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耐火材 料是耐火度不低于1500℃的无机非金属材料,用作高 温窑炉与高温容器等热工设备的结构材料及高温装置中的元部件材料。耐火材 料是为高温技术服务的基础材料,主要应用于钢铁工业、有色金属工业、建筑材料工业、石油化学工业、机械工业等部门。

国民经 济吨钢产量所消耗的耐火材料公斤数称耐火材料综合消耗指标。它是衡 量一个国家工业水平,尤其是 耐火材料质量的重要标志。中国1949年以后,历年来 耐火材料综合消耗指标变化见图。从图中看出,中国自1950年以来,消耗指 标有明显的降低,但与工 业先进国家相比仍高出3~6倍,主要原 因是耐火材料品种与质萤不能完全适应工业发展的要求。冶金行 业消耗耐火材料量约占总消耗量的60%~70%。工业发展的历史证明,耐火材 料的品种和质量对冶金技术,尤其是 钢铁冶炼技术的发展起着关键作用,而冶炼 技术的革新与进步,又对耐 火材料的更新换代提出更高的要求。两者互为促进,相辅相成,共同发展。

耐火材 料组织结构对使用性能的影响 耐火材 料在高温使用过程中承受各种物理、化学作用的影响,发生熔蚀、磨损或 崩裂而导致损毁。因此耐 火材料必须具备适应各种工作条件的性能,而性能 与组成及结构有着极为密切的关系。

化学组 成是耐火材料的基本特征,主要成 分则是耐火材料特征的基础,因此成 分和数量直接决定着耐火材料的性能。耐火材 料制品同时又是矿物组成体,制品的 性质是其组成矿物和微观结构的综合反映,因此不 能单纯从化学组成来分析对制品性能的影响。而耐火 制品的矿物组成又取决于其化学组成和工艺条件。尽管化学组成相同,如果加工条件不同,所形成矿物相的种类、数量及 晶态也会有差别,制品的性能亦各异。但是,必须强 调指出耐火材料宏观组织结构也是影响使用性能的重要因素,而性能 指标又能反映出耐火材料的内在结构。例如:表示致 密程度的性质气孔率、体积密度、真密度;表示气 体透过难易程度的性质——透气度;表示热学性能的性质——线膨胀系数、热导率、热容及温度传导性;表示力学性能的性质——常温和高温耐压强度、高温抗折强度、高温扭转强度、高温蠕 变性及弹性模量;表示高温性能的性质——耐火度、高温荷重软化温度、高温体积稳定性、抗热震性及抗渣性。因此,使用部 门必须从热工设备的特点及工艺要求出发,根据耐 火材料的化学组成、矿物与微观结构、宏观组 织与性能指标进行精心选择,以达到 预期的使用效果。

炉窑用耐火材料 主要介 绍冶金行业炉窑所用的耐火材料。

 

焦炉发 展的趋势是扩大炭化室容积及减薄燃烧室和炭化室之间的隔墙,以缩短 结焦时间并提高生产能力。焦炉的炉顶、燃烧室、炭化室、斜道区 及蓄热室主要采用硅砖,其余部分使用粘土砖,炉头部 分则采用高铝砖。砌筑现 代化大型焦炉要求采用高强度、高密度低膨胀硅砖,以强化 炉体结构并提高炉墙的导热效果。高炉及热风炉 高炉日趋大型化,并采用高压炉顶、高风温、综合喷 吹以及微机控制等新技术强化冶炼,因而耐 火材料使用条件极为苛刻。高炉炉喉、炉身一 般采用粘土砖或高铝砖,炉腰和 炉腹采用莫来石砖、刚玉砖及铬刚玉砖等。20世纪70年代开 始使用氮化硅结合的碳化硅砖等特殊耐火材料。炉缸大多采用碳砖、微孔与超微孔碳砖,以及陶 瓷耐火材料与碳砖的复合材料砌筑。

热风炉 用耐火材料的选择主要取决于热风温度,当风温低于900℃,普遍采用粘土砖;风温900~1000℃时,高温部 位的衬砖与格子砖则选用高铝砖、莫来石砖或硅线石砖;风温高于1100℃,必须选 用低蠕变性的高铝砖、莫来石砖、硅砖及 堇青石砖作为衬砖及格子砖。

