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1、2019年6月20日星期四3时35分12秒,1/39,耐火材料工艺学,武汉科技大学,国家级精品课程,第4章 碳复合耐火材料-,2019年6月20日星期四3时35分12秒,2/39,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,2019年6月20日星期四3时35分12秒,3/39,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,201
2、9年6月20日星期四3时35分12秒,4/39,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过去，现在和将来,2019年6月20日星期四3时35分12秒,5/39,已学知识点回顾,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,2019年6月20日星期四3时35分12秒,6/39,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
3、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,2019年6月20日星期四3时35分12秒,7/39,已学知识点回顾,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
4、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。,2019年6月20日星期四3时35分12秒,8/39,传统耐火材料：MgO、Al2O3 、MA、A3S2 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 抗渣性与热震稳定性差,4.1 碳复合耐火材料发展概况(背景、历程和地位),（1）背景,氧化物为主,特点：,2019年6月20日星期四3时35分12秒,9/39,新的冶炼技术的需要,铁水的预处理 顶吹、顶底复吹、超高功率电炉 炉外精炼、连铸比的不断提高。 要求耐火材料使用寿命(service life)要高。,2019年6月20日星期四3时35分
5、12秒,10/39,上个世纪80年代初至80年代末的二伊战争 石油危机 重油紧缺-如何节能降耗？ 能源危机的需要,2019年6月20日星期四3时35分12秒,11/39,（2）历程,国外,国内,上世纪70年代末期，日本九洲耐火材料公司渡边明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热点部位；1978年用于转炉底吹转炉供气嘴，1979年用于转炉的各个部位。,1980前后年开始研究含碳耐火材料，且列入国家“七五”(19851989)科技攻关项目。 1987年912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“七五”转炉炉龄达千次的攻关目标。 上世纪80年代后期，在
6、全国各大中小钢厂普遍推广使用MgO-C质耐火材料作为转炉和电炉的炉衬。,2019年6月20日星期四3时35分12秒,12/39,（3）地位,碳复合耐火材料是目前钢铁冶金工业中应用最广泛的一种耐火材料，图示说明。,炼铁系统,炼钢系统,连铸系统,2019年6月20日星期四3时35分12秒,13/39,高炉,2019年6月20日星期四3时35分12秒,14/39,主沟,渣沟,铁沟,Al2O3-SiC-C,Al2O3-SiC-C,高炉出铁场,Al2O3-SiC-C,Al2O3-SiC-C铁沟浇注料,高炉出铁口用 Al2O3-SiC-C炮泥,2019年6月20日星期四3时35分12秒,15/39,出铁口
7、,沟盖,主沟,渣沟,铁沟,摆动流槽,高炉出铁口组成,2019年6月20日星期四3时35分12秒,16/39,高炉出铁口,Al2O3-SiC-C质炮泥,2019年6月20日星期四3时35分12秒,17/39,Ironmakingtorpedo ladle（鱼雷罐）,炼铁鱼雷罐(运送铁水、铁水预处理脱P,S),Al2O3-SiC-C砖,2019年6月20日星期四3时35分12秒,18/39,Al2O3-MgO-C砖,Al2O3-SiC-C砖,红柱石砖或Al2O3-SiC-C砖,低水泥浇注料,红柱石砖,2019年6月20日星期四3时35分12秒,19/39,转炉系统,顶吹氧气管,底吹氩气管,2019
8、年6月20日星期四3时35分12秒,20/39,转炉炼钢系统,铁水包,转炉,Al2O3-SiC-C砖,MgO-C砖(MgO-CaO-C砖),鞍钢250T转炉,2019年6月20日星期四3时35分12秒,21/39,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,内衬全部是碳复合耐火材料,2019年6月20日星期四3时35分12秒,22/39,三相交流电炉炼钢示意图,工作衬全部是含碳耐火材料,2019年6月20日星期四3时35分12秒,23/39,内衬：MgO-C，高碳导电炉底砖（MgO-C砖）及MgO-C捣打料(阳极),直流电弧炉,2019年6月20
