵腐蝕性氣體的物理化學(xué)作用而引起的侵蝕。據(jù)統(tǒng)計有色冶金爐窯的爐襯60%70咂由于熔渣的侵蝕而損毀。煉鋼轉(zhuǎn)爐和電爐渣線區(qū)域主要是由于渣蝕，而成為損毀最嚴(yán)重的部位，并決定著爐襯的壽命。2溫度劇烈變化作用：許多爐窯、特別是間歇式操作爐窯，溫度波動大，驟然變化產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，磚砌體開裂、剝落，嚴(yán)重時變形或坍塌傾倒。如煉鋼轉(zhuǎn)爐、電弧爐和銅錫熔煉反射爐、熔煉期最高爐溫可達(dá)12501650c，而放渣和出鋼、出銅后，爐內(nèi)溫度急居IJ,降至600800C,溫度在短時間內(nèi)波動太快太大，造成耐火材料內(nèi)應(yīng)力大，產(chǎn)生崩裂、剝落而損毀。3氣相

3、的沉積作用：很多熔煉爐和火焰爐,在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生CO分解和鉛、鋅及堿金屬氧化揮發(fā)，并在耐火材料氣孔及砌縫內(nèi)沉積，造成磚砌體龜裂、變形和化學(xué)侵蝕。這種現(xiàn)象在高爐、鼓風(fēng)爐、豎窯及焦?fàn)t的上部較為突出,甚至成為這些部位損毀的主要原因。4機械沖擊和磨損作用：許多爐窯內(nèi)的物料是運動的。如高爐、鼓風(fēng)爐及豎窯內(nèi)的物料連續(xù)不斷地由爐頂向下運動；回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料作回轉(zhuǎn)前進(jìn)運動;轉(zhuǎn)爐內(nèi)液態(tài)金地作沸騰攪動等。并且在運動的同時，物料還要發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化。因此，對爐襯產(chǎn)生很大的機械沖擊和嚴(yán)重的磨蝕作用，破壞性非常大。例如高爐爐喉磨損嚴(yán)重，不得不采用鑄鋼板加以保護(hù)。氧氣轉(zhuǎn)爐由于鋼水的劇烈攪動，常發(fā)生爐襯被刷掉的現(xiàn)象，

4、而需經(jīng)常補爐。;5單純?nèi)廴谧饔?許多耐火材料在高溫?zé)嶝?fù)荷作用下，往往發(fā)生重?zé)€變化，造成砌筑體失穩(wěn)。有時操作溫度過高，還會造成局部軟化甚至熔融，形成溶液，導(dǎo)致砌體坍塌。10.3耐火材料選用的原那么1掌握爐窯特點：根據(jù)爐窯的構(gòu)造、各部位工作特性及運行條件，選用耐火材料。要分析耐火材料損毀的原因，做到有針對性地選用耐火材料。例如各種熔煉爐渣線及以下部位的爐村及爐底，以受渣和金屬熔體的化學(xué)侵蝕為主，其次才是溫度驟變所引起的熱應(yīng)力作用，一般選用抗法性優(yōu)良的鎂質(zhì)、鎂銘質(zhì)耐火磚砌筑。川線以上部位可選用鎂鋁的或鎂銘磚，或高鋁磚砌筑。2熟悉耐火材料的特性：熟悉各種耐火材料的化學(xué)礦物組成、物理性能和工作性能，做

5、到充分發(fā)揮耐火材料的優(yōu)良特性，盡量避開其缺點。如硅石專荷重軟化溫度高、能抵抗酸性爐渣的侵蝕，但在600c以下發(fā)生B晶型向a晶型的快速轉(zhuǎn)變，抗熱震性很差，在600c以上使用時抗熱震性較好，高溫下只會膨脹而不發(fā)生體積收縮，因而可選用作火焰爐爐頂石專、焦?fàn)t炭化室隔墻磚等。3保證爐窯的整體壽命：要使?fàn)t子各部位所用各種耐火材料之間合理配合,確定爐子各部位及同一部位各層耐火材料的材質(zhì)時，既要防止不同耐火材料之間發(fā)生化學(xué)反響而熔融損毀，又要保證各部位的均衡損耗，保證爐子整體的使用壽命。4實現(xiàn)綜合經(jīng)濟效益合理：選用的耐火材料要在滿足工藝條件和技術(shù)要求的前提下，對材料的質(zhì)量、來源與價格、使用壽命與消耗以及對產(chǎn)品

