含碳耐火材料2008级.pptx
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1、材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学1/52第第第第4 4章章章章 碳复合耐火材料碳复合耐火材料碳复合耐火材料碳复合耐火材料 镁碳质耐火材料的组成、结构与性能镁碳质耐火材料的组成、结构与性能材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学2/524.4.3 MgO-C4.4.3 MgO-C砖的生产砖的生产砖的生产砖的生产4.4.3.1 MgO-C4.4.3.1 MgO-C的生产工艺流程的生产工艺流程按结合剂的不同,MgO-C砖的生产工艺流程分两种。树脂作结合剂材料与冶金学
2、院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学3/52 焦油焦油焦油焦油沥青沥青沥青沥青结合结合结合结合剂剂剂剂材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学4/524.4.3.2MgO-C砖生产工艺要点砖生产工艺要点1.镁砂临界粒度的选择镁砂临界粒度的选择MgO-C砖的熔损经由工作面上的镁砂与熔渣反应引起的,其速度大小除与镁砂的性质有关外,还与镁砂颗粒大小有关。较大的颗粒有较高的耐蚀性能,但其脱离MgO-C砖至熔渣中去的几率也大。镁砂大颗粒的绝对膨胀量比小颗粒要大,加上镁砂膨胀系数比石墨大
3、得多,在MgO-C砖中镁砂大颗粒与石墨界面应力比镁砂小颗粒与石墨界面产生的应力大,故产生的裂纹也大,镁砂临界粒度尺寸小,具有缓解热应力的作用。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学5/52 临界粒度小,开口气孔低,气孔孔径变小,利于制品抗氧化性的提高,但物料间的内磨擦力增大,成型困难,密度下降。故生产MgO-C砖时,确定镁砂的临界粒度是非常困难的。常要根据MgO-C砖的特定使用条件来确定镁砂的临界粒度尺寸。一般而言,在温度梯度大、热冲击激烈的部位使用的一般而言,在温度梯度大、热冲击激烈的部位使用的MgO-CMgO-C砖需选择较砖
4、需选择较小的临界粒度;而要求耐蚀性高的部位,则需要的临界粒度尺寸要大。例如风小的临界粒度;而要求耐蚀性高的部位,则需要的临界粒度尺寸要大。例如风眼砖、转炉耳轴、渣线用眼砖、转炉耳轴、渣线用MgO-CMgO-C砖,镁砂的临界粒度选用砖,镁砂的临界粒度选用1mm,1mm,而一般转炉、而一般转炉、电炉用电炉用MgO-CMgO-C砖的临界粒度选用砖的临界粒度选用3mm3mm;另外转炉不同部位的;另外转炉不同部位的MgO-CMgO-C,由于使,由于使用条件的不同,临界粒度尺寸也有所区别。用条件的不同,临界粒度尺寸也有所区别。为了提高制品的体积密度,对成型设备吨位小的生产厂家,临界粒度可选大些。材料与冶金
5、学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学6/522.基质部分镁砂细粉的细度基质部分镁砂细粉的细度为使MgO-C砖中颗粒与基质部分的热膨胀能保持整体均匀性,基质部分需配入一定数量的镁砂细粉,另外也有利于基质部分氧化后结构保持一定的完整性。但若配入的镁砂细粉太细,则会加快MgO的还原速度,从而加快MgO-C砖的损毁。小于0.01mm的镁砂很易石墨反应,所以在生产MgO-C砖时最好不配入这种太细的镁砂。性能优良的MgO-C砖,MgO-C砖中 0.074 mm(200目)的镁砂与石墨的重量比值应小于0.5,而超过1时,则会使基质部分的气孔率急剧增大
6、。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学7/52若石墨加入量10,则制品中难于形成连续的碳网,不能有效地发挥碳的优势;石墨加入量20,生产时成型困难,易产生裂纹,制品易氧化,故石墨的加入量一般在1020%间,根据不同的部位,选择不同的石墨加入量。MgO-C砖的熔损由石墨氧化和MgO向熔渣中溶解两个过程决定,增加石墨量能减轻侵蚀速度,但增大了气相和液相氧化造成的损毁。故当两者平衡时的石墨加入量具有最小的熔损值。3.3.3.3.石墨加入量石墨加入量石墨加入量石墨加入量材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火