铁水预处理设施 铁水预 处理是生产优质不锈钢和低磷钢,提高转 炉精炼效率的重要措施。铁水在脱硅、脱磷及脱硫过程中,由于熔剂的作用,炉渣碱度从0.5波动至3.0以上,对容器 的内衬产生严重的侵蚀。铁水预 处理容器渣线部位用不烧Al2O3-Si2-C砖砌筑,渣线以 下则采用不同档次的Al2O3-Si2-C砖。氧气转炉 转炉的 发展方向为大型化、高温化及顶底复吹化。由于炉 身各部位使用条件的差异,炉衬侵 蚀速度极不均一。故选用 不同品种与质量的衬砖综合砌筑。炉口、炉帽、炉身装料侧、渣线、耳轴部位、出钢口 及炉底风口部位等易损区主要采用镁碳砖、镁白云石碳砖,其它部 位及炉底风口部位等易损区主要采用镁碳砖、镁白云 砖及烧成油浸镁白云石砖等。

 

电炉 电炉发 展的方向为高功率和超高功率电炉及直流电弧炉。前者的 特点是单位时间内输入的热能大幅度增加,熔化时间显著缩短,对耐火 材料的要求更加苛刻。后者则 具有节约电能与石墨电极消耗低等经济效益。炉顶由硅砖改用Al2O3为75%~85%的高铝砖、直接结合镁砖、镁铬砖及镁碳砖。作为薄 弱环节的炉墙渣线区和热点部位主要选用熔铸镁铬砖、直接结 合或再结合镁铬砖及镁碳砖。熔池堤 坡上部的渣线部位多采用与炉墙热点部位相同或类似的砖,炉底以 烧结良好的镁砂或电熔镁砂捣打制成。直流电 弧炉由于增加了底电极,炉底结构较复杂,所用材质相同,但对导 电性能有一定要求,寿命也相应低些。

半成品

半成品

 

 

平炉 平炉已 逐渐被氧气转炉取代。中国仍 保留了部分平炉。自采用 氧气顶吹操作后,强化了冶炼强度,炉衬损毁较快。炉顶已 从过去采用硅砖,改为镁铝砖,镁铬砖 及方镁石一镁铝铬复合尖晶石砖。炉底工 作层为电熔镁砂烧结层,堤坡全部采用镁砖。沉渣室 顶用高铝砖或镁铝砖砌筑,蓄热室 下部格子砖采用粘土砖,中、上部则用高铝砖,上部也 有使用镁橄榄石砖的。

炉外精炼炉 炉外精 炼技术的采用是生产洁净钢、提高初 炼炉效率及保证连铸顺行的重要手段。迄今i耐用于 工业生产的炉外精炼方法虽多达数十种,但脱气、排除杂质、调整成 分与调节温度等精炼操作大多在盛钢桶中完成。精炼装 置用耐火材料在高温、真空及 炉渣碱度与钢液中氧气浓度变化大的环境下,并经受 热震荡及钢液与炉渣的冲刷与侵蚀,因而对 其质量要求极为严格。根据精 炼工艺及应用部位的不同,最常用的有镁碳砖、镁白云石碳砖、直接结合镁砖、镁铬砖、电熔再 结合镁铬砖及熔铸镁铬砖等。钢纤维 增强高铝浇注料、低水泥 浇注料及无水泥低水分浇注料等亦开始应用。(见炉外 精炼用耐火材料)

铸钢设备 连铸中 间罐主要使用硅质或镁质绝热板作内衬,罐内安 装的过滤器主要为氧化钙质、氧化锆质、氧化铝 质或氧化锆一氧化铝质耐火材料。整体塞 棒主要采用铝碳质材料,滑动水 口现采用铝碳质、莫来石质、刚玉质、铬刚玉 质与铝碳质滑板。长水口 则采用熔融石英及铝碳质材料,亦有采 用氧化铝氧化锆质复合材料的,浸入式 水口现主要采用铝碳及铝碳锆碳质复合材料。定径水 口主要用锆英石质或锆质材料。水平连 铸用分离环从主要选用单一的氮化物进而采用氮化硅~氮化硼 与赛隆氮化硼等复合材料。盛钢桶用耐火材料,由于多 炉连铸和冶炼洁净钢的需要,盛钢桶容积不断扩大,钢水温度提高,盛钢时 间延长及对钢水吹氩等综合因素的影响,耐火材 料使用条件日益苛刻。发展趋 势之一是渣线和其它易损蚀部位采用镁白云石碳砖、铝镁尖晶石砖、镁铬砖、镁碳砖和镁铝碳砖等。另一趋 势是内衬整体化,采用镁 锆质等浇注料以模型芯振动法成型。(见铸锭用耐火材料,连续铸钢用耐火材料)

加热炉、均热炉与热处理炉 此类炉 子操作温度除均热炉在液态排渣时可达1500℃外,一般均不超过1400C。但炉底 和炉墙根部常受熔融氧化铁皮渣的侵蚀,损毁较为严重,加热炉 炉底工作层用砖从高铝砖或镁砖改用电熔莫来石砖或刚玉砖。其余部 位采用的耐火材料除粘土砖、高铝砖外,还使用 高铝水泥或磷酸盐耐火浇注料预制块,高铝碳化硅浇注料。炉内滑 道低温区采用耐热铸钢与高铝一碳化硅座砖,高温区 则采用棕刚玉一碳化硅座砖。此外,为了节 约能源还大量使用耐火纤维,漂珠砖等隔热材料。(见加热炉用耐火材料、均热炉用耐火材料、热处理炉用耐火材料)

