1、火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料火法冶金设备第第 1章章 耐火及保温材料耐火及保温材料火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料第第 1章章 耐火及保温材料耐火及保温材料1.1 概述1.2 耐火材料的分类、组成及性质1.3 常用耐火材料及其特性1.4 耐火材料的外形尺寸1.5 水冷与挂渣保护1.6 绝热材料火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料耐火材料在冶金中的地位及作用耐火材料在冶金中的地位及作用定义定义 ：耐火材料是指 耐火度耐火度 1580 的无机非金属材料，它在一定程度上可以抵抗温度骤变和炉渣侵蚀，并能承受高温荷重。作用作用 ：耐火材料主要用于工业生产中的高温热工设备和各种窑炉，在冶金工业
2、（钢铁与有色金属）中所消耗的耐火材料占整个耐火材料消耗量的 6070% 。而冶金炉是高温设备、是大量优质耐火材料的主要消耗者。因此，耐火材料在冶金工业占有重要的地位 。1.1 概述火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料耐火材料在工业领域的广泛运用，有两方面的作用：第一、防止工业窑炉周围环境温度过高，保证周边环境正常；第二、阻碍热能的散失，保证窑炉的运营效率。根据国家十一五规划纲要，到十一五末期，单位 GDP的能耗要比十五降低 20%。在提高能源效率方面，到 2010年，每万元 GDP的能耗要由 2002年的 2.68吨标煤下降到 2.25吨标煤， 2020年每万元 GDP能耗下降到 1.54吨标
3、煤。 (开发低碳工艺，减少温室气体排放量）火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料例如砌一座 1513m3高炉需耐火材料 3000t；砌一座42m3沸腾炉约需耐火材料 150t；砌一座 210m3炼铜反射炉需耐火材料 1500t。由此可见耐火材料费用在冶炼生产中占有重要的比例，据不完全统计，平炉钢吨钢消耗量约 4560kg耐火材料；一吨粗铜需消耗 25kg镁砖（而镁砖是较昂贵的材料） 因此，降低耐火材料单位消耗指标，可降低冶炼生产成本。 措施措施 ：提高耐火材料的质量，合理选择使用耐火材料， 改善冶炼工艺条件和加强生产管理。2007年全国耐火原材料产量达 4100万吨。 我国耐火材料的消耗主要集中
4、在钢铁行业、有色金属行业、建材行业、轻工行业、其它行业。 火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料 耐火度高： 10001800高温结构强度大： 高温下荷重不变形热稳定性好： 高温下抵抗温度骤变引起破坏的能力。抗渣侵蚀能力： 抵抗炉内高温下熔融炉渣、金属和炉气等的化学腐蚀。高温体积稳定： 高温下使用，其内部由于晶型转变会产生不可恢复的体积收缩或膨胀，而造成炉体破坏。因此，要求耐火材料在高温时体积稳定。外形尺寸规整、公差小： 筑炉时砌体要规整、砖缝小，以防止炉体从砖缝处破损，这就要求耐火材料制品不能有大的扭曲、缺损、熔洞和裂缝等；尺寸公差合乎规定的要求。冶金炉对耐火材料的要求冶金炉对耐火材料的要求火
5、法冶金设备 第一章，耐火及保温材料1.2.1 耐火材料的分类 ：耐火材料的分类有多种方式。如有按耐火材料的化学矿物组成、耐火材料的外型尺寸以及耐火材料制造方法等分类；而根据耐火材料的耐火度高低可分为： 普通耐火材料 耐火度为 15801770 ； 高级耐火材料 耐火度为 17702000 ； 特级耐火材料 耐火度为 2000 以上 。1.2 耐火材料的分类、组成及性质耐火材料的分类、组成及性质火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料耐火材料从重量上分可以分 为重质耐火材料、轻质耐火材料和超轻质耐火材料。重质耐火材料和轻质耐火材料是一般传统的耐火材料。其中重质耐火材料主要是由各种材质的砖块组成，主要
6、用于工业炉内衬最里层的部分。而轻质耐火材料体密度较小，更多地用于工业窑炉内衬外面的部分，起到隔热效果。超轻质耐火材料，就是纤维质耐火材料，起初更多地用于内衬外部保温用。但随着纤维质耐火材料的耐高温能力的大幅度提高，目前用于窑炉内衬最里层的陶瓷纤维产品也日益增多。火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料耐火材料的化学矿物组成是决定耐火材料物理性质和工作性质的基本因素。1.2.2.1 化学组成：化学组成：耐火材料的化学成分按含量的多少及其作用不同可分为主成分和副成分。 主成分是耐火材料的主体，是影响耐火材料的基本因素。除碳质耐火材料以外，普通耐火材料的主成分都是氧化物，例如硅砖中的 SiO2， 粘土质
