1、2023年1月26日星期四耐火材料工艺学耐火材料工艺学本节课主要内容 了解碳复合耐火材料发展的背景、历程及地位 理解“碳”与“炭”的区别 掌握石墨的特性及含碳耐火材料的优点 熟知目前含碳耐火材料急需解决的问题已学知识点回顾1、耐火材料制备过程中的物理、化学以及工程学问题；2、耐火材料的组成、结构与性质以及它们之间的关系；3、耐火材料使用过程中的物理与化学过程及其损毁机理。一、耐火材料学主要研究的内容一、耐火材料学主要研究的内容已学知识点回顾1、使用寿命、降低消耗过去及大多现在；2、耐火材料的功能化现在及未来；3、节能减排未来。二、耐火材料研究的目标二、耐火材料研究的目标过去，现在和将来已学知识
2、点回顾高炉炼铁将铁矿石制备还原成含碳铁水的过程：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2,Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2 炼钢过程将含碳铁水中的碳氧化、除杂、合金化的过程三、钢铁冶金的过程三、钢铁冶金的过程已学知识点回顾1、考虑耐火材料的耐火度。例如粘土砖的耐火度为1730，而其使用温度仅为1350。2、考虑耐火材料的高温结构强度，通过其荷重软化点来表征。耐火材料的使用温度必须要低于其荷重软化点。例如粘土砖的耐火度为1730，而其荷重软化点为1350，因此最高使用温度仅为1350。3、考虑耐火材料要具有高的热稳定性；四、高温工业选择耐火材料的依据四、高温工业选择耐火材料的依据已学知识点回顾
3、具有高温化学稳定性。例如，硅砖只能做酸性熔渣的耐火材料，而不能做为碱性熔渣的耐火材料；而镁砖则恰好相反，只能做碱性熔渣的耐火材料。考虑材料的致密度。满足前述条件下，尽量选择体积密度小的材料，以减少蓄热增强体温。在用作电炉内衬时，还需考虑其导电性。耐火材料的性能必须要满足生产要求，在此基础上，考虑其经济要求，尽量使生产成本最低。传统耐火材料：传统耐火材料：MgO、Al2O3、MA、A3S2离子晶体、熔点高、储量丰富离子晶体、熔点高、储量丰富与炉渣亲和性润湿性好、脆性材料、热导率小与炉渣亲和性润湿性好、脆性材料、热导率小抗渣性与热震稳定性差抗渣性与热震稳定性差4.1 碳复合耐火材料发展概况碳复合耐
4、火材料发展概况(背景、历程和地位背景、历程和地位)（1 1）背景）背景氧化物为主特点：新的冶炼技术的需要新的冶炼技术的需要铁水的铁水的预处理预处理顶吹、顶底复吹、超高功率电炉顶吹、顶底复吹、超高功率电炉炉外炉外精炼精炼、连铸比连铸比的不断提高。的不断提高。要求耐火材料使用寿命要求耐火材料使用寿命(service life)要高。要高。上个世纪上个世纪80年代初至年代初至80年代末的年代末的石油危机石油危机重油紧缺重油紧缺-如何节能降耗？如何节能降耗？能源危机的需要能源危机的需要 上世纪上世纪70年代末期，日本九洲耐火材料公司年代末期，日本九洲耐火材料公司等人研制成功镁碳砖，在多国申报专利；镁碳
5、等人研制成功镁碳砖，在多国申报专利；镁碳砖最先用于电炉电极的砖最先用于电炉电极的部位；部位；1978年用于转炉年用于转炉底吹转炉底吹转炉，1979年用于转炉的年用于转炉的。1980前后年开始研究含碳耐火材料，且列入国前后年开始研究含碳耐火材料，且列入国家家“七五七五”(19851989)科技攻关项目。科技攻关项目。1987年年912月在鞍钢三炼钢厂转炉上试用镁碳月在鞍钢三炼钢厂转炉上试用镁碳砖后，仅用一年时间就超额完成了砖后，仅用一年时间就超额完成了“七五七五”转炉炉转炉炉龄达千次的攻关目标。龄达千次的攻关目标。上世纪上世纪80年代后期，在全国各大中小钢厂普遍年代后期，在全国各大中小钢厂普遍推