7、材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学8/52 4.混练混练混练设备:石墨比重轻,混练时易漂浮于混合料的顶部,不能完全与配方中的其它组分接触。故一般采用高速搅拌机或行星式混料机。正确:混练时正确的加料次序:镁砂(粗、中)结合剂 石墨镁砂细粉和添加剂的混合粉。错误:镁砂(粗、中)石墨结合剂镁砂细粉和添加剂的混合粉。行星式混练机材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学9/52 5.5.5.5.混练时间混练时间混练时间混练时间 视不同的混练设备,混练时间略有差异。若在行星式混练机中混练,首先将粗、中颗粒混合35min,然后加入树脂混碾3
8、5 min,再加入石墨,混碾45min,再加入镁砂粉及添加剂的混合粉,混合35min,使总的混合时间在2030min左右。若混合时间太长,则易使镁砂周围的石墨与细粉脱落,且泥料因结合剂中的溶剂大量挥发而发干;若太短,混合料不均匀,且可塑性差,不利于成型。理想的泥料模型:材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学10/526.成型成型 成型是提高密度,使制品组织致密化途径。高压成型,先轻后重、多次加压的操作规程,因MgO-C砖的膨胀,模具需缩尺(一般为1)。生产MgO-C砖时,用密度来控制成型工艺。压力机的吨位越高,砖坯的密度越高,混
9、合所需结合剂量也越少(否则因颗粒间距离的缩短,结合剂液膜变薄使结合剂局部集中,造成制品结构不均匀,影响制品的性能,且会产生弹性后效造成砖坯开裂)。成型设备的选择应根据实际生产的制品尺寸加以具体选择,一般情况下成型设备的选择规则如下表:材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学11/52 7.硬化处理硬化处理酚醛树脂结合的MgO-C砖,在150250 的温度下热处理,树脂直接或简接地硬化,制品即有较高的强度。硬化处理升温制度:5060 树脂软化 保温 100110 溶剂大量挥发 保温 200或250 结合剂缩合硬化 保温材料与冶金学院
10、材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学12/52附附:MgO-C质量指标质量指标材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学13/524.4.44.4.4MgO-CMgO-C砖在转炉上的应用及损毁机理砖在转炉上的应用及损毁机理砖在转炉上的应用及损毁机理砖在转炉上的应用及损毁机理 目前主要产钢国家的炉衬用材料,虽各不相同,但主要由下列材料中一种或多种构成。沥青结合的白云石,含碳2;沥青结合镁砖,进行或不进行沥青浸渍,含碳量56%(加入碳黑);烧成油浸镁砖,约含碳2;树脂或沥青结合的镁碳
11、砖,加入(第二代)或不加入(第一代)防氧化剂,含碳825%,一般1020%;沥青结合的或树脂结合的白云石砖,含碳715%。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学14/52 MgO-C砖在使用时,因各部位、钢种、操作方法等因素复杂,各部位的损毁机理不同,各部位砖的性能要求也不尽相同。4.4.4.1MgO-C砖的基本损毁机理1.炉渣造成的镁砂的溶解与溶出(镁砂向炉渣中溶解与溶出)观察使用后的衬砖,可以看到工作面存在着含较多MgO成分的渣层,在渣成分中含有较多剥落的方镁石颗粒。且渣层和衬砖的界面错综复杂,炉渣深深地浸入衬砖基质,镁砂粗
