耐火材料教学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

前情回顾前情回顾第1页疯狂石头疯狂石头第2页第3页第4页第5页第6页共同特点共同特点SiO2第7页第三章第三章硅硅质质耐耐火火材材料料第8页概概述述硅质耐火材料硅质耐火材料化学组成化学组成矿物组成矿物组成氧化硅质耐火材料优点：抵抗酸性炉渣侵蚀能力强，氧化硅质耐火材料优点：抵抗酸性炉渣侵蚀能力强，荷重软化温度高，耐磨、导热性好。荷重软化温度高，耐磨、导热性好。缺点：热震稳定性差，耐火度不高。缺点：热震稳定性差，耐火度不高。用途：主要用于焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉等。用途：主要用于焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉等。第9页主要讲述内容主要讲述内容1234SiO2变体及晶型转变；变体及晶型转变；硅砖生产；硅砖生产；硅砖性质和使用；硅砖性质和使用；其它氧化硅制品。其它氧化硅制品。第10页第一节第一节SiO2变体及晶型转变变体及晶型转变第11页 氧化硅质耐火材料是以氧化硅质耐火材料是以SiO2为为主要成份，主要成份，主要产品有硅砖。主要产品有硅砖。氧化硅质耐火材料为经典酸性耐火材料，氧化硅质耐火材料为经典酸性耐火材料，其矿物组成为主晶相为鳞石英和方石英，基其矿物组成为主晶相为鳞石英和方石英，基质为石英玻璃相。质为石英玻璃相。第12页第13页 SiO2SiO2在常压下有八种形态变体。在常压下有八种形态变体。在常压下有八种形态变体。在常压下有八种形态变体。七种结晶形态：（七种结晶形态：（七种结晶形态：（七种结晶形态：（石英）（石英）（石英）（石英）（石英石英石英石英）（）（）（）（鳞鳞鳞鳞石英）（石英）（石英）（石英）（鳞石英）（鳞石英）（鳞石英）（鳞石英）（鳞石英）（鳞石英）（鳞石英）（鳞石英）（方石英）方石英）方石英）方石英）（方石英）方石英）方石英）方石英）一个非结晶形态（石英玻璃）一个非结晶形态（石英玻璃）一个非结晶形态（石英玻璃）一个非结晶形态（石英玻璃）第14页 变变体名称体名称稳稳定温度，定温度，晶系晶系结结晶晶习习性性常温下真比重常温下真比重熔点，熔点，-石英石英573573三方三方柱状柱状2.6512.65117131713-石英石英573870573870六方六方2.5332.533-鳞鳞石英石英常温常温117117斜方斜方矛矛头头状双状双晶晶2.272.272.352.35（天然）（天然）2.2622.2622.2852.285（人工）（人工）16701670-鳞鳞石英石英117117163163六方六方2.242.24-鳞鳞石英石英87087014701470六方六方蜂蜂窝窝状状结结构构2.2282.228-方石英方石英180180270270斜方斜方2.332.332.342.34（天然）（天然）2.312.312.322.32（人工）（人工）17301730-方石英方石英147014701711713 3等等轴轴2.2292.229石英玻璃石英玻璃17131713非晶非晶质质2.2032.203SiO2变体性质变体性质第15页SiO2晶型转变晶型转变第16页SiO2不一样变体间转变时体积改变不一样变体间转变时体积改变互互变变性性转变转变体积改变，%转变转变温度，温度，转变转变方式方式-石英石英-石英石英+0.82573位移位移型型转转变变-鳞鳞石英石英-鳞鳞石英石英+0.28117-鳞鳞石英石英-鳞鳞石英石英+0.2163-方石英方石英-方石英方石英+2.8180270-石英石英-鳞鳞石英石英+12.7870重建重建型型转转变变-石英石英-方石英方石英+17.412001350-鳞鳞石英石英-方石英方石英+4.71470-方石英方石英熔体熔体+0.11713熔融石英熔融石英-方石英方石英-0.41200第17页依据转变特点和速度，能够分为两类：依据转变特点和速度，能够分为两类：依据转变特点和速度，能够分为两类：依据转变特点和速度，能够分为两类：迟钝型转变迟钝型转变迟钝型转变迟钝型转变快速型转变快速型转变快速型转变快速型转变 