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耐火材料行業知識

高溫耐火材料

隨著科學技術的進步發展,我國耐火材料工業迅速發展,耐火材料產量已多年居世界第一,但耐火材料產業整體的技術水平和產品結構等方面與國際先進水平相比差距較大。面對國內高溫工業技術的飛速發展和加入WTO后對我國耐火材料工業所形成的機遇和挑戰,我國耐火材料工業也將不斷地尋找出路向前發展。

在高溫工業的發展和技術進步的促進下,人們對耐火材料性能的認識將越來越深,要求越來越高,不斷有新的性能項目來表達耐火材料的質量和耐用性。因此,要求測定耐火材料的性能項目會越來越多。

一.耐火材料的定義

耐火材料是指耐火度不低于1580℃,有較好的抗熱沖擊和化學侵蝕的能力、導熱系數低和膨脹系數低,的無機非金屬材料。它包括天然礦石及按照一定的目的要求經過一定的工藝制成的各種制品。目前耐火材料泛指應用于冶金、石化、水泥、陶瓷等生產設備內襯的無機非金屬材料。

二.耐火材料的分類

耐火材料種類繁多,通常按化學特性分為酸性耐火材料、中性耐火材料和堿性耐火材料。此外,還有用于特殊場合的耐火材料。

酸性耐火材料以氧化硅為主要成分,常用的有硅磚和粘土磚。硅磚是含氧化硅94%以上的硅質制品,使用的原料有硅石、廢硅磚等,其抗酸性爐渣侵蝕能力強,荷重軟化溫度高,重復煅燒后體積不收縮,甚至略有膨脹;但其易受堿性渣的侵蝕,抗熱震性差。硅磚主要用于焦爐、玻璃熔窯、酸性煉鋼爐等熱工設備。粘土磚以耐火粘土為主要原料,含有30%~46%的氧化鋁,屬弱酸性耐火材料,抗熱振性好,對酸性爐渣有抗蝕性,應用廣泛! 

中性耐火材料以氧化鋁、氧化鉻或碳為主要成分。含氧化鋁95%以上的剛玉制品是一種用途較廣的優質耐火材料。以氧化鉻為主要成分的鉻磚對鋼渣的耐蝕性好,但抗熱震性較差,高溫荷重變形溫度較低。碳質耐火材料有碳磚、石墨制品和碳化硅質制品,其熱膨脹系數很低,導熱性高,耐熱震性能好,高溫強度高,抗酸堿和鹽的侵蝕,尤其是弱酸堿具有較好的抵抗能力,不受金屬和熔渣的潤濕,質輕。廣泛用作高溫爐襯材料,也用作石油、化工的高壓釜內襯! 

堿性耐火材料以氧化鎂、氧化鈣為主要成分,常用的是鎂磚。含氧化鎂80%~85%以上的鎂磚,對堿性渣和鐵渣有很好的抵抗性,耐火度比粘土磚和硅磚高。主要用于平爐、吹氧轉爐、電爐、有色金屬冶煉設備以及一些高溫設備上! 

三.耐火材料的性質

1.耐火材料的熱學性質和導電性

1.1熱膨脹

GB/T7320標準有兩個定義:線膨脹率(室溫至試驗溫度間試樣長度的相對變化率,用%表示)、平均線膨脹率(室溫至試驗溫度間溫度每升高1℃試樣長度的相對變化率,單位為10-6/℃),常見耐火制品的平均熱膨脹系數見表1。

表1 耐火材料的平均熱膨脹率(20-2000℃

名稱

粘土磚

莫來石磚

莫來石剛玉磚

剛玉磚

半硅磚

硅磚

鎂磚

平均熱膨脹系數(10-6/℃)

4.5-6.0

5.5-5.8

7.0-7.5

8.0-8.5

7.0-9.0

11.5-13.0

14.0-15.0

GB/T7320標準的測定原理:以規定的升溫速率將試樣加熱到指定的試驗溫度,測定隨溫度升高試樣長度的變化值,計算出試樣隨溫度升高的線膨脹率和指定溫度范圍的平均線膨脹系數,并繪制出膨脹曲線。

1.2熱導率

導熱系數的定義為:單位時間內在單位溫度梯度下沿熱流方向通過材料單位面積傳遞的熱量。    

測定導熱系數原理為:根據傅立葉一維平板穩定導熱過程的基本原理,測定穩態時單位時間一維溫度場中熱流縱向通過試樣熱面流至冷面后被流經中心量熱器的水流吸收的熱量。該熱量同試樣的導熱系數,冷熱面溫差,中心量熱器吸熱面面積成正比,同試樣的厚度成反比。