6、質(zhì)量的影響進(jìn)展綜合分析，力求做到綜合經(jīng)濟效益合理。耐火材料是工業(yè)爐窯的主要構(gòu)筑材料，是開展鋼鐵、有色金屬、建材、石油化工、機械和電力等工業(yè)的根底材料。耐火材料在冶金工業(yè)中占有重要的地位，我國冶金工業(yè)消耗的耐火材料約占全國耐火材料總量的70%,日本約71%,美國60%,英國73%。其中又以熔煉爐、加熱爐及其附屬設(shè)備消耗的耐火材料所占比例最大。砌筑容積5000m3高爐,需要消耗黏土磚、高鋁磚、碳磚和剛玉磚等耐火材料3500t;高爐的3個熱風(fēng)爐和其他輔助裝置為27500t。砌筑210m3的煉銅反射爐,需要鎂磚、鎂銘磚、高鋁磚、黏土磚及各種輕質(zhì)絕熱材料等約1500t。耐火材料的使用不僅關(guān)系到生產(chǎn)過程能

7、否順利進(jìn)展，而且在生產(chǎn)本錢中占有一定的比重。目前，我國耐火材料消耗很大，以耐火材料年總產(chǎn)量與鋼的年總產(chǎn)量相比耐/鋼，高達(dá)300kg/t鋼以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出先進(jìn)工業(yè)國家。熔煉1t粗銅也需消耗優(yōu)質(zhì)耐火材料25kg。因此，無論從技術(shù)觀點，還是經(jīng)濟角度，正確選擇和合理使用耐火材料，都具有重要的意義。10.4耐火材料的應(yīng)用煉鐵高爐用耐火材料高爐是以焦炭復(fù)原鐵礦石熔煉鐵水的大型高溫冶金爐。高爐爐體剖面構(gòu)造如圖10.1（的13）所示。高爐煉鐵過程是在高溫下連續(xù)進(jìn)展的，工藝過程為：.爐料付石+熔劑+焦炭）從爐頂參加，進(jìn)入爐喉以后，向下運動，經(jīng)過不同溫度區(qū)域，隨即發(fā)生礦石的復(fù)原、軟化、熔融，渣鐵別離等過程，爐渣和鐵

8、水分別由底部放出。.下部鼓入的高溫?zé)犸L(fēng)9001300C進(jìn)火爐內(nèi)后立即與赤熱的焦炭發(fā)生氧化反響，生成含CO的高溫爐氣，并放出大量熱量來維持冶煉過程的進(jìn)展。.含塵高溫爐氣由下至上透過爐料向上運動，并與礦石發(fā)生化學(xué)反響。含有一定量的CO高爐煤氣爐氣由爐頂逸出。由此可見，高爐內(nèi)每一高度的爐襯所經(jīng)受的溫度、壓力、物理化學(xué)變化的性質(zhì)和強度、工作條件苛刻程度都是不同的，爐襯損毀機理、損毀的狀況也各異。高爐爐襯損毀很嚴(yán)重的部位是爐腰、爐腹、爐身下部及爐底。損毀的原因主要是渣鐵的侵蝕及熱負(fù)荷的作用；還有堿金屬侵蝕和鉛鋅滲透，碳素沉積和機械磨損等。損毀過程中,溫度是決定因素1爐喉：爐喉為高爐的咽喉，受到固體爐料下