6、广使用推广使用MgO-C质耐火材料作为转炉和电炉的炉衬。质耐火材料作为转炉和电炉的炉衬。炼铁系统炼钢系统连铸系统高炉高炉主沟主沟渣渣沟沟铁铁沟沟 Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C高炉出铁场高炉出铁场Al2O3-SiC-CAl2O3-SiC-C铁沟浇注料铁沟浇注料高炉出铁口用高炉出铁口用Al2O3-SiC-C炮泥炮泥出铁口沟盖主沟渣沟铁沟摆动流槽 高炉出铁口组成高炉出铁口组成Al2O3-SiC-C质炮泥质炮泥鱼雷罐鱼雷罐炼铁炼铁鱼雷罐鱼雷罐(运送铁水、铁水预处理脱运送铁水、铁水预处理脱P,S)Al2O3-SiC-C砖 红柱石砖或红柱石砖或Al2O3-SiC-C砖砖低水泥浇注料低水泥浇
7、注料红柱石砖红柱石砖转炉系统转炉系统顶吹氧气管底吹氩气管转炉炼钢系统转炉炼钢系统铁水包铁水包转炉转炉Al2O3-SiC-C砖砖MgO-C砖砖(MgO-CaO-C砖砖)鞍钢鞍钢250T转炉转炉氧枪出钢口转炉炉口耳轴转炉耐火材料内衬吹气时的流动状态气体空间渣层金属液内内衬衬全全部部是是碳碳复复合合耐耐火火材材料料三相交流电炉炼钢示意图三相交流电炉炼钢示意图 工工作作衬衬全全部部是是含含碳碳耐耐火火材材料料内衬：内衬：MgO-C，高碳导电，高碳导电炉底砖（炉底砖（MgO-C砖）及砖）及MgO-C捣打料捣打料(阳极阳极)直直流流电电弧弧炉炉钢包钢包:渣线渣线MgO-C砖砖包衬包衬Al2O3-MgO-C
8、砖砖连铸三大件连铸三大件塞棒塞棒Al2O3-C质质长水口长水口Al2O3-C质质浸入式水口浸入式水口Al2O3-C质质滑板滑板Al2O3-ZrO2-CSEN（submerged entry nozzle）浸入式水口SES（Submerged entry shroud）浸入式水口双板滑动式水口工作示意双板滑动式水口工作示意中间包底中间包底滑板执行机构执行机构钢包渣线钢包渣线MgO-C包衬包衬:Al2O3-MgO-CAl2O3-MA-C钢包钢包中间包系统中间包系统长水口长水口Al2O3-C钢壳渣线：镁碳砖渣线：镁碳砖 包衬：铝镁碳砖包衬：铝镁碳砖钢包结构示意图钢包结构示意图钢包钢包(盛钢桶盛钢桶)
9、内衬耐火材料内衬耐火材料出完钢后的钢包出完钢后的钢包渣线渣线钢水作用区钢水作用区精炼炉钢包精炼炉钢包碳复合耐火材料的种类碳复合耐火材料的种类 炼铁系统炼铁系统（高炉炮泥、铁沟、渣线、鱼雷罐等）：Al2O3-SiC-C、Al2O3-MgO-C系列 炼钢系统炼钢系统（转炉、电炉）：MgO-C、MgO-CaO-C系列 连铸系统连铸系统（钢包、钢包滑板、水口、长水口、中间包滑板、浸入式水口、塞棒等）：MgO-C、Al2O3-C、MgO-Al2O3-C系列 “碳碳”是一种元素，符号为是一种元素，符号为C。“炭炭”是碳，且以无定形碳为主是碳，且以无定形碳为主的人造物质的人造物质(artifact,non-
10、natural)。炭的化学成分主要是碳，且其中炭的化学成分主要是碳，且其中的碳以无定形的碳以无定形(非晶非晶)结构存在。结构存在。“碳碳”与与“炭炭”的的关系：关系：炭炭=无定形碳无定形碳+杂质。实际应用时杂质。实际应用时重点看是不是无定形碳，从而确定该重点看是不是无定形碳，从而确定该用何字。用何字。1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 01 0 31 0 01 0 41 1 02 T h e ta/0 0 20 0 41 0 10 0 61 1 21 0 51 0 202 04 06 08 01 0 0(0 0 4)(1 0 0)2 T h e ta/(0 0 2)三