熱導率的物理意義是指單位溫度梯度下,單位時間內通過單位垂直面積的熱量。熱導率是表征耐火材料導熱特性的一個物理指標,其數值等于熱流密度除以負溫度梯度。

1.3熱容

任何物質受熱時都升溫,但質量相同的不同物質升溫1℃所需的熱量不同。通常用常壓下加熱1kg物質使之升溫1℃所需的熱量(KJ)來表示,稱為熱容(也稱比熱容)。

1.4導電性

耐火材料(除炭質和石墨質制品外)在常溫下是電的不良導體。隨溫度升高,電阻減小導電性增強。在1000℃以上時提高的特別顯著,如加熱至熔融狀態時,則會呈現出很大的導電能力。

2.耐火材料的力學性質

耐火材料的力學性質是指材料在不同溫度下的強度、彈性和塑性性質。通常用檢驗耐壓、抗折、耐磨性和高溫荷軟蠕變等指標來判斷耐火材料的力學性質。

2.1常溫力學性質

2.1.1常溫耐壓強度

它是指常溫下耐火材料在單位面積上所承受的最大壓力,如超過此值,材料被破壞。如用A表示試樣受壓的總面積,以P表示壓碎試樣所需的極限壓力,則有:常溫耐壓強度=P/A (Pa)

通常,耐火材料在使用過程中很少由于常溫的靜負荷而招致破損。但常溫耐壓強度主要是表明制品的燒結情況,以及與其組織結構相關的性質,測定方法簡便,因此是判斷制品質量的常用檢驗項目。

2.1.2抗拉、抗折和扭轉強度 

耐火材料在使用時,除受壓應力外,還受拉應力、彎曲應力和剪應力的作用,影響耐火制品的抗拉和抗折強度的主要因素是其組織結構,細顆粒結構有利于這些指標的提高。

2.1.3耐磨性

耐火材料的耐磨性不僅取決于制品的密度、強度,而且也取決于制品的礦物組成、組織機構和材料顆粒結合的牢固性。常溫耐壓強度高,氣孔率低,組織結構致密均勻,燒結良好的制品總是有良好的耐磨性。

2.2高溫力學性質

2.2.1高溫耐壓強度

高溫耐壓強度是材料在高溫下單位截面所能承受的極限壓力。隨著溫度升高,大多數耐火制品的強度增大,其中粘土制品和高鋁制品特別顯著,在1000-1200℃達到最大值。這是由于在高溫下生成熔液的粘度比在低溫下脆性玻璃相粘度更高些。但顆粒間的結合更為牢固。溫度繼續升高時,強度急劇下降。耐火材料高溫耐壓強度指標可反映出制品在高溫下結合狀態的變化。

2.2.2高溫抗折強度

高溫抗折強度是指材料在高溫下單位截面所能承受的極限彎曲應力。它表征材料在高溫下抵抗彎矩的能力。

高溫抗折強度又稱高溫彎曲強度或高溫斷裂模量。測定在高溫下一定尺寸的長方體試樣在三點彎曲裝置上受彎時所能承受的最大荷重。

耐火材料的高溫強度與其實際使用密切相關。特別是對于評價堿性直接結合磚的質量,高溫抗折強度是很重要的性能。如堿性直接結合磚的高溫抗折強度大,則抵抗因溫度梯度產生的剪應力強,因而制品在使用時不易產生剝落現象。高溫抗折強度大的制品亦會提高對其物料的撞擊和磨損性,增強抗渣性,因此,高溫抗折強度作為表征制品強度的指標。

耐火材料的高溫抗折強度指標,主要取決于制品的化學礦物組成,組織結構和生產工藝。

2.2.3高溫蠕變性

當材料在高溫下承受小于其極限的某一恒定荷重時,產生塑性變形,變形量會隨時間的增長而逐漸增加,甚至會使材料破壞,這種現象叫蠕變。因此,對于處于高溫下的材料,就不能孤立地考慮其強度,而應將溫度和時間的因素與強度同時考慮。例如,長時間在高溫下工作的熱風爐格子磚的損壞,是由于磚體逐漸軟化產生可塑變形,強度顯著下降甚至破壞,格子磚的這種蠕變現象成為爐子損壞的主要原因。

一般認為影響高溫蠕變的因素有:1)使用條件,如溫度和荷重、時間、氣氛性質等;2)材質,如化學組成和礦物 ;3)顯微組織結構。材料高溫蠕變曲線劃分為三個階段,第一階段蠕變為減速蠕變(時間短暫);第二階段為勻速蠕變(蠕變速率最。;第三階段為加速蠕變(蠕變速率迅速增加)。