9、降時的直接沖擊和摩擦等物理作用，極易損毀。采用硬度高和密度大的高鋁磚砌筑不耐久。因此，目前都采用耐磨鑄鋼護(hù)板保護(hù)。2爐身：爐身可分為上、中、下三帶。從上至下爐料由300400c逐漸被加熱至12501300C,物料在下降過程中發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化。爐身上部和中部溫度為400700C,熔渣尚未形成，沒有渣蝕情況發(fā)生。爐襯主要受到下降爐料和上升含塵氣流的磨損和沖蝕；局部CO在磚縫、裂紋、氣孔中分解產(chǎn)生碳素沉積，引起襯磚龜裂、變質(zhì)、組織圖11M高爐爐體剖面圖疏松、導(dǎo)致剝落損毀。爐身上部和中部由于損毀程度較輕,一般采用含游離FeO3量較低的高爐專用黏土磚、致密黏土磚、高鋁磚砌筑,或由黏土質(zhì)不定形耐火

10、材料構(gòu)成。護(hù)身下部溫度較高,有大量初渣形成，爐渣與爐襯外表直接接觸。爐襯在經(jīng)受下降物料和含塵爐氣的摩擦、沖蝕作用的同時，爐渣的化學(xué)侵蝕嚴(yán)重。高溫下產(chǎn)生的堿金屬蒸氣與磚的化學(xué)反響也較上部和中部突出。一般選用耐火性能好、抗渣性強、高溫構(gòu)造強度大和耐磨性好的優(yōu)質(zhì)致密粘土磚或高鋁磚砌筑。靠近爐腰部位可采用高鋁磚或用耐磨、抗渣性好、熱導(dǎo)率高的剛玉磚、碳化硅磚或碳磚砌筑。大型高爐爐身下部主要采用高車呂磚、剛玉磚、炭磚或碳化硅磚3爐腰爐腰是高爐最寬大的部位。爐料體積膨脹至最大，并開場在此形成大量的熔渣，因此，此的化學(xué)侵蝕和堿金屬蒸氣的侵蝕較爐身下部嚴(yán)重。下降爐料和高溫焦炭對爐襯外表的磨損、沖刷也很突出，高溫

11、上升氣流的沖蝕作用也比爐身局部強。堿金屬和碳素在磚內(nèi)沉積作用仍然存在。使得爐腰成為高爐最易損毀的薄弱部位之一。中小高爐可采用優(yōu)質(zhì)致密黏土磚或高鋁磚或剛玉磚。大型現(xiàn)代高爐采用高鋁磚或剛玉磚或碳化硅磚。有的也采用碳磚砌筑。4爐腹圖104高爐爐體剖面圖爐腹位子爐腰之下。下部爐料溫度可達(dá)10001650C,氣流溫度更高，高溫作用強烈。由于形成了低黏度熔渣，對爐襯的化學(xué)侵蝕嚴(yán)重，熔渣和高溫氣流對爐壁的沖刷突出，堿金屬的沉積引起爐襯的膨脹作用相當(dāng)大。因此,爐腹是高爐爐襯損毀最嚴(yán)重的部位。一般高爐開爐后不久就幾乎全部損毀，而靠覆蓋在爐腹處一層堅實的渣層來保護(hù)鋼殼。因此，爐腹部位采用高鋁磚W（A12O3）位、

12、剛玉磚砌筑?，F(xiàn)代化大型高爐，普遍采用碳磚和石墨.石油焦、石墨.無煙煤等半石墨磚,外加水冷或汽化冷卻，以提高使用壽命。5爐缸和爐底爐缸是盛裝鐵水和爐渣的部位。爐缸上部是高爐溫度最高部位，靠近風(fēng)口區(qū)的溫度達(dá)17002000C以上。爐底溫度為14501500c。爐場的爐村主要受到熔渣和鐵水的化學(xué)侵蝕和沖刷以及堿侵蝕的膨脹作用。當(dāng)熔渣和鐵水侵入磚縫和裂紋之中，加速了爐渣的化學(xué)侵蝕和物理溶解損毀。爐底主要因為鐵水滲入磚縫、使耐火磚浮起而損毀。當(dāng)鐵水滲入爐底碳磚后，還發(fā)生碳磚被溶解的作用。因此，高爐爐底并不實行絕熱保溫，而是對爐底進(jìn)展強化冷卻，以減緩對碳磚的熔蝕反響，把鐵水凝固在爐底的上部，即當(dāng)爐底上部溫

