耐火材料的生产工艺

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攀枝花学院本科课程设计[耐火材料制备原理及工艺]学生姓名：徐正茂学生学号：200911102076院（系）：材料工程学院年级专业：2009级材料科学与工程二班指导教师：助理指导教师：二〇一一年十二月 摘要耐火材料是一种耐火度不低于1580℃，有较好的抗热冲击和化学侵蚀的能力、导热系数低和膨胀系数低的无机非金属材料。其主要是以铝矾土、硅石、菱镁矿、白云石等天然矿石为原料经加工后制造而成的。其应用是用作高温窑、炉等热工设备的结构材料，以及工业用高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。主要是广泛用于冶金、化工、石油、机械制造、硅酸盐、动力等工业领域，在冶金工业中用量最大，占总产量的50％～60％。耐火材料的发展在国民工业生产的应用中有着举足轻重的地位。中国耐火材料的发展历史悠久，具有了较为完整的生产工艺，其当代的发展已经是能独立研发各种性能较为优越的耐火材料，但依然存在各种缺点和不足。关键词中国，耐火材料，原理工艺，发展，前景ABSTRACTRefractorymaterialisakindofrefractoryfornolessthan1580DEGC,hasgoodthermalshockresistanceandchemicalerosionability,lowthermalconductivityandlowexpansioncoefficientofinorganicnonmetallicmaterials.Itisprimarilybasedonbauxite,magnesite,dolomite,silicaandothernaturaloreasrawmaterialafterprocessingmadeof.Itsapplicationisusedforhightemperaturekiln,furnacethermalequipmentstructureandindustrialhigh-temperaturematerials,containersandcomponentsofthematerial,andcanwithstandthecorrespondingphysicalandchemicalchangeandmechanicalaction.Iswidelyusedinmetallurgical,chemical,petroleum,machinerymanufacturing,silicate,powerandotherindustrialfields,inthemetallurgicalindustryinthelargestamount,totaloutput50%~60%.Developmentofrefractorymaterialinthenationalindustrialproductionandapplicationhasplaya decisiveroleposition.Chinathedevelopmentofrefractorymaterialhasalonghistory,hasarelativelycompleteproductionprocess,anditscontemporarydevelopmentistheindependentresearchanddevelopmentofavarietyofperformanceismoresuperiorrefractories,butstillexistavarietyofshortcomingsanddeficiencies.KeywordsChina,refractorymaterials,theprincipletechnology,development 