耐火材料制备原理及工艺设计

攀枝花学院

学生课程设计（论文）

题目：耐火材料制备原理及工艺设计

学生姓名：李茂学号： 201111101027 所在院(系)：材料工程学院

专业： 2011材料科学与工程

班级： 2011级材料科学与工程一班指导教师：李亮职称：副教授

2013年12 月16 日

攀枝花学院教务处制

攀枝花学院本科学生课程设计任务书

1.绪论

耐火度高于1580℃的无机非金属材料称为耐火材料，耐火度指耐火材料锥形体试样在没有荷重情况下，抵抗高温作用而不软化熔倒的摄氏温度。耐火材料主要是指无机非金属材料构成的材料和制品，是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及工业用高温窑和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化和机械作用。关于耐火材料的工艺20世纪50年代以前都是采用单一耐火原料制造的，50年代以后都采用了复合工艺。耐火材料种类繁多，通常按耐火度高低分为普通耐火材料（1580～1770℃）、高级耐火材料（1770～2000℃）和特级耐火材料（2000℃以上）；按化学特性分为酸性耐火材料、中性耐火材料和碱性耐火材料。此外，还有用于特殊场合的耐火材料。现在对于耐火材料的定义，已经不仅仅取决于耐火度是否在1580℃以上了。目前耐火材料泛指应用于冶金、石化、水泥、陶瓷等生产设备内衬的无机非金属材料。经常使用的耐火材料有AZS砖、刚玉砖、直接结合镁铬砖、碳化硅砖、氮化硅结合碳化硅砖,氮化物、硅化物、硫化物、硼化物、碳化物等非氧化物耐火材料;氧化钙、氧化铬、氧化铝、氧化镁、氧化铍等耐火材料。经常使用的隔热耐火材料有硅藻土制品、石棉制品、绝热板等。经常使用的不定形耐火材料有补炉料、耐火捣打料、耐火浇注料、耐火可塑料、耐火泥、耐火喷补料、耐火投射料、耐火涂料、轻质耐火浇注料、炮泥等。

近几十年来，高温技术迅速发展，由于熔炼难熔金属和特种合金和超纯金属的需要，发展了特种耐火材料，耐火材料的应用领域不断扩大，占有重要地位。目前，我国每年消耗耐火材料约800万吨。镁铬质耐火材料是以氧化镁(MgO)和三氧化二铬(Cr2O3)为主要成分，以方镁石和尖晶石为主要矿物组分的耐火材料制品。镁铬耐火砖的耐火度高,高温强度大,抗碱性渣侵蚀性强，热稳定性优良，对酸性渣也有一定的适应性。但是今后镁铬材料产量将会下降，因为在高温条件下制备和使用时，它会产生有害的六价铬的化合物造成环境污染。制造镁铬砖的主要原料是烧结镁砂和铬铁矿。镁砂原料的纯度要尽可能高，铬铁矿化学成分的要求为：Cr2O3 30～45％，CaO不大于1.0～1.5％。烧制镁铬砖的生产工艺与镁质砖大体相仿。为了消除砖在烧成过程中由于MgO和Cr2O3、Al2O3或铁的氧化物反应生成尖晶石时的膨胀而引起的松散效应，也可采用合成的共同烧结料制成镁铬砖。此外，还有不烧镁铬砖，例如，用无机镁盐溶液结合的不烧镁铬砖。不烧镁铬砖生产工艺简单，成本低，热稳定性也好，但高温强度远不及烧成砖。50年代末，发展出一种所谓“直接结合”镁铬砖。这种砖的特点是原料纯,烧成温度高,方镁石、尖晶石等高温相之间直接结合，硅酸盐等低熔相为孤岛状分布,因此,显著地提高了砖的高温强度和抗渣性。镁铬砖主要用于冶金工业，如构