第18页 在加热过程中，石英，磷石英，方石英，石在加热过程中，石英，磷石英，方石英，石在加热过程中，石英，磷石英，方石英，石在加热过程中，石英，磷石英，方石英，石英玻璃之间相互转化，是属于一个晶型转变为另英玻璃之间相互转化，是属于一个晶型转变为另英玻璃之间相互转化，是属于一个晶型转变为另英玻璃之间相互转化，是属于一个晶型转变为另一个晶型转变过程。这种转变过程伴随较大体积一个晶型转变过程。这种转变过程伴随较大体积一个晶型转变过程。这种转变过程伴随较大体积一个晶型转变过程。这种转变过程伴随较大体积效应，不可逆过程。效应，不可逆过程。效应，不可逆过程。效应，不可逆过程。迟钝型转变迟钝型转变i键破裂键破裂需能量大需能量大温度高温度高迟钝型转变迟钝型转变时间长时间长体积改变大（膨胀，收缩）体积改变大（膨胀，收缩）普通不可逆普通不可逆第19页快速型转变快速型转变同一晶型亚态同一晶型亚态，态之间也转变，而且可逆。态之间也转变，而且可逆。转变特点：转变特点：Si-O键没有被破坏和断开，只是键角发生改键没有被破坏和断开，只是键角发生改变，晶格发生扭曲或伸直，消耗能量小转变温度低，转变变，晶格发生扭曲或伸直，消耗能量小转变温度低，转变速度快，只要到转变温度，晶体从中心到全部转变，故称速度快，只要到转变温度，晶体从中心到全部转变，故称快速型转变，因为快速转变是瞬间发生，其体积效应危害快速型转变，因为快速转变是瞬间发生，其体积效应危害较大。较大。i键不破裂，只是扭曲或伸直键不破裂，只是扭曲或伸直温度低温度低时间短时间短快速型转变快速型转变体积改变小体积改变小可逆可逆第20页硅砖性能与晶型硅砖性能与晶型石英：石英：1600，方石英：，方石英：1723，鳞石英：，鳞石英：1670依据耐火度选择依据耐火度选择依据荷重软化温度选择依据荷重软化温度选择依据体积膨胀效应依据体积膨胀效应第21页第二节第二节硅砖生产硅砖生产第22页要求：硅石中要求：硅石中SiO2含量含量98，其它杂质，其它杂质，AlO，iO2及碱金属化合物等杂质总含量小于及碱金属化合物等杂质总含量小于2%。1 1、原料、原料硅石显微组织硅石显微组织大颗粒、转变慢、膨胀大大颗粒、转变慢、膨胀大晶体颗晶体颗结晶质结晶质小颗粒、且大小不一、较小颗粒、且大小不一、较粒应大小粒应大小易转变，膨胀小易转变，膨胀小适当不能适当不能此颗粒细小、含杂质多此颗粒细小、含杂质多用胶结质用胶结质胶结质胶结质易转变、不易控制、易涣散易转变、不易控制、易涣散硅石愈致密愈好硅石愈致密愈好硅石愈致密愈好硅石愈致密愈好 第23页 硅石不经煅烧硅石不经煅烧 破碎破碎 筛分成粗、细料筛分成粗、细料 石灰乳石灰乳 加矿化剂（粉碎）加矿化剂（粉碎）混合混合 成型成型干燥干燥烧成烧成 检选检选产品产品入库入库 2、硅砖生产流程 第24页废硅砖加入废硅砖，降低砖坯烧成膨胀，降低加入废硅砖，降低砖坯烧成膨胀，降低烧成废品。烧成废品。缺点：降低耐火度和机械强度，提升气缺点：降低耐火度和机械强度，提升气孔率。孔率。加入量加入量20%以下。以下。第25页石灰乳石灰乳结合剂：结合砖坯石英颗粒，在干燥后结合剂：结合砖坯石英颗粒，在干燥后增加砖坯强度。增加砖坯强度。