目录1绪论52耐火材料的分类和性能要求52.1分类52.1.1按组成来分52.1.2按工艺方法来划分52.1.3根据耐火度来分62.1.4根据耐火材料制品的外形来分62.2基本性能要求63中国耐火材料的发展63.1中国古代耐火材料的制造和应用63.2中国当代耐火材料的发展74耐火材料发展促进工业产业进步75中国耐火材料存在的不足76中国耐火材料的发展前景86.1原料优质化86.2向质量型转变86.3开拓新品种86.4新工艺96.5耐火材料综合消耗97耐火材料的制备原理97.1耐火原料的加工97.2耐火材料成型工艺107.3耐火材料的干燥107.4耐火材料的烧成108耐火材料的生产工艺108.1原料的加工108.2配料与混练108.3砖坯的成型118.4:砖坯干燥128.5制品烧成129结论13参考文献14 1绪论耐火材料定义为耐火度不低于1580℃，有较好的抗热冲击和化学侵蚀的能力、导热系数低和膨胀系数低的无机非金属材料。其主要是以铝矾土、硅石、菱镁矿、白云石等天然矿石为原料经加工后制造而成的。其应用是用作高温窑、炉等热工设备的结构材料，以及工业用高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。主要是广泛用于冶金、化工、石油、机械制造、硅酸盐、动力等工业领域，在冶金工业中用量最大，占总产量的50％～60％。耐火材料的发展在国民工业生产的应用中有着举足轻重的地位。其成产流程大多如图1-1。原料加工干燥泥料制备成型烧成制备图1-1耐火材料的生产流程[1]2耐火材料的分类和性能要求2.1分类2.1.1按组成来分耐火材料可分为硅质制品、硅酸铝质制品、镁质制品、白云石制品、铬质制品、锆质制品、纯氧化制品及非纯氧化物制品等。2.1.2按工艺方法来划分 可分为泥浆浇注制品、可塑成形制品、半干压成形的制品、由粉末非可塑料捣固成形制品、由熔融料浇注的制品、经喷吹或拉丝成形的制品及由岩石锯成的天然制品等。2.1.3根据耐火度来分可分为普通耐火材料制品，其耐火度为1580℃~1770℃；高级耐火材料制品，其耐火度为1770℃~2000℃；特级耐火材料制品。其耐火度为2000℃℃以上。2.1.4根据耐火材料制品的外形来分可分为定形耐火材料制品，如烧成砖。电熔砖。耐火隔热砖以及实验和工业用坩埚。器皿等特殊制品；不定形耐火材料制品，简称散装料，在使用地点才制成所需要的形状和进行热处理，如浇注料、捣打料、投射料、耐火泥等；耐火纤维，如铝纤维、硅酸铝纤维等，使用时一般经过加工成毯、毡、板、绳。组合键和纤维块制品。2.2基本性能要求耐火材料的性能表现在诸多方面，其中它的物理性能包括结构性能、热学性能、力学性能、使用性能和作业性能。结构性能包括气孔率、体积密度、吸水率、透气度、气孔孔径分布等。热学性能包括热导率、热膨胀系数、比热、热容、导温系数、热发射率等。力学性能包括耐压强度、抗拉强度、抗折强度、抗扭强度、剪切强度、冲击强度、耐磨性、蠕变性、粘结强度、弹性模量等。使用性能包括耐火度、荷重软化温度、重烧线变化、抗热震性、抗渣性、抗酸性、抗碱性、抗水化性、抗CO侵蚀性、导电性、抗氧化性等。作业性包括稠度、塌落度、流动度、可塑性、粘结性、回弹性、凝结性、硬化性等。其中耐火度是耐火材料的最主要的性能技术指标，耐火度越高，其质量也好[3]。耐火材料的重要性体现在：影响炉子生产率，影响产品质量，影响炉子寿命，以及影响产品成本。3中国耐火材料的发展3.1中国古代耐火材料的制造和应用中 国古代耐火材料制造技艺方面，从许多高温操作工艺如冶铁、炼钢、铸铜、陶瓷、玻璃灯的史实来推断，有很好的成就。5000多年以前中国即有陶瓷，2000多年前即有瓷器。其烧制用的窑炉衬砖和匣钵，均不可缺少耐火材料。明宋应星著《天工开物》（1673）一书中冶铸第八卷载有炼铜的碳素坩埚含碳30%、以粉状土混合制成，容量可熔铜十斤（5kg），其他炼金、银、铁、锡、等的熔炼炉则以黏土制成。这些都体现着中国古代耐火材料的发3.2中国当代耐火材料的发展高温工业生产都会涉及到耐火材料问题。