13、度控制在1150c鐵水熔點以下時，可以防止?fàn)t底繼續(xù)熔蝕，延長爐底壽命。基于上述原因，并考慮到爐缸和滬底一旦被侵蝕損毀后，不易修補，嚴(yán)重時必須停爐大修，一般采用耐火度高、高溫強度大、抗渣性好、導(dǎo)熱能力強、體積密度較高和體積穩(wěn)定性好的碳磚砌筑。我國高爐爐底工作表層也采用碳素?fù)v固，其整體性好，縫隙少，鐵水不易滲入。爐底的砌法主要是兩種：一種為上部2-3層用碳磚，下面為優(yōu)質(zhì)黏土磚或高鋁磚。另一種是大型高爐，完全采用全碳磚爐底。煉鋼轉(zhuǎn)爐用耐火材料.煉鋼轉(zhuǎn)爐爐體構(gòu)造用純氧從轉(zhuǎn)爐頂部吹煉鐵水成鋼的轉(zhuǎn)爐煉鋼方法。自50年代初投入工業(yè)生產(chǎn)以來，在世界范圍內(nèi)得到迅速推廣，逐步取代空氣轉(zhuǎn)爐法和平爐煉鋼法,成為現(xiàn)代煉

14、鋼的主要方法。氧氣頂吹和復(fù)吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法是目前世界上最主要的煉鋼方法，成功地應(yīng)用了堿性含碳耐火材料，生產(chǎn)本錢大幅度減少。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐爐體構(gòu)造如圖10.3所示。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的金屬爐料主要是鐵水，約占金屬總裝料量的7085%,其余局部是廢鋼（個別廠采用富鐵礦或球團(tuán)礦）。通過氧槍從熔池上面垂直向下吹入高壓610大氣壓的純氧含0299.5%以上，氧化去除鐵水中的硅、鈕、碳和磷等元素，并通過造渣進(jìn)展脫磷和脫硫。各種元素氧化所產(chǎn)生的熱量，加熱了熔池中的液態(tài)金屬從鐵到鋼，使鋼水到達(dá)規(guī)定的化學(xué)成分和溫度。冶煉一爐鋼的吹煉時間一般為1520分鐘?？傄睙挄r間從出鋼到下一次出鋼的時間一般為3045分鐘。氧氣頂吹轉(zhuǎn)

15、爐爐體構(gòu)造總體呈直筒狀，借助于水平耳軸支承和傾動。爐體傾倒在水平位置時，為加料或出鋼，吹煉時置于垂直位置。轉(zhuǎn)爐設(shè)備：氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐由爐體、托圈、耳軸和傾動機械等組成。爐體為鋼板焊接體，可分為爐帽、爐身和爐底三個局部。爐帽一般和爐身焊成一體。爐底有的與爐身焊成一體，稱為“死爐底；有的可以拆卸，稱為“活爐底。絕大多數(shù)轉(zhuǎn)爐都有支承爐身的托圈。通常，耳軸均通水冷卻，也有連托圈一道圖9氧氣瞋吹轉(zhuǎn)爐（藁備半春桂傳動系挑）冷卻的。轉(zhuǎn)爐傳動系統(tǒng)大致可分成“全懸掛和“半懸掛兩種，一種半懸掛式的轉(zhuǎn)爐設(shè)備見圖。.煉鋼轉(zhuǎn)爐爐襯的工作條件及損毀機理轉(zhuǎn)爐煉鋼是在高溫下進(jìn)展的。碳素鋼出鋼溫度為15401670C,吹煉后期可達(dá)