7、耐火材料中的 SiO2和 Al2O3， 镁砖中的MgO。副成分包括杂质和添加物，其化学成分也是氧化物，如Fe2O3、 K2O、 Na2O等，它使耐火材料的性能降低，有的具有溶剂作用，即在耐火砖的烧成过程中产生液相实现烧结。1.2.2 耐火材料的一般化学矿物组成耐火材料的一般化学矿物组成 火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料1.2.2.2 矿物组成主晶相： 主晶相是耐火材料中的主体，是熔点较高的结晶体，它在很大程度上决定耐火材料的性能，可以是一种，也可以是两种。例如，高铝砖中的莫来石和刚玉，镁砖中的方镁石，都是主晶相。基 质： 是填充在主晶相之间的其他不同成分的结晶矿物和非结晶玻璃相，它的熔点低
8、，起着溶剂作用，例如，镁铝砖的基质是一种称为尖晶石 MgOAl2O3的结晶成分，依靠它将砖紧紧粘结成整体，因此也称结合相。基质的数量虽少，但它对耐火材料的性能影响很大，在耐火材料的使用过程中，往往首先从基质部分开始损坏。 1.2.2 耐火材料的一般化学矿物组成 火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料1.2.3.1 致密性 ：用气孔率、吸水率、体积密度、真密度和透气率表示（ 1）气孔率：气孔总体积与耐火材料总体积 V的比值 总气孔率： 1.2.3 耐火材料的物理性质耐火材料的物理性质 式中： V、 V1、 V2、 V3 分别为试样总体积、闭口气孔、开口气孔和贯通气孔的体积， m3。显气孔体积与耐火
9、材料总体积的比值 显气孔率：包括：致密性、热电性、力学性质和外形尺寸火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料11211222 11 -闭口气孔； 2 -开口气孔； 3 -贯通气孔图 1-1-1 耐火制品中气孔类型3火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料式中： G 耐火材料烘干质量， kg; G1 耐火材料吸水后质量， kg。耐火制品的透气性是指耐火材料对一定压力的气体的透过程度，用透气率表示，即在单位压力差的空气作用下，在单位时间内，通过单位厚度和单位面积制品的空气量。耐火材料的透气性与制品内连通气孔的数量及气体压力有关，一般要求透气性愈小愈好 。 1.2.3 耐火材料的物理性质耐火材料的物理性质
10、（ 2）吸水率和透气性 ： 耐火材料制品中显气孔吸水重量与耐火材料制品重量的比值，即火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料一块耐火材料制品，体积为1dm3,烘干重量为 3.71kg，吸水后重量为 3.94kg,求耐火材料的显气孔率。火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料式中 ： m 耐火材料的质量， kg。（ 4）真密度：它是指耐火材料除去全部气孔后，单位体积的质量，用符号 “ ” 表示 。1.2.3 耐火材料的物理性质耐火材料的物理性质 （ 3）体积密度：它是单位体积（含气孔体积）耐火材料的质量，用符号 “”表示。火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料1.2.3.2 力学性质：（ 1）常温耐压强度
11、：在常温下单位面积耐火材料所能承受的压力， Ncm-2 ；普通耐火材料 10001500 Ncm-2 高级耐火材料 25003000 Ncm-2 （ 2） 高温耐压强度：在高温下单位面积耐火材料所能承受的压力， Ncm-2 。（ 3）耐磨性：抵抗摩擦、冲击作用的能力。 （ 4）抗折强度： 耐火材料的常温抗折强度与耐压强度 有关，通常常温耐压较高制品，其常温抗折性能也较好，高温抗折能力强的制品，在高温条件下，对于物料的撞击、磨损、液态渣的冲刷等，均有较好的抵抗能力。图 1-1-2给出了几种砖的高温抗折曲线 。1.2.3 耐火材料的物理性质耐火材料的物理性质 火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料图
12、 1-1-2高温抗折曲线图火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料（ 5）弹性模量耐火材料的弹性模量是表征制品抵抗受力变形的能力。耐火制品在弹性极限内，外力作用产生的应力与应变之比称为弹性模量，即1.2.3 耐火材料的物理性质耐火材料的物理性质 式中 E 弹性模量， N -2 制品所承受的应力， N -2 L/L 制品相对长度的变化，即弹性变量 。火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料1.2.3.3 热、电性质： 热膨胀性、导热性、导电性和热容性（ 1）热膨胀性：热胀冷缩的可逆变化的性质，其大小用线膨胀率 “m”表示；1.2.3 耐火材料的物理性质耐火材料的物理性质 式中： t0 、 t 试样试验开