9、日星期四3时35分12秒,24/39,连铸系统,钢包: 渣线MgO-C砖 包衬Al2O3-MgO-C砖 连铸三大件 塞棒Al2O3-C质 长水口Al2O3-C质 浸入式水口Al2O3-C质 滑板Al2O3-ZrO2-C,SEN（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,中间包底,滑板,执行机构,2019年6月20日星期四3时35分12秒,25/39,钢包渣线MgO-C,包衬: Al2O3-MgO-C Al2O3-MA-C,钢包中间包系统,长水口Al2O3-C,2019年6月20日星期四3时
10、35分12秒,26/39,钢壳,渣线：镁碳砖 包衬：铝镁碳砖,钢包结构示意图,2019年6月20日星期四3时35分12秒,27/39,钢包(盛钢桶)内衬耐火材料,2019年6月20日星期四3时35分12秒,28/39,出完钢后的钢包,渣线,钢水作用区,精炼炉钢包,2019年6月20日星期四3时35分12秒,29/39,碳复合耐火材料的种类,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（转炉、电炉）： MgO-C、MgO-CaO-C系列 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
11、-C、MgO-Al2O3-C系列,2019年6月20日星期四3时35分12秒,30/39,（4） “碳”与“炭”的区别,“碳”是一种元素，符号为C。 “炭” 是碳，且以无定形碳为主的人造物质(artifact, non-natural )。 炭的化学成分主要是碳，且其中的碳以无定形(非晶)结构存在。 “碳”与“炭”的关系： 炭=无定形碳+杂质。实际应用时重点看是不是无定形碳，从而确定该用何字。,三维结构,2019年6月20日星期四3时35分12秒,31/39,（5） 石墨的特性及含碳耐火材料的优点,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）。,天然石墨类型,致密结晶状石墨
12、 （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,2019年6月20日星期四3时35分12秒,32/39,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石墨化处理而得。 特点：含碳量高（99以上），灰分少（不超过0.5），但其结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
13、中大量使用的是天然鳞片石墨（自然界的薄片石墨）。,人造石墨,2019年6月20日星期四3时35分12秒,33/39,石墨结构示意图,石墨（Graphite）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,因而石墨抗热震性能优良。,2019年6月20日星期四3时35分12秒,34/
14、39,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,石墨的性质,2019年6月20日星期四3时35分12秒,35/39,（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
15、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,抗渣性,热震稳定性,湿润角与润湿性的关系,接触角或润湿角?,2019年6月20日星期四3时35分12秒,36/39,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砖利用了镁砂的抗碱性渣侵蚀能力强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。,(6)碳复合耐火材料的特点及优点,具有高的热震稳定性； 良好的抗熔渣和钢水的侵蚀性,使用寿命长,2019年6月20日星期四3时35分12秒,37/39,（7）碳复合耐火材料使用现状,所有的电
16、炉、转炉炉衬材料均为含碳耐火材料； 使用寿命大多在一万炉以上，通过采用溅渣护炉技术后,武钢、济钢等钢厂的炉衬寿命均超过三万炉次。但吨钢耐材消耗还有待努力降低!,炼钢现场,2019年6月20日星期四3时35分12秒,38/39,(8) 目前含碳耐火材料急需解决的问题,石墨的高导热,热损失大,不利于节能!,作为炉衬材料,往钢液中渗碳,不利于冶炼低碳钢等品种钢,2019年6月20日星期四3时35分12秒,39/39,思考题,1、什么叫碳复合耐火材料(含碳耐火材料)？ 2、含碳复合耐火材料(碳复合耐火材料)与传统耐火材料相比，突出的优点是什么？为什么？ 3、在高温及冶金工业中，选择耐火材料的依据是什么？ 4、What do you call(or How do you say) “magnesia carbon brick” and “carbon brick” in Chinese? 5、石墨及其它炭素材料在高温下均可被氧化成CO或CO2，但为什么还可作为耐火材料的原料？ 6、含碳耐火材料目前急需要解决的问题是什么，你认为该如何解决？,