3.耐火材料的高溫使用性質

3.1耐火度

耐火度在無荷重時抵抗高溫作用而不熔化的性質稱為耐火度。對耐火材料而言,耐火度所表示的意義與熔點不同。熔點是純物質的結晶相與其液相處于平衡狀態下的溫度。但一般耐火材料是由各種礦物組成的多相固體混合物,并非單相的純物質,故無一定的熔點,其熔融是在一定的溫度范圍內進行的,即只有一個固定的開始熔融溫度和一個固定的熔融終了溫度。在這個溫度范圍內液相和固相同時存在。

耐火度是個技術指標,其測定方法是由試驗物料作成的截頭三角錐,上底每邊長2mm,下底每邊長8mm,高30mm,(有一側面與垂直方向夾角為80)截面成等邊三角形。在一定升溫速率下加熱時,由于其自重的影響而逐漸變形彎倒,當其彎倒直至頂點與底盤相接觸的溫度,即為試樣的耐火度。

3.2高溫體積穩定性

耐火材料在高溫下長期使用時,其外形體積保持穩定不發生變化(收縮或膨脹)的性能稱為高溫體積溫度性。它是評定制品質量的一項重要指標。

耐火材料在燒成過程中,其間的物理化學變化一般都未達到燒成溫度下的平衡狀態,當制品在長期使用中,受高溫作用時,一些物理化學變化仍然會繼續進行。另一方面,制品在實際燒成過程中,由于種種原因,會有燒成不充分的制品,此種制品在窯爐上使用再受高溫作用時,由于一些燒成變化繼續進行,結果使制品的體積發生變化——收縮或膨脹,這種不可逆的體積變化稱為殘余收縮或膨脹,也稱重燒收縮或膨脹。重燒體積變化的大小,表明制品的高溫體積穩定性。

3.3熱震穩定性

耐火材料抵抗溫度的急劇變化而不破壞的性能稱為熱震穩定性。眾所周知,材料隨溫度的升降,產生膨脹或收縮,如果此膨脹或收縮受到約束不能自由發展時,材料內部會產生應力。此種因材料的熱膨脹或收縮而引起的內應力稱為熱應力。熱應力不僅在具有機械約束的條件下產生,而且均質材料中出現溫度梯度,非均質固體中各相之間的熱膨脹系數的差別,甚至單相多晶體中的熱膨脹系數的各向異性,都是產生熱應力的根源。

耐火材料的熱震損傷可分為兩大類:一類是瞬時斷裂,稱為熱沖擊斷裂;另一類是在熱沖擊循環作用下,先出現開裂,剝落,然后碎裂和變質,終至整體損傷,稱為熱震損傷。

四.耐火材料發展前景

今后耐火材料技術發展的主要方向應當是,根據中國原料資源特點,全面提高質量,終點開發優質高效新產品,采用先進工藝、技術革新和更新裝備,以提高使用效果降低使用消耗,適應高溫技術苛刻要求。具體今后的發展前景如下:

1.原料優質化 這是發展優質耐火材料的基礎。要在選礦、提純、合成工藝、鍛煉技術等方面做大量的研究。原料純度的提高,燒結程度改善,成分結構均勻,性能穩定,為發展優質高純高效制品提供了基礎。天然耐火原料使用比例逐漸此案將,而經過選礦與合成的高純度、高密度和質量均勻的耐火原料比例不斷提高。另外,在研制耐火材料新品種方面,也應該立足于中國的資源和需要,研究發展優質、高效、高鋁質和堿性制品。

2.向質量型轉變 以節能、省力、多品種、高質量、低產量、高利潤為特點,加速耐火材料從量到質、從勞動密集型想技術密集型的轉變,要有數量型想品種質量型轉變。

3. 開拓新品種 包括有:高溫型耐火制品;低能耗型耐火制品;高技術、高性能耐火制品。

4. 新工藝 工藝上嚴格要求精料、精配、高壓、高溫、復合技術、引用超細粉,通過調節控制顯微結構特征,可改進、優化高溫性能,尤其是理學性能、抗熱震性能和抗侵性能。另外,為使直接結合和再結合磚向更高純度、更高密度和更好的組織結構發展,采用選礦提純、二步煅燒、高壓成球、人工合成以及高壓成型和高溫燒成等新工藝。

5. 耐火材料綜合消耗 它是上述所有技術進步的綜合反映。耐火材料綜合消耗(耐火材料產量與鋼產量的比值)的不斷降低,是耐火材料發展的重要標志。





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