耐火材料與燃燒概論

耐火材料與燃燒概論耐火材料與燃料燃燒講義1第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義2課程簡介1.課時(shí)安排：

耐火材料部分30學(xué)時(shí)1燃料燃燒部分8學(xué)時(shí)2

考試2學(xué)時(shí)3第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義32.教學(xué)參考書：

(1)徐維忠，耐火材料，冶金工業(yè)出版社，1992(2)王維邦，耐火材料工藝學(xué)，冶金工業(yè)出版社，1994(3)許小海等，耐火材料技術(shù)手冊，冶金工業(yè)出版社，2000(4)韓昭滄，燃料及燃燒，冶金工業(yè)出版社，1994(5)顧恒祥，燃料與燃燒，西北工業(yè)大學(xué)出版社，1993(6)常弘哲，燃料及燃燒，上海交通大學(xué)出版社，1993第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義4第1章概論耐火材料的定義：

耐火材料是耐火度不低于1580℃的無機(jī)非金屬材料和制品。耐火度是指材料在高溫作用下達(dá)到特定軟化程度時(shí)的溫度，它標(biāo)志著材料抵抗高溫作用的性能。通常將使用溫度在1000℃以上的工業(yè)窯爐用材料也看作是耐火材料。第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義5耐火材料及其研究的發(fā)展史冶煉技術(shù)的發(fā)展青銅器時(shí)代(BC3500)1924Bowen和Greig發(fā)表Al2O3-SiO2二元相圖。1920s高溫X-射線衍射儀的發(fā)明1930s

相繼出現(xiàn)了

FeO-Al2O3、MgO-Al2O3-SiO2FeO-Al2O3-SiO2

相圖第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義6耐火材料材質(zhì)的變遷Al2O3-SiO2

耐火粘土硅磚1930-40s1950sMgO-CaO1960sAl2O3-SiO2-ZrO2

1970s熔鑄制品MgO-Cr2O3鎂鉻磚白云石磚1980s(MgO,Al2O3)-C-(Al,SiC,B4C)含碳耐火材料Metal-O-C-N現(xiàn)在復(fù)合材料第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義7國內(nèi)外耐火材料發(fā)展現(xiàn)狀

進(jìn)入新世紀(jì)以來，耐火材料生產(chǎn)能力嚴(yán)重過剩的局面愈顯突出。近3年來，中國耐火材料的年總產(chǎn)量逾1000萬噸，且穩(wěn)中有升，約占世界總量的一半。與日、美、歐洲等國相比，可謂“風(fēng)景這邊獨(dú)好”。主要是我國的資源優(yōu)勢、勞動力優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)建設(shè)強(qiáng)勁的內(nèi)需(如西部開發(fā)、西氣東輸、西電東輸、南水北調(diào)等)拉動所致。例如我國鋼產(chǎn)量從1996年首次突破1億噸以來，穩(wěn)居世界第一且一直攀升，2003年將超過2億噸，并且可望在今后幾年仍會繼續(xù)增長。水泥、有色、玻璃、陶瓷、石化等工業(yè)也都在以前所未有的速度發(fā)展。其次是近年來我國耐火材料的出口也在加大步伐。2002年耐火制品出口達(dá)64萬噸，而耐火原料出口每年保持在300-400萬噸。1.生產(chǎn)概況第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義82.目前全球耐火材料工業(yè)總體形勢

(1)總體供大于求，局部供不應(yīng)求(2)全球化的理念增強(qiáng)

(3)兼并重組形成新的格局

(4)技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新的步伐加快，能力增強(qiáng)①越來越多的新型的、高性能的人工合成原料被開發(fā)出來，為高性能耐材的研制和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。②不定形耐火材料在整個(gè)耐火材料中所占的比例增加。以日本為最盛，其不定形耐材產(chǎn)量占整個(gè)耐材的比例目前超過60%，在鋼鐵工業(yè)用耐材中不定形耐材占70%以上。第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義9③氧化物和非氧化物復(fù)合的耐火材料增多。繼20世紀(jì)70年代將石墨引入耐材而刮起一股“黑旋風(fēng)”以來，近年又出現(xiàn)了含塞?。⊿ialon）、阿?。ˋlon）、金屬相的復(fù)合型耐材。④新的成型和燒成工藝。如用澆注料制成各種預(yù)制件，氮化反應(yīng)燒成等。⑤簡單化、機(jī)械化、高效化的新型筑襯施工方法。如自流澆注、噴涂、濕式噴射、預(yù)制件的采用等。⑥功能型、環(huán)保型耐火材料增多。不少耐材不但能耐高溫，還具有諸如透氣、防堵塞、凈化鋼水等功能。含鉻、瀝青或其它有害揮發(fā)分的耐材正在被取代。⑦