筑平炉炉顶、电炉炉顶、炉外精炼炉以及各种有色金属冶炼炉。超高功率电炉炉壁的高温部位采用熔铸镁铬砖，炉外精炼炉高侵蚀区采用合成料制成的镁铬砖，有色金属闪速熔炼炉高侵蚀区采用熔铸镁铬砖、合成料制成的镁铬砖。基本的钢铁炉用的是耐火等级相当高的镁铬耐火材料，此外，镁铬砖还用在水泥回转窑烧成带和玻璃窑的蓄热室等部位。关于废砖的利用，回收过程中在碱性耐火材料生产当中不仅会使它能够把废物利用,同时也可以解决环境污染和储存的问题。耐火材料的发展在国民工业生产的应其成产流程大多如图1所示。

图1 耐火材料的生产流程

耐火材料的分类如图2所示。

粘土制品

高铝制品

烧成耐火制品硅质制品

镁质制品

其它烧成制品

不烧成粘土质砖

不烧高铝质砖

不烧耐火制品不烧硅质砖

镁碳砖

┋

耐火材料刚玉制品

氧化铬制品

氧化铝制品

特种耐火材料氧化镁制品

氧化铍制品

┋

复吹转炉（电炉）用底吹供气元件

精炼钢包底吹用透气塞

功能耐火材料连铸用滑板

连铸用整体塞棒、长口水、浸入式水口

熔融石英质水口

耐火泥浆料

不定形耐火材料捣打料

可塑料

浇注料

┋

图2 耐火材料分类

2.工艺概述

镁铬砖是由铬铁矿和镁砂组成的碱性耐火材料，制造这种砖所发生的物理化学变化与烧制铬质制品基本相同。此外还得考虑以下几点：

(1)铬矿和镁砂配比对镁质耐火材料性质的影响。

当铬矿与镁砂配比为50：50时，制品具有最高的热震稳定性，随着铬矿或镁砂比例的增大或减小，热震稳定性都降低。当铬矿含量过高时，制品在1650o C

下抵抗铁氧化物作用的能力会显著降低。铬矿须粒能与Fe

3O

4

。形成固溶体，引

起体积的急剧膨胀，致使制品产生爆胀现象。配料中铬矿的含量越高，爆胀现象越严重。配料中镁砂含量的提高，能增强制品的抗渣能力，目前镁铬质平炉顶的发展趋势是提高配料中的镁砂含量。

(2)基质矿物组成对制品性能的影响。

铬镁质(或镁铬质)制品的主要矿物组成是方镁石和尖晶石。墓质部分系由硅酸盐组成。

(3)气氛性质的影响。

在还原气氛下缎烧镁铬质耐火材料时，细粉镁砂中的MgO置换粗颗粒铬矿中尖晶石的FeO的固相反应在650o C开始，体积收缩约为24.3%。这样大的体积收

缩必然产生烧成裂纹。在氧化气氛下铬矿中的FeO于500℃开始即被氧化成Fe

2O

3，

形成(Fe,Cr)

2O

3

固溶体。体积收缩1.5%，而且在氧化气氛中由MgO置换出来的

FeO氧化成Fe

2O

３

,随即与MgO结合成铁酸镁，这两个反应的总体积膨胀只有6.6%

据此铬镁质耐火材料应该在弱氧化气氛下烧成。

2.1镁铬砖的生产

镁铬砖的生产镁铬砖是以烧结镁砂和铬矿为原料制成的。在配料中控制MeO

含量占60-70% ，Cr

2O

3

含量在8-12%,这种制品的稳定性良好，耐火度大于2000o C,

是偏碱性的高级耐火材料。

2.1.1热稳定性镁铬砖的生产

热震稳定性镁铬砖的生产工艺特点是增大临界颗粒尺寸，减少铬矿颖粒中的细粉含金，以提高制品的热震稳定性。

2.1.2 直接结合镁铬砖

耐火材料直接结合砖的生产起源于镁铬或铬镁耐火材料。当时直接结合碱性砖是指在这些砖中方镁石一尖晶石和方镁石一方镁石的直接结合，在一定程度上取代了被硅酸盐膜包围铬矿颖粒和方镁石晶粒的典型结构，从而使砖具有较高的高温强度，抗渣性以及在1800℃下的体积稳定性等特点。虽然我国耐火材料工