12、颗粒突入渣层中,方镁石颗粒间被大大地隔开,这与MgO-C砖的蚀损速度有关。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学15/52 MgO-C砖的熔蚀与镁砂的质量有关。镁砂纯度越高,杂质越少,C/S比越高的镁砂,衬砖的耐侵蚀性好。方镁石晶界存在的成分容易使炉渣向结晶晶粒之间侵入。另外使用大结晶的方镁石,有利于耐蚀性的提高。方镁石颗粒尺寸越小,则炉渣多处晶界侵入,结晶颗粒易分离出去流入钢中。上图为镁砂的成分及方镁石颗粒尺寸与MgO-C砖耐侵蚀性的关系。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺
13、学耐火材料工艺学16/52MgO-C砖中石墨消失原因:与炉渣中的铁的氧化物反应;与大气中的O2和CO2反应;与砖中的MgO反应。、与炉渣中的铁的氧化物反应(液相氧化)炉渣中的氧化铁一方面增大MgO在熔渣中的溶解度,导致镁砂损毁;另一方面造成碳的氧化:FeO+C=Fe+CO,当碳被氧化形成脱碳层时,炉渣更易浸润与镁砂反应,从而促进镁砂向熔渣中的溶解和溶出,使衬砖的损毁进一步增大。同时,炉渣中的FeO和Fe2O3发生还原时,炉渣粘度提高,对砖表面起到保护效果。因此这种液相氧化导致衬砖损毁的大小,取决于工作表面是否形成渣保护层。2.碳的氧化消失碳的氧化消失材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级
14、课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学17/52 防氧化措施:用Si,Al,Al-Mg等金属粉末把CO还原C凝聚,同时固相发生体积膨胀,使砖组织致密化。另外Al-Mg合金中的Mg在工作表面附近发生氧化,形成致密的MgO层,抑制碳的氧化。、与大气中的氧气和、与大气中的氧气和CO2反应造成的氧反应造成的氧化(气相氧化)化(气相氧化)转炉操作时,衬砖工作面附近的氧气分压很低,碳能稳定存在。气相氧气主要在出钢后的冷却过程中由空气造成的氧化,这时衬砖表面的渣层可以起到保护层的作用。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺
15、学18/52、砖中、砖中MgO造成的氧化造成的氧化从GT图看出,MgO和碳能够比较稳定地共存到约1800,但在热力学上可能在低温即反应:MgO(s)+C(S)=Mg(g)+CO(g)上式的反应速度由生成物Mg(g)和CO(g)从工作面扩散的快慢控制。当砖内MgO与C反应时,则组织发生劣化,衬砖的损毁显著变大。但实际上,砖内形成的Mg(g)向外扩散过程中,在工作面附近遇到氧化性气氛重新凝聚成致密MgO层,能抑制上式的反应。可以认为,这种致密的MgO层起到了衬砖保护层的作用,防止了炉渣的侵蚀和碳的氧化,有助于提高砖的耐用性。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺
16、学耐火材料工艺学耐火材料工艺学19/523.3.钢液流动造成的蚀损钢液流动造成的蚀损钢液流动造成的蚀损钢液流动造成的蚀损熔池部位的MgO-C砖向炉渣中溶出较显著,石墨和镁砂呈现出向炉渣中流出的现象。另钢液流动等因素造成的损毁。当衬砖的高温抗折强度增大时,则钢液流动造成的磨损变小,说明在钢液流动这样机械力作用条件下,可用高温强度来表征砖的组织致密性,特别是强化基质部分的强度指标。为了强化基质组织,在材质设计方面采取添加物改进强度,在制造技术上是采用带真空脱气装置的大型压砖机进行高压成型,使砖的组织致密化。Al粉等添加物,随着抑制碳氧化的进行,在砖中生成Al4C3和MgAl2O4,有加强高温结合强
17、度的效果。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学20/52 因此在炉渣和钢水共存部位,MgO-C砖受到下列化学和物理的综合损毁作用。、在衬砖工作面形成的挂渣层被钢液流动冲刷掉,或挂渣不充分,渣层的保护效果降低。因此促进了镁砂向炉渣中的溶解和溶出及液相氧化;、钢液流动造成的石墨和镁砂从衬砖脱落和流出,反复加热冷却及钢液搅拌力的作用造成衬砖组织松驰,进一步促进了石墨及镁砂的脱落和流出。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学21/524.热剥落和机械剥落热剥落和机械剥落