先進(jìn)的生產(chǎn)和施工設(shè)備。如高噸位等靜壓機(jī)、造粒設(shè)備、高溫窯、高效攪拌機(jī)、泵送和噴射設(shè)備等。第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義101.1耐火材料的分類1.1.1按化學(xué)礦物組成分類(1)

氧化硅質(zhì)耐火材料這是以SiO2為主要成分的耐火材料，主要的品種有各種硅磚和石英玻璃制品。

(2)硅酸鋁質(zhì)耐火材料這是以Al2O3和SiO2為基本化學(xué)組成的耐火材料。根據(jù)制品中Al2O3和SiO2含量分為三類：半硅質(zhì)耐火材料、粘土質(zhì)耐火材料和高鋁質(zhì)耐火材料。

(3)鎂質(zhì)耐火材料

這是以MgO為主要成分和以方鎂石為主要礦物構(gòu)成的耐火材料，依其次要的化學(xué)和礦物組成的不同有以下品種：鎂磚、鎂鋁磚、鎂硅磚、鎂鈣磚、鎂鉻磚、鎂碳磚和鎂白云石磚。此外，還有冶金鎂砂。第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義11(4)白云石質(zhì)耐火材料這是一類以氧化鈣(40-60%)和氧化鎂(30-42%)為主要成分的耐火材料。其主要品種有：焦油白云石磚、燒成油浸白云石磚、燒成油浸半穩(wěn)定性白云石磚、燒成穩(wěn)定性白云石磚、輕燒油浸白云石磚和冶金白云石砂。

(5)橄欖石質(zhì)耐火材料這是一種含MgO35-62%，MgO/SiO2重量比波動于0.95-2.00，由鎂橄欖石為主要礦物組成的耐火材料。

(6)尖晶石質(zhì)耐火材料這是一類主要由尖晶石組成的耐火材料。主要品種有由鉻尖晶石構(gòu)成的鉻質(zhì)制品(Cr2O3≥30%)，由鉻尖晶石、方鎂石構(gòu)成的鉻鎂質(zhì)制品(含Cr2O318-30%，MgO25-55%)和由鎂鋁尖晶石構(gòu)成的制品。第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義12(7)含碳質(zhì)耐火材料這類材料中均含有一定數(shù)量的碳或碳化物。主要品種有由無定形碳構(gòu)成的炭磚或炭塊；由石墨構(gòu)成的石墨制品；由碳化硅構(gòu)成的碳化硅制品；由碳纖維及碳纖維與樹脂或其他碳素材料復(fù)合為整體構(gòu)成的材料。

(8)含鋯質(zhì)耐火材料這類材料中均含有一定數(shù)量的氧化鋯。常用的品種有以鋯英石為主要成分的鋯英石質(zhì)制品；以氧化鋯和剛玉或莫來石構(gòu)成的鋯剛玉和鋯莫來石制品，以及以氧化鋯為主要組成的純氧化鋯制品。

(9)特殊耐火材料這是一類由較純的難熔的氧化物、碳化物、硅化物和硼化物以及金屬陶瓷構(gòu)成的耐火材料。第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義131.1.2按耐火材料的制造方法分類

(1)

根據(jù)其成型特點(diǎn)分為塊狀制品和不定形材料。

(2)依熱處理方式不同分為不燒制品、燒成制品和熔鑄制品。(1)依其耐火度的高低分類

普通耐火制品，耐火度1580-1770oC；

高級耐火制品，耐火度1770-2000oC；

特級耐火制品，耐火度2000oC以上。(2)依其化學(xué)性質(zhì)可分類

酸性耐火材料、中性耐火材料和堿性耐火材料。(3)依其密度或?qū)嵝苑诸?/p>

重質(zhì)耐火材料、輕質(zhì)耐火材料或隔熱耐火材料1.1.3按制品性質(zhì)分類第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義14標(biāo)準(zhǔn)磚、異型磚、特異型磚、管、耐火器皿等1.1.4按制品形狀和尺寸分類1.1.5按應(yīng)用分類焦?fàn)t用耐火材料、高爐用耐火材料、煉鋼爐用耐火材料、連鑄用耐火材料、有色金屬冶煉用耐火材料、水泥窯用耐火材科、玻璃窯用耐火材料等第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義151.2耐火材料的一般生產(chǎn)過程