矿化剂：促进石英转变。矿化剂：促进石英转变。第26页矿化剂矿化剂为促进材料中某物相形成和转化为促进材料中某物相形成和转化 而加入少许成份而加入少许成份 烧硅砖时为了使石英向磷石英转化而控制烧硅砖时为了使石英向磷石英转化而控制晶型晶型 矿化剂能控制晶型转化时体积膨胀矿化剂能控制晶型转化时体积膨胀转化转化方向和速度，所以，必须加入矿化剂。方向和速度，所以，必须加入矿化剂。石灰乳是矿化剂又是结合剂！石灰乳是矿化剂又是结合剂！该处惯用矿物剂有该处惯用矿物剂有e e，a a，n n等。等。须注意不能全变成磷石英还要方石英，以须注意不能全变成磷石英还要方石英，以提升耐火度提升耐火度第27页 矿化剂促使石英鳞石英化能力大小主要矿化剂促使石英鳞石英化能力大小主要取决于矿化剂与砖坯中硅氧在高温时所形成取决于矿化剂与砖坯中硅氧在高温时所形成熔液数量和性质。熔液数量和性质。补充：矿化剂补充：矿化剂 第28页1)矿化剂与氧化硅形成液相共熔温度愈低愈有矿化剂与氧化硅形成液相共熔温度愈低愈有利鳞石英化转变。利鳞石英化转变。Na2O-SiO2FeO-SiO2MnO-SiO2CaO-SiO2-MgO-SiO2TiO2-SiO22)杂质影响杂质影响如：有如：有Al2O3存在时，存在时，CaO-Al2O3-SiO2在在1170出出现液相现液相第29页3）矿化作用大小也和液相是否被）矿化作用大小也和液相是否被SiO2所饱和相所饱和相关。易饱和就含有高结晶能力，矿化能力就强。关。易饱和就含有高结晶能力，矿化能力就强。4）鳞石英化能力还取决于石英和亚稳方石英在）鳞石英化能力还取决于石英和亚稳方石英在液相中溶解速度。溶解速度取决于质点在液相中液相中溶解速度。溶解速度取决于质点在液相中扩散速度和液相润湿能力。扩散速度和液相润湿能力。由上可知，矿化作用以碱金属最强，由上可知，矿化作用以碱金属最强，FeO，MnO次之次之CaO，MgO较差。但实际应用还要考较差。但实际应用还要考虑其它方面。虑其它方面。第30页第31页补充：硅砖生产工艺关键点硅砖生产工艺关键点第32页原料原料分分类类岩石分岩石分类类显显微微结结构和特征构和特征示例示例结结晶晶硅石硅石脉石英脉石英 石英岩石英岩 变质变质石英岩石英岩 石英砂石英砂晶粒很大，晶粒很大，纯净纯净，转变转变困困难难 晶粒晶粒较较小，小，纯净纯净，中速，中速转变转变 晶粒受地壳晶粒受地壳压压力而力而发发生扭曲，易生扭曲，易转变转变 晶粒晶粒较较大，大，纯纯度不定度不定吉林吉林 本溪本溪 包包头头胶胶结结硅石硅石砂岩砂岩 玉髓玉髓 燧石岩燧石岩以胶结石英为基质砂岩 由玉髓组成 以玉髓为基质武武汉汉 山西山西废硅砖（废硅砖（20%）矿化剂：轧钢皮（铁鳞）、平炉渣、硫酸渣、软锰矿等。矿化剂：轧钢皮（铁鳞）、平炉渣、硫酸渣、软锰矿等。结合剂：石灰乳、硅酸盐水泥、亚硫酸纸浆废液。结合剂：石灰乳、硅酸盐水泥、亚硫酸纸浆废液。第33页颗粒组成选择颗粒组成选择临界粒度（颗粒大易压碎、转变时体积膨胀大而开裂）临界粒度（颗粒大易压碎、转变时体积膨胀大而开裂）细粉数量（转变时体积膨胀小、与矿化剂作用及烧结性细粉数量（转变时体积膨胀小、与矿化剂作用及烧结性增强）增强）成型成型砖坯体积密度砖坯体积密度2.2-2.3g/cm3砖模尺寸应缩小（砖模尺寸应缩小（缩尺缩尺）烧成烧成废品率高废品率高SiO2晶型转变，体积改变晶型转变，体积改变液相量较少（液相量较少（10%）生产工艺关键点生产工艺关键点第34页150自由水自由水450500Ca(OH)2分解，砖坯结合强度分解，砖坯结合强度550650石英石英石英石英600700CaO与与SiO2固相反应开始，砖坯结合强度固相反应开始，砖坯结合强度2CaOSiO22CaOSiO22CaOSiO2SiO22（CaOSiO2）10001100生成固溶体。