16、1700C,而出鋼后爐襯溫度又常降到1000c以下，故爐襯材料受到高溫和熱震作用。煉鋼過程也是造渣過程，由于爐渣及熔劑的化學(xué)侵蝕作用和鋼水的攪動，爐襯受到磨損和沖刷等。造成氧氣轉(zhuǎn)爐爐襯損毀的主要原因是：在高溫下爐渣和鋼水的化學(xué)侵蝕和機械沖刷作用；頻繁裝料、出鋼操作使?fàn)t襯受周期性急冷急熱的應(yīng)力作用；料時廢鋼和鐵水的沖擊及機械磨損作用；粉塵和煙氣的侵蝕作用；.轉(zhuǎn)爐用耐火材料1爐口：耐火材料必須耐熔渣和高溫廢氣沖刷，不易掛鋼掛渣并易去除，能耐廢鋼和吊車吊除渣圈時的機械沖擊，耐氧化。一般采用抗渣、抗熱震性和耐磨損撞擊的燒成化常以燒成白云石磚為主,但其壽命較低，有的采用不易掛鋼和土渣的鎂碳磚。為提高耐侵

17、蝕性，在排右側(cè)采用高溫?zé)筛呒冩V磚和熔鑄耐火制品。2爐帽：爐帽取樣和出鋼時的渣線區(qū)域，是受爐渣侵蝕最嚴(yán)重的部位之一。同時受到含塵廢氣的沖刷和溫度驟變引起的熱應(yīng)力的作用，磚中碳也易氧化。因此，常采用焦油瀝青結(jié)合白云石磚和鎂磚，為防止焦油瀝青中碳的氧化，導(dǎo)致耐磨性降低，有的也采用燒成利。3爐腹裝料側(cè)：這是轉(zhuǎn)爐爐襯中最薄弱的環(huán)節(jié)，損毀最嚴(yán)重的部位。它受到吹煉時爐渣和鋼水的噴濺、渣蝕、磨損、沖刷及裝入廢鋼和鐵水時的撞擊和沖蝕，機械損傷嚴(yán)重，因而造成裝料側(cè)爐襯熔損、沖蝕和崩裂。受溫度波動引起熱應(yīng)力的影響也大。要求所用耐火材料具有較高的抗渣性和高溫構(gòu)造強度以及較好的抗熱震性。一般選用含雜質(zhì)量低的高溫?zé)珊?/p>

18、成白云石油浸石專、和mCaO/mSiO22的高溫?zé)筛呒兌戎苯咏Y(jié)合油浸鎂磚或鎂碳磚和鎂白云石磚，也有使用焦油瀝青結(jié)合的白云石磚或鎂磚以及輕燒油浸磚。由于生產(chǎn)過程中經(jīng)常有局部損毀，一般采用一樣或相近材質(zhì)的不定形耐火材料進(jìn)展噴補。出鋼側(cè)：這一部位主要受到出鋼時鋼水的熱沖擊和沖刷作用，損毀程度遠(yuǎn)比裝料側(cè)輕。常采用焦油瀝青結(jié)合的白云石磚或鎂磚，也可采用燒成油浸磚或鎂碳磚。當(dāng)采用與裝料側(cè)一樣的材質(zhì)時，為保持爐襯的均衡壽命，常采用厚度較裝料側(cè)薄的構(gòu)造形式。渣線部位。渣線部位是爐村長期與熔渣接觸而受淹蝕最嚴(yán)重的部位。出渣側(cè)的渣線位置隨出鋼而變，不很明顯。出謂側(cè)由于受到爐渣強烈侵蝕和吹煉過程中其他作用的共同影