耐火材料的品種和質(zhì)量取決于耐火材料的原料和其生產(chǎn)工藝。在原料確定的情況下，耐火材料的生產(chǎn)工藝方法與制度是否正確與合理，所得耐火制品的質(zhì)量差別可能極大。耐火材料的特定性能的控制，必須通過特定的工藝手段來實(shí)現(xiàn)。第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義16圖1-1耐火材料生產(chǎn)過程示意圖第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義17

原料的質(zhì)量是耐火材料質(zhì)量的基本保證。要發(fā)展優(yōu)質(zhì)高效的耐火制品，必須有純凈的質(zhì)量均一和性質(zhì)穩(wěn)定的原料。因此，選取適宜作為耐火材料原料的天然礦石、開采后必須再經(jīng)過加工。原料的加工主要包括原料的精選提純(或均化、合成)；原料的干燥和煅燒；原料的破粉碎和分級。

(1)原料的精選提純和均化為了提高原料純度，一般需經(jīng)揀選或沖洗，剔除雜質(zhì)。有的還需采用適當(dāng)選礦方法進(jìn)行精選提純。有的原料中成分不均，需要均化。有的在精選后還可引入適量有益加入物。高性能的復(fù)合原料需采用人工合成方法。1.2.1原料的加工第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義18

(2)原料的煅燒為了保證原料的高溫體積穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和高強(qiáng)度，多數(shù)天然原料和合成原料需經(jīng)高溫煅燒制成熟料或經(jīng)熔融制成熔塊。熟料煅燒溫度一般多控制在使其達(dá)到燒結(jié)致密化的范圍內(nèi)。對主晶相為氧化物的原料，燒結(jié)溫度Ts約為其熔點(diǎn)Tm的0.7-0.9倍，即Ts≈（0.7-0.9）Tm，多高于制品的燒成溫度。更高于制品的使用溫度。熟料煅燒一般在豎窯或回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行。有的原料，如軟質(zhì)耐火粘土作為粘合劑，雖不經(jīng)煅燒但若含水過多，應(yīng)經(jīng)干操，以便破碎和分級。第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義19

(3)原料的破粉碎和分級原料破粉碎的目的是制成不同位級的顆粒及細(xì)粉，以便于調(diào)整成分，進(jìn)行級配，使多組分間混合均勻，便于相互反應(yīng)，并獲得致密的或具有一定粒狀結(jié)構(gòu)的制品坯體。一般先將顆粒破碎到極限粒徑40-50mm(粗碎)；再將顆粒破碎到極限粒徑4-5mm(中碎)，然后細(xì)碎。細(xì)磨是將顆粒破碎到小于0.088mm以下的細(xì)粉。生產(chǎn)普通耐火制品所用的顆粒料皆為中碎以后所獲得的產(chǎn)品。經(jīng)破粉碎后的顆粒狀產(chǎn)品，需依粒度粗細(xì)分級，以便合理配料。通常多以篩分方法將顆粒分級。對粉狀料常以風(fēng)選法分級。第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義201.2.2配料

耐火材料的配料是將各種不同品種、組分和性質(zhì)的原料以及將各級粒度的熟料顆粒按一定比例進(jìn)行配合的工藝。各種原料的配合是為了獲得一定性質(zhì)的制品。粒度的配合是為了獲得最緊密堆集的或特定粒狀結(jié)構(gòu)的坯體。（1）各種原料的配合各種原料的配合依材料的品種和性質(zhì)的要求而定，不同制品各有特點(diǎn)。對燒結(jié)制品、不燒制品和不定形耐火材料，各種顆粒的熟料或其他瘠性料與各種結(jié)合劑的配合是配料中的重要一環(huán)。任何結(jié)合劑的選用及其加入量皆應(yīng)嚴(yán)格控制，應(yīng)保證其既有利于制品的生產(chǎn)，又不會對制品的性質(zhì)帶來危害。第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義21