如钢铁冶炼、玻璃熔制、陶瓷、水泥的烧成，以及耐火材料烧成，都密切与耐火材料有关。中国建国初期耐火材料工业很落后，几乎全是手工作业。通过选用当地原料、改进工艺、强化操作，是一些关键产品（如黏土砖和硅砖）的质量基本达到了当时的标准。后来，研究开发了高铝砖、镁铝砖、焦炉硅砖、碳砖、碳化硅砖、电熔莫来石砖、耐火混凝土和不烧砖，使用上取得了很好的效果，最突出的科技成就就是从中国资源特点出发，根据中国有丰富的菱镁矿和高铝矾土淡缺少铬铁矿的情况，以镁铝砖代替国外传统使用的镁铝砖。又如利用中国丰富的高铝钒硅土研究开发了各级高铝砖的产品系列，在水泥回转窑、高温隧道等逐步推广使用，都取得了相当的发展。4耐火材料发展促进工业产业进步近三十年来，由于耐火材料的研究不断的深入，新颖优质的耐火材料的层出不穷。与耐火材料密切联系的工业产业得到了足够的动力，使产业效率不断提高，从而促进了产业的进步。粗钢年产量从1980年的3700万吨增长到2009年的56800万吨，跃居世界第一位。连铸钢的产量的增加也较快。2009年10种有色金属的产量为2604．88万吨，同比增长3．99％。2008年的水泥生产产量达到为14.5亿吨，位居第一。现在大型现代化钢铁厂和水泥厂所用的耐火材料已有95%以上采用国内产品。5中国耐火材料存在的不足中国耐火材料年生产的主要问题是质量不够稳定，优质高效新产品不足，以致使用寿命低，消耗高。中国国内的耐火材料产品中，普通制品仍占据很大比例，优质长寿节能产品少。与国际水平相比，其耐火材料生产存在着“高耗低效”的问题。其出现的原因有两方面：一方面是中国国内 耐火材料存在着质量低、品种少、寿命短的现象，实际生产中有些最容易损坏的地方，按理应该用性能更好的高档的耐火材料，但由于品种少，不得不都用一样的材料，结果导致寿命不同步，浪费比较大。另一方面，中国的钢铁生产工艺和设备亦存在着一些特殊情况。就高炉而言，大中小都有，且中小高炉占有很大比例。6中国耐火材料的发展前景今后耐火材料技术发展的主要方向应当是，根据中国原料资源特点，全面提高质量，终点开发优质高效新产品，采用先进工艺、技术革新和更新装备，以提高使用效果降低使用消耗，适应高温技术苛刻要求[4]。具体今后的发展前景如下：6.1原料优质化这是发展优质耐火材料的基础。要在选矿、提纯、合成工艺、锻炼技术等方面做大量的研究。原料纯度的提高，烧结程度改善，成分结构均匀，性能稳定，为发展优质高纯高效制品提供了基础。天然耐火原料使用比例逐渐此案将，而经过选矿与合成的高纯度、高密度和质量均匀的耐火原料比例不断提高。另外，在研制耐火材料新品种方面，也应该立足于中国的资源和需要，研究发展优质、高效、高铝质和碱性制品。6.2向质量型转变以节能、省力、多品种、高质量、低产量、高利润为特点，加速耐火材料从量到质、从劳动密集型想技术密集型的转变，要有数量型想品种质量型转变。6.3开拓新品种包括有：高温型耐火制品；低能耗型耐火制品；高技术、高性能耐火制品。 6.4新工艺工艺上严格要求精料、精配、高压、高温、复合技术、引用超细粉，通过调节控制显微结构特征，可改进、优化高温性能，尤其是理学性能、抗热震性能和抗侵性能。另外，为使直接结合和再结合砖向更高纯度、更高密度和更好的组织结构发展，采用选矿提纯、二步煅烧、高压成球、人工合成以及高压成型和高温烧成等新工艺。6.5耐火材料综合消耗它是上述所有技术进步的综合反映。耐火材料综合消耗（耐火材料产量与钢产量的比值）的不断降低，是耐火材料发展的重要标志。7耐火材料的制备原理7.1耐火原料的加工原料的加工主要包括原料的精选提纯.均化或合成；原料的干燥和煅烧；原料的破粉碎和分级。原料的精选提纯和均化为了提高原料的纯度，一般需经拣选或冲洗，剔除杂质，有的还需要采用适当选矿方法进行精选提纯。有的原料中成分不均，需要均化。原料的煅烧：为了保证原料的高温体积稳定性。化学稳定性和高强度，多数天然原料和合成原料，需经高温煅烧制成熟料或熔融成熔块。烧结温度T约为其熔点的0.7~0.9倍。