13、始与终止温度， ；L0、 L1 试样分别在 t0 、 t的长度， m；m 制品的平均线膨胀率， -1 火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料（ 2）导热性：即耐火材料传导热量的能力，用导热系数 表示。影响其导热能力的主要因素是化学矿物组成、气孔率及温度。一般晶体的导热能力大于非晶体的玻璃质；气孔率大导热能力低；大部分耐火材料（例如粘土砖和硅砖等）的导热性随温度升高而增加，而镁砖、碳化硅的导热性随温度升高而降低。（ 3）比热容：常压下加热 1kg样品使之升温 1 所需的热量称之为耐火材料的比热容，用 “CP”表示。 CP与矿物组成、气孔率及温度有关。表 1-1-2列出了几种耐火材料的平均比热容。
14、1.2.3 耐火材料的物理性质耐火材料的物理性质 火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料表 1-1-2 耐火材料的平均比热容 （ kJkg-1K-1 ）温度范 围 / 25600 251000 251200 251400粘土 砖 0.921 0.963 0.996 1.022镁质 0.883 0.942 0.971 1.000硅 质 1.130 1.193 1.214 火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料（ 2）导电性：低温下，碳质、石墨粘土质、碳化硅质等耐火材料导电性好；其它耐火材料均是电的绝缘体，但高温下其导电性增加。1.2.3 耐火材料的物理性质耐火材料的物理性质 火法冶金设备 第一章，耐
15、火及保温材料1.2.4.1 耐火度：耐火材料在无荷重时抵抗高温而不熔化的能力。通常用温度表示。1.2.4.2 荷重软化温度：耐火材料在高温时抵抗荷重的能力，通常耐火材料在高温下其耐火度就显著下降。荷重软化温度受多种因素影响，提高耐火材料的致密度，烧成温度和原料纯度，可以提高荷重软化温度。1.2.4.3 抗渣性 耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀的能力称为抗渣性。1.2.4 耐火材料的工作性能耐火材料的工作性能 火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料影响抗渣性的因素有： （ 1）耐火材料与熔渣的化学成分（高温下酸碱会生成盐类）；（ 2）炉内温度（化学反应随炉温的升高而加剧，800900 时渣侵不明显；当
16、 12001400 时渣侵反应加剧，同时物理溶解和机械冲刷作用也加强）；（ 3）耐火材料的透气（显气孔越多则越易侵蚀）。1.2.4.4 耐急热急冷性：抵抗温度急变而不被破坏的能力。1.2.4 耐火材料的工作性能 火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料1.2.4.5 高温体积稳定性：耐火材料在高温下长期使用，其外形体积保持稳定不发生非可逆变化的能力。（材料体积的热胀冷缩变化都是可逆）（ 1）耐火材料在高温下发生非可逆膨胀，称残存膨胀。（ 2）耐火材料在高温下发生非可逆收缩，称残存收缩。1.2.4 耐火材料的工作性能耐火材料的工作性能 火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料1.3.1 硅酸铝质耐火材料
17、主成分： SiO2、 Al2O3。副成分： Fe2O3、 K2O、 Na2O、 TiO2、 CaO。按 Al2O3的含量可分为半硅砖、高铝砖和粘土砖三类。1.3 常用常用 耐火材料及其特性耐火材料及其特性火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料根据 Al2O3SiO 2二元系相图，随着 t的变化找到两个共晶点（ 1540 和 1810 ）和三个平衡固相（方石英、莫来石、刚玉），从而分析硅酸铝制耐火材料的热工特性。 t共晶点三个平衡固相火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料1.3.2 硅砖（氧化硅质）： SiO293% 原料：硅石；结合剂：石灰乳、铁磷、纸浆废液、矿化 剂等。 SiO2的同质异性体，硅砖的主要成分是 SiO2 。 硅砖的性质和应用。火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料火法冶金设备 第一章，耐火及保温材料表 1-3-2 SiO2有三类晶型七种变体及石英玻璃体晶体 变 体 体 积变 化（ % ） 熔点（ ）石英 -石英-石英 0.82 1600方石英 -方石英-方石英 2.8 1728鳞 石英 -鳞 石英-鳞 石英-鳞 石英0.280.20 1670