(2)粒度的配合各級粒度的顆粒配合對磚坯的致密度影響極大。只有使各級粒度顆粒的堆積體達(dá)到最緊密的程度，才能得到致密的制品。欲使多級不同粒度的顆粒組成的堆積體密度得到提高，必須使粗顆粒級中的空隙全部由細(xì)顆粒級填充，而細(xì)顆粒級中的空隙由更細(xì)的顆粒級填充，如此逐級填充即可獲得最緊密堆集。

①各級顆粒的粒徑比以緊密堆積的同徑球的間隙而論，若使小球填于其中，小球的粒徑必須小于大球堆積體的空隙尺寸。因此，兩種球球徑之比必須恰當(dāng)。若兩級顆粒配合成堆積體時(shí)，粒徑比在6.5以上，對實(shí)現(xiàn)緊密的堆集是有利的。如此多級顆粒配合，更可實(shí)現(xiàn)致密化。采用此種粒徑比很大的各級顆粒的配合常稱為間斷級配。但在實(shí)際生產(chǎn)中為避免顆粒產(chǎn)生嚴(yán)重偏析，并使各級顆粒充分利用，常采用粒級連續(xù)的顆粒，并以平均粒徑劃分為若干級別進(jìn)行配合。第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義22

②各級顆粒配合的比例在保證粗細(xì)顆粒位徑比恰當(dāng)?shù)臈l件下，由各級顆粒組成的堆積體中，每級顆粒配合的數(shù)量，應(yīng)以細(xì)者填滿粗者的空隙為宜。以密度相同的同粒徑的圓球堆集體為例，其空隙率(P)約為38%。二級配合時(shí)，粗與細(xì)的數(shù)量比應(yīng)為1:0.38。采取多級顆粒配合時(shí)，堆積體的空隙率變化如表1-1所示。第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義23表1-1各級粒度堆積體的空隙率變化粒度基數(shù)球體實(shí)體積，%堆集體空隙度，%空隙下降率，%一級(1–P1)，62.0P1，38.0―二級(1–P1P2)，85.6P1P2，14.423.6三級(1–P1P2P3)，94.6P1P2P3，5.49.0四級(1–P1P2P3P4)，98.0P1P2P3P4，2.03.4五級(1–P1P2P3P4P5)，99.2P1P2P3P4P5，0.81.2第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義24一級二級三級四級第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義25粗徑顆粒4.5mm,100%細(xì)徑顆粒0.09mm,100%中徑顆粒0.7mm,100%圖1-2堆積體空隙率變化第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義26

同粒徑的粒狀顆粒堆集體的空隙率約為45％。由于當(dāng)多級配合超過4級時(shí)，空隙率變化不顯著，而且為了簡化工藝，普通燒結(jié)制品的粒度組成，一般為3-4級。以粒度粗、中、細(xì)三級配合為例，堆集體空隙率變化如圖1-2所示。即以粗顆粒為55-65%，中顆粒10-30%，細(xì)顆粒15-30%較宜。通常為獲得高密度的制品，并避免由這種級配組成的泥料易于產(chǎn)生顆粒偏析和便于制品的燒結(jié)，常采取細(xì)粉量較多的配合，如采取粗:中:細(xì)=(4-6):(2-1):(4-3)。③極限顆粒的確定耐火制品中顆粒的極限粒徑，根據(jù)制品形狀的復(fù)雜程度、斷面尺寸大小或成型的方法以及對其組織結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的要求而定。一般而論，形狀復(fù)雜、斷面小者，極限粒度應(yīng)??；適當(dāng)提高極限粒徑，對制品的耐熱震性可能有利。近于標(biāo)準(zhǔn)形狀的普通燒結(jié)制品，極限粒徑一般控制在2-3.5mm。大型塊狀制品可相應(yīng)增大。第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義27

混練是將合理配合的各種物料準(zhǔn)確稱量后，制成各組分、各種顆粒均勻分布的泥料，并使泥料中各種物料實(shí)現(xiàn)結(jié)合良好的加工過程。根據(jù)物料的組分和性質(zhì)，采取適當(dāng)?shù)幕炀氃O(shè)備與方法．使名種物料通過對流、擴(kuò)散和剪切等作用達(dá)到泥料均勻化和顆粒料與結(jié)合劑等的互相結(jié)合，既使泥料獲得良好的成型性能，又避免泥料中顆粒的再破碎和某些物料的散失或在混練過程中發(fā)生顯著反應(yīng)變質(zhì)。某些耐火制品在泥料混練過程中，還需進(jìn)行“困料”，即將經(jīng)初混的泥料在一定溫度、濕度的條件下貯放一定時(shí)間，然后再經(jīng)二次混練，以改善泥料的質(zhì)量。1.2.3泥料的混練第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義28