有色金属冶炼炉 有色金属种类繁多,冶炼方法不一,熔体熔化温度低,流动性好,排渣量大,但物料 焙烧与金属冶炼炉的温度不高。对耐火 材料有特定的要求,耐火材 料耗量约占总用量的5%~8%。20世纪80年代以来,有色金 属工业技术进步,迅速发展了闪速熔炼、富氧吹 炼及闪速焙烧等新技术,对耐火 材料性能的要求愈来愈苛刻,尤其是 炉体的关键部位要求更为严格。除使用粘土砖、硅砖及高铝砖外,高强度 不定形耐火材料与耐火纤维制品,碳质与 碳化硅制品以及直接结合镁铬砖与熔铸镁铬砖等等,均已在 不同领域中应用。(见炼铜炉用耐火材料、炼锌炉用耐火材料、炼铅炉用耐火材料、炼镍炉用耐火材料、炼铝用耐火材料)

耐火材料应用的特点 随着工业的发展,耐火材 料应用范围不断扩大,耐火材 料功能日益显著,耐火材 料单耗大幅度下降。耐火材 料应用范围不断扩大随着冶炼技术的发展,耐火材 料的品种与质量发生重大变化。从氧化 物和硅酸盐为主演变为以氧化物、非氧化 物和石墨复合为主(含以非氧化物为主)。如高炉 炉身用氮化硅结合的碳化硅制品逐步取代高铝砖和刚玉制品。镁碳砖 与镁白云石碳砖已广泛应用于氧气转炉、电炉,并扩大 至炉外精炼装置与盛钢桶。碳结合制品,如铝碳质、锆碳质、铝锆碳 质等制品已成为连铸用耐火材料的主要制品。氧化铝 一碳化硅一碳质制品已成功地用于砌筑铁水预处理装置上。熔铸镁铬砖、烧结镁 铬砖及碳化硅砖等在有色金属冶炼领域中得到充分的应用。

 

氧化物制品如氧化镁、氧化铝、氧化铬 及氧化锆等也随着使用要求的提高得到了发展,其中也 包括相应的不定形材料与隔热耐火制品。
制品品种、质量的改进与提高,原料也 从以天然为主演变到以天然精选和人工合成并用。加工工 艺更加严格遵循精料、精配、精混、高压、高温、精整与 采用复合技术及引用微米级超细粉配料等原则。通过调 节控制显微结构特征,改善、提高高温性能,优化力学性能,抗热震 性能和抗侵蚀性能,并借无损检测手段,严格控制质量。

 

不定形 耐火材料应用范围从低、中温领 域向高温领域逐步扩大,不定形 耐火材料作为新型筑炉材料,具有生产周期短、节省生产能耗、施工简便、使用过 程中整体性强及综合使用效果好等优点,已受到 日益广泛的重视,有进一 步取代某些烧成制品的趋势。其中浇 注料由于低水泥、超低水 泥和无水泥耐火浇注料的相继开发以及人工合成原料与电熔原料的采用,品种不断扩大,质量明显提高,其用量 约占不定形耐火材料总用量的50%。不定形 耐火材料应用的范围已从低中温领域向高温领域,由气氛 炉向接触金属熔液的熔炼炉发展。如烧结 机的点火炉和保温炉采用高铝可塑料作为内衬,寿命已超过砖砌内衬。高炉出铁沟采用刚玉、碳化硅 等高级合成原料配制的浇注料内衬,经连续修补,通铁量可达50~100万t,满足了 高炉强化冶炼的要求。又如,水冷及炉底出钢电炉,在每吨钢消耗5~6kg耐火材料中,不定形料占4~5kg。采用优 质原料浇注振动成型的整体化盛钢桶内衬已成为构筑桶衬的发展方向。连铸用 不定形耐火材料品种增加,部位日益扩大,如镁铬 质涂料用作中间罐工作层,超低水 泥结合的致密高强浇注料制成的净化钢水的挡渣堰板等均取得了成功。炉外精 炼方面以钢纤维补强的高纯铝镁质浇注料成功地应用于CAS浸渍管;以电熔 超高铝水泥结合的刚玉质浇注料用作RH的吸管 内衬等均取得满意的效果。加热炉 从采用高铝水泥结合的浇注料、可塑料,改进为 粘土结合浇注料。使用寿 命显著超过粘土砖。

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