19、響，損毀嚴(yán)重。所用耐火材料特別重視抗法性能，一般選用高溫?zé)刹⒂徒闹旅艿暮琈gO量較高的合成白云石磚或高純鎂磚，以及鎂碳磚和鎂白云石碳磚。耳軸兩側(cè)。爐腹中耳軸區(qū)屬易損毀部位。經(jīng)受吹煉時各種損毀作用的影響和爐體轉(zhuǎn)動時機械應(yīng)力的影響。在出鋼和排渣時耐火材料不與熔渣接觸，外表暴露于空氣之中，磚中的碳極易被氧化。因此，耳軸兩側(cè)使用焦油白云石磚和輕燒白云石磚，也可使用高溫?zé)傻母呒儼自剖徒u或高純油浸鎂磚，或鎂碳磚和鎂白云石碳磚。4爐壁和爐底：爐壁和護(hù)底在吹煉過程中受到鋼水的劇烈沖蝕，在出渣和出鋼時受到爐渣的侵蝕。但與其他部位相比，損毀一般較輕。只有采用高速淺地吹煉時，爐底中心部位損毀可能加重。當(dāng)采

20、用底吹或頂?shù)讖?fù)合吹煉時，這一部位的損毀較頂吹法時嚴(yán)重。一般選用焦油瀝青結(jié)合的白云石磚或鐵磚砌筑、或采用與爐腹一樣材質(zhì)的耐火材料。5出鋼口：出鋼口受鋼水沖蝕和溫度急劇變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力的影響，損毀極為嚴(yán)重。常在服役期內(nèi)中修23次，以延長使用壽命。過去常使用焦油瀝青結(jié)合的白云石磚或鐵磚以及燒成的白云石磚或鎂磚，或穩(wěn)定性白云石磚，但壽命都不高?，F(xiàn)在多采用電熔鎂砂制成的燒成鎂石專或套管石專。也有采用高純鎂質(zhì)搗打料或高純燒成鎂質(zhì)管石專。幾種常用轉(zhuǎn)爐爐襯磚的主要性能列于表10.3中(P219)。10.4.3有色冶金用耐火材料之煉鋁用耐火材料有色金屬在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位，應(yīng)用十分廣泛。普遍應(yīng)用銅、鋁

21、、鉛、鋅、鍥等5種有色金屬。冶煉有色金屬的方法很多，使用爐窯的類型也很多，一股分為熔煉爐、精煉爐和熔鑄爐。煉鋁工藝過程復(fù)雜，使用的爐窯種類較多，但爐子工作溫度都比擬低最高1200C,使用條件也不太苛刻，所以一般采用黏土磚和高鋁磚，即可滿足生產(chǎn)要求。隨著耐火材料技術(shù)進(jìn)步，近年來煉鋁工藝過程用的耐火材料有所改良。1生產(chǎn)氧化鋁的回轉(zhuǎn)窯及閃速爐將天然鋁土礦變成氫氧化鋁，再將氫氧化鋁經(jīng)9501200c煨燒成氧化鋁，一般采用回轉(zhuǎn)窯和閃速爐煨燒?；剞D(zhuǎn)窯的絕熱層靠窯殼鋪一層耐火纖維氈，然后用硅藻土、漂珠磚或輕質(zhì)黏土磚砌筑,現(xiàn)有的改用輕質(zhì)耐火澆注料。預(yù)熱帶用粘土磚，燒成帶、冷卻帶用高鋁磚，現(xiàn)改為磷酸鹽結(jié)合不燒高鋁磚。閃遞爐是先在爐殼上焊接耐熱鋼錨固釘或陶瓷錨固件，然后鋪一層20mm厚的耐火纖維里，最后澆注200300mm厚的耐火澆注料。2電解氧化鋁的電解槽。電解槽既是電解裝置，又是高溫冶金設(shè)備。電解槽的形式很多，但根本構(gòu)造一致，應(yīng)用最廣的是密閉式自焙陽極電解槽。爐體的根本構(gòu)造如圖10.6所示。鋁電解采用冰晶石NaAIFeL氟化鋁A1F6、氟化理LiF等熔液為電解質(zhì)，將A12O3參加電解槽，通電熔化，雖然A12O3熔點為2050C,但在氟化鹽熔體中可降至970c左右。在電場力的作用下A12