(1)成型的目的是使泥料制成具有一定形狀和適當(dāng)密度與強(qiáng)度的磚坯。對燒結(jié)制品和不燒磚，磚坯的致密度決定著制品的致密度，從而影響制品的許多物理化學(xué)性質(zhì)和使用性質(zhì)。

(2)磚坯成型方法主要依泥料的性質(zhì)、制品形狀和對制品性質(zhì)的要求而定。如對有流動性的泥料，采用注漿成型；對有可塑性的泥料，采用可塑法成型；對有觸變性的泥料，經(jīng)振動成型；對含水量較低(3-6%)的半干泥料，采用半干壓成型或搗打成型；干粉料用等靜壓成型等等。經(jīng)成型后的磚坯，由于其中各種物料間的機(jī)械結(jié)合力、靜電引力及摩擦力，使磚坯的形狀保持下來，并具有一定的強(qiáng)度。1.2.4成型第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義29

許多成型后的磚坯含水量較高，強(qiáng)度較低，不便堆碼和燒成，必須經(jīng)干燥后排除其中游離水分，強(qiáng)度得到提高，才可裝車入窯。有些成型后含水量已很低的磚坯，雖可碼放適當(dāng)高度，直接入窯，但入窯后也必須首先經(jīng)過干燥階段。磚坯的干燥是熱量傳遞過程，是利用熱空氣或熱廢氣將熱量傳遞給磚坯，磚坯受熱溫度升高，使水分由磚坯內(nèi)擴(kuò)散逸出。干燥制度必須控制適當(dāng)，以使磚坯內(nèi)水分向外擴(kuò)散和表面水分蒸發(fā)的速率相應(yīng)。由于磚坯在干燥過程中往往產(chǎn)生收縮，切忌磚坯表面干燥速率不當(dāng)，以免造成開裂、鼓爆等缺陷。1.2.5干燥第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義30

(1)燒成的目的燒成的目的是使磚坯在高溫下發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)達(dá)到燒結(jié)，即磚坯形成一定高溫穩(wěn)定的物相和結(jié)構(gòu)，定形，并獲得有相當(dāng)高的密度、強(qiáng)度和其他各種性能的制品。

(2)燒成過程一般燒結(jié)制品在燒成過程中，除可能排除殘余水分外，其中全部或部分物相可能首先發(fā)生礦物的分解和新礦物的形成，有的晶體可能發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。隨著溫度的提高，可能發(fā)生固相反應(yīng)、液相形成、新晶體形成和晶體長大，達(dá)到固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。

1.2.6燒成第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義31①固相燒結(jié)

磚坯中的晶體結(jié)構(gòu)皆存在缺陷。這些晶體在溫度升高到使其中質(zhì)點(diǎn)的活動能力達(dá)到克服周圍質(zhì)點(diǎn)的作用力時(shí)，就會發(fā)生擴(kuò)散。由于質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散作用而使互相接觸的同晶體或異晶體間進(jìn)行固相反應(yīng)，使晶體長大或形成新的晶體。最后經(jīng)較充分的再結(jié)晶和聚集再結(jié)晶作用，使晶體長大和結(jié)合而燒結(jié)。第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期一耐火材料與燃料燃燒講義32②液相燒結(jié)

當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，原料中的雜質(zhì)或與磚坯中其他組分，可共同作用形成液相。此種液相可將磚坯中的晶體潤濕。在晶體之間，由于表面張力的作用，能使其互相靠近，并填充于磚坯的孔隙中，從而使其致密度提高。液相的存在有助于減緩磚坯內(nèi)因受熱不均或新相的形成或晶相轉(zhuǎn)化可能產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。此外，液相的存在可使磚坯內(nèi)溶解度較大的、細(xì)小的和缺陷較多的晶體溶于其中，并使其重結(jié)晶由液相中析出?？傊?，液相的存在有助于磚坯的燒結(jié)。此種燒結(jié)作用稱為液相燒結(jié)。液相燒結(jié)作用與液相的性質(zhì)和數(shù)量有關(guān)。一般而論，液相粘度低和數(shù)量多有利于液相燒結(jié)。普