18、一般用耐热冲击指数R:来衡量MgO-C砖的热震稳定性。因为石墨的膨胀和弹性模量小,所以当加入1520%石墨的MgO-C砖的剥落损毁不太成问题。但在炉底风眼等特定部位和操作苛刻的转炉上,存在着剥落损毁,且它决定着转炉的寿命。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学22/524.3.54.3.5转炉主要部位损毁形态及对转炉主要部位损毁形态及对转炉主要部位损毁形态及对转炉主要部位损毁形态及对MgO-CMgO-C砖的要求砖的要求砖的要求砖的要求1锥体(炉帽及炉口)锥体(炉帽及炉口)操作条件:氧化气氛、在锥体上部去除渣皮时的机械损毁、在锥体
19、下部和炉身与锥体之间过渡区的热机械力。对MgO-C砖的要求:添加最佳数量的防氧化剂,选用含碳约13的树脂结合MgO-C砖,使锥体部较易挂上渣皮,锥体下部选C量15左右的MgO-C砖。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学23/522 装料侧装料侧操作条件:装料时机械冲出,装料时磨损及热冲出。对MgO-C砖的要求:镁砂原料(配入一定数量的高纯烧结砂)和鳞片石墨,选用最佳的铝粉添加剂,C量15左右,利用Al的反应改进砖的组织结构和高温强度。3 渣线渣线操作条件:熔渣侵蚀、操作温度高。对MgO-C砖的要求:大结晶电熔镁砂和高纯鳞片石墨
20、为主要原料,C量17%左右;强化基质,添加适当抗氧化剂;使镁砂颗粒细化。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学24/524 耳轴耳轴操作条件:氧化气氛、炉尘侵蚀、熔渣和钢水侵蚀。对MgO-C砖的要求:选用大结晶电熔镁砂和高纯鳞片石墨为主要原料;添加Al、Al-Mg合金为抗化剂;强化高温强度和降低气孔率措施,增强砖的抗氧化性。5 出钢侧出钢侧操作条件:出钢时熔渣侵蚀、出钢时钢水的机械冲击、高温。对MgO-C砖的要求:选用电熔镁砂和鳞片石墨为主要原料,C量15左右,高的抗机械磨损能力。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件
21、耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学25/526 出钢口砖出钢口砖操作条件:氧化气氛、钢水流出时的磨损。对MgO-C砖的要求:强化基质并加入适量的防氧化剂;镁砂颗粒细化。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学26/527 炉底及周边炉底及周边 操作条件:流动钢水、熔渣和气体的侵蚀、由于耐火材料的永久性膨胀引起的热机械应力、气体冷风口和周围衬砖间的温度梯度高。对MgO-C砖的要求:高强度,C量1015%;不加金属粉末抗氧化剂。8 炉底风眼炉底风眼 操作条件:温差大,气体反应效应大和气体搅拌磨损。对MgO-C砖的
22、要求:C量2025%改善耐剥落性;添加金属碳化物和氧化物如ZrO2强化砖的耐剥落性及抗化性;砖的致密度高。材料与冶金学院材料与冶金学院2008级课件级课件耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学耐火材料工艺学27/524.3.6MgO-C砖在其它炉子上的应用砖在其它炉子上的应用三相交流电弧炉(炉墙):MgOC砖在电炉上使用体现出四个优越性:高抗热震性;极好的抗渣性;高导热率;有助于水冷效率。MgO-C砖的损毁主要表现为化学侵蚀和剥落损毁及高温冲刷。直流电弧炉(炉底电极):以石墨为基质的MgO-C砖具有导电性,且随着石墨含量的增加,导电率上升,但因此造成导热率增加,因此一般炉底用导电耐火材料中
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