11、维结构三维结构 石墨是元素碳的一种同素异形体（金刚石、C60、石墨烯、纳米碳管）。天天然然石石墨墨类类型型 致密结晶状石墨（块状）:结晶明显,晶体肉眼可见，直径0.1毫米，品位高，含碳量为6065%，有时达8098%。鳞片石墨，呈鳞片状，有大鳞片和细鳞片之分。品位1025%之间。可浮性好。隐晶质石墨（土状石墨）。晶体直径1微米，特点是表面呈土状，缺乏光泽，润滑性差。品位较高。一般的6085%。少数高达90%以上。石墨外观石墨外观 是以石油焦、沥青焦等为主要原料，以沥青为结合剂，压制成型后，经25003000高温非氧化气氛下进行处理而得。特点：含碳量高（99以上），灰分少（不超过0.5），但其结
12、晶程度不如天然鳞片状石墨，且生产工艺复杂。含碳耐火材料中大量使用的是天然含碳耐火材料中大量使用的是天然鳞片石墨鳞片石墨（自然界的薄片石墨）。（自然界的薄片石墨）。石墨结构示意图石墨结构示意图 石墨（石墨（Graphite）的基本性质）的基本性质 真空中熔点为3850,挥发点为4250；低压下升华温度:2200,其强度随温度的升高而增加。六角网状平面上的每个碳原子与周围碳原子形成三个共价键,另一个电子在该平面上自由移动,且与相邻平面上碳原子的剩余电子作为电子云存在于网状平面间,使石墨具有良好的导热和导电性。石墨具有各向异性,宏观膨胀系数不大;在温度骤变时其体积变化小,同时具有良好的导热性能,因而
13、石墨抗热震性能优良。耐高温性能好；导热、导电性好；特殊的抗热震性能；润滑性，石墨层间结合力弱,使之具有润滑性;鳞片越大,润滑性越好。石墨在常温下具有很好的化学稳定性,不受任何强酸强碱及有机溶剂的侵蚀.良好的化学稳定性和抗侵蚀能力。但石墨在空气中易氧化，用于碳复合耐火材料时应该采取必要的防氧化措施。石墨结构石墨结构（1）对炉渣的不湿润性（non-wetting for slag）（2）高的导热性（high thermal conductivity）（3）低的热膨胀性（low thermal expansion）此处，石墨与耐火材料在高温下不发生共熔。石墨作为耐火原料时的特性石墨作为耐火原料时的特
14、性抗渣性抗渣性热震稳定性热震稳定性接触角或润湿角接触角或润湿角?碳复合耐火材料既可以保持原耐火材料的特点，又能发挥复合后的新特性，可根据需要进行设计，取长补短，最大限度地达到使用要求的性能。如MgO-C砖利用了镁砂的和碳的高导热性及低膨胀性，补偿了碱性制品抗剥落性差的最大缺点。具有高的热震稳定性；具有高的热震稳定性；良好的抗熔渣和钢水的侵蚀性良好的抗熔渣和钢水的侵蚀性使用寿命长使用寿命长 （7）碳复合耐火材料使用现状）碳复合耐火材料使用现状 所有的电炉、转炉炉衬材料均为含碳耐火材料；所有的电炉、转炉炉衬材料均为含碳耐火材料；使用寿命大多在使用寿命大多在一万炉一万炉以上，通过采用以上，通过采用溅渣护炉溅渣护炉技术后技术后,武钢、济钢等钢厂的炉衬寿命均超过武钢、济钢等钢厂的炉衬寿命均超过三万炉次三万炉次。但吨钢耐材。但吨钢耐材消耗还有待努力降低消耗还有待努力降低!炼钢现场炼钢现场石墨的高导热石墨的高导热热损失大热损失大,不利于节能不利于节能!作为炉衬材料作为炉衬材料往钢液中渗碳往钢液中渗碳不利于冶炼低碳钢等品种钢不利于冶炼低碳钢等品种钢