原料的破粉碎和分级：原料的破粉碎的目的是按照配料要求制成不同粒级的颗粒及细粉，进行级配，使多组分间混合均匀，以便相互反应，并尽可能获得致密的或具有一定粒状结构的制品胚体。 7.2耐火材料成型工艺耐火材料借助于外力或模型，成为具有一定尺寸。形状和强度的胚体或制品的过程。压制或成型是耐火材料生产工艺过程中的重要环节。按胚料含水量的多少，分为半干法.可塑法.注浆法。7.3耐火材料的干燥干燥过程可分为三个阶段。在此之前有一个加热阶段。一般加热阶段时间很短，胚体温度上升到湿球温度。第二阶段是降速阶段，随着干燥时间的延长，或胚体含水量的减少，胚体表面的有效蒸发面积逐渐减少，干燥速度逐渐降低。第三阶段干燥速度逐渐接近零，最终胚体水分不再减少。7.4耐火材料的烧成烧成是耐火制品生产中最后一道工序。制品在烧成过程中发生一系列物理化学变化，随着这些变化的进行，气孔率降低，体积密度增大，使胚体变成具有一定尺寸.形状和结构强度的制品。8耐火材料的生产工艺8.1原料的加工原料的加工主要包括原料的精选提纯.均化或合成；原料的干燥和煅烧；原料的破粉碎和分级。8.2配料与混练配料组成：（1）.化学组成：主成分，易熔杂质总量和有害杂质量的规定（2）.颗粒配比（3）.常温结合剂（4）.原料中水分和灼减的换算。 配料方法：重量：磅秤、自动称量称、称量车、电子称、光电数字显示称。容积：带式、板式、槽式、圆盘式、螺旋式、振动给料机。混练：使不同组分和粒度的物料同的物料同适量的结合剂经混合和挤压作用达到分布均匀和充分润湿的泥料制备过程。其中混练设备:单轴和双轴搅拌机、混砂机（混合、搅拌）湿碾机（混合、搅拌和挤压，更均匀混练机8.3砖坯的成型耐火坯料借助于外力和模型，成为具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品的过程方法：1.半干法2.可塑法3.注浆法4.振动成型5.热压注成型6热压成7.电熔注法8.等静压成型 压力机8.4砖坯干燥提高坯体的机械强度，有利于装窑操作并保证烧成初期能够顺利进行过程1.等速干燥阶段2.降速干燥阶段3.低速及平衡干燥阶段干燥方式:1.间歇式室式2.隧道式8.5制品烧成坯体中各种反应趋于完全、充分、液相数量继续增加，结晶相进一步成长而达到致密化窑 9结论作为中国工业生产进步中不可或缺的生产因素，耐火材料在中国的发展是有着长久的历史的，当今的发展已经研究开发了高铝砖、镁铝砖、焦炉硅砖、碳砖、碳化硅砖、电熔莫来石砖、耐火混凝土和不烧砖等广泛应用在国民工业生产中的较好的耐火材料。而今后的发展前景是朝着原料优质化、向质量型转变、开拓新品种、新工艺、耐火材料综合消耗等方向发展，继续研发科学高效的耐火材料。 参考文献[1]无计非金属材料工艺原理[专著]／姜建华主编．化学工业出版社2005[2]无机非金属材料导论[专著]／卢安贤主编．中南大学出版社2003[3]耐火材料[专著]／薛群虎,徐维忠主编．—2版．—北京：冶金工业出版社，2009[4]耐火材料概论[专著]／宋希文,安胜利主编．—北京：化学工业出版社，2009[5]耐火材料原料[专著]／王鸿藻，—北京：科技卫生出版社，1958[6]耐火材料工艺学[专著]／王维邦，—北京：冶金工业出版社，1984[7]不定形耐火材料[专著]／韩行禄，—北京：冶金工业出版社，1994[8]耐火材料与能源[专著]／刘盛秋，—北京：冶金工业出版社，1993[9]刚玉耐火材料[专著]／徐平坤，—北京：冶金工业出版社，1999[10]耐火材料工艺学[专著]／宋希文，—北京：化学工业出版社，2008 致谢本文是在老师悉心指导和关怀下完成的。从论文的选题、设计方案的确定及最后论文的撰写、论文的修改和润色，每一环节都倾注了老师的大量心血。大学四年来，各位任课老师在我学习和生活上给予了引导和无微不至的关怀。您们渊博的知识，严谨的治学态度，求实创新的工作精神，宽阔的胸怀，对我产生了深刻的影响，使我知道该怎样去学习，应用什么态度去学习，并使我受益终身。在此论文完成之际，谨向大学四年的老师们致以崇高的敬意和衷心的感谢!