生成固溶体。CaOSiO2FeOSiO2CaOSiO2FeOSiO21200与杂质如与杂质如Al2O3、Na2O等作用形成液相等作用形成液相（810），），润润湿石英湿石英颗颗粒，粒，石英转变速度石英转变速度。13001350鳞鳞石英和方石英石英和方石英13501430鳞鳞石英石英，方石英方石英烧成中主要物理化学改变烧成中主要物理化学改变第35页烧成制度烧成制度升温平稳，按一定速度升温，止火温度正确，弱还原气氛。升温平稳，按一定速度升温，止火温度正确，弱还原气氛。2060020小时（快）小时（快）600110025小时（最快）小时（最快）1100130010小时小时130013505小时（慢）小时（慢）135014302小时（最慢）小时（最慢）第36页第三节第三节硅砖性质和使用硅砖性质和使用第37页3）耐火度）耐火度4）荷重软化温度）荷重软化温度5）高温体积稳定性）高温体积稳定性6）耐热震性）耐热震性7）抗渣性）抗渣性1）化学矿物组成）化学矿物组成硅砖硅砖性质性质2）真密度和体积密度）真密度和体积密度第38页1 1、硅砖化学矿物组成硅砖化学矿物组成化学成份化学成份SiOSiO2 2 AlAl2 2O O3 3 FeFe2 2O O3 3 CaOCaOR R2 2O O93-9893-980.5-2.50.5-2.50.3-2.50.3-2.50.2-2.70.2-2.71-1.51-1.5矿物组成矿物组成 鳞鳞石英石英 方石英方石英 石英石英 玻璃相玻璃相 第39页依据真密度可判断硅砖矿物组成，及其依据真密度可判断硅砖矿物组成，及其晶型转变程度。晶型转变程度。普通硅砖真密度在普通硅砖真密度在2.38g/cm3以下，优质以下，优质硅砖在硅砖在2.33-2.34g/cm3范围内。范围内。2 2、真密度和体积密度、真密度和体积密度第40页硅砖真密度与矿物组成关系硅砖真密度与矿物组成关系硅硅砖砖真比重真比重鳞鳞石英，石英，%方石英，方石英，%石英，石英，%玻璃相，玻璃相，%2.338013072.347217382.3763179112.3960159162.40581212162.4253121718硅砖硅砖2.38g/cm2.38g/cm3 3，优质硅砖，优质硅砖2.332.332.34/cm2.34/cm3 3 硅砖真密度越大越好吗？为何？硅砖真密度越大越好吗？为何？第41页体积密度与气孔率相关。体积密度与气孔率相关。普通显气孔率为普通显气孔率为17-25%，体积密度，体积密度1.8-1.95g/cm3，体积密度与制造相关，成型，体积密度与制造相关，成型压力高、体积密度大。压力高、体积密度大。第42页 硅砖耐火度为硅砖耐火度为1690-1730不太高，受不太高，受SiO2含量，晶型，含量，晶型，杂质而略有改变，但波杂质而略有改变，但波动较小。动较小。SiO2含量愈高，耐火度愈高。含量愈高，耐火度愈高。总之，耐火度不高，不能满足强化冶炼要总之，耐火度不高，不能满足强化冶炼要求。求。3 3、耐火度、耐火度第43页硅砖荷重软化温度较高，为硅砖荷重软化温度较高，为1620-1670，该温度范围窄且与耐火度靠近。，该温度范围窄且与耐火度靠近。原因：原因：磷石英为矛头双晶形成网络状；磷石英为矛头双晶形成网络状；基质为粘度大玻璃相。基质为粘度大玻璃相。基于以上原因，硅砖一旦到达荷重软化基于以上原因，硅砖一旦到达荷重软化点开始温度便快速破坏。点开始温度便快速破坏。4 4、荷重软化温度、荷重软化温度第44页5 5 、高温体积稳定性、高温体积稳定性硅砖在加热过程中，存在普通热膨胀和硅砖在加热过程中，存在普通热膨胀和晶型转换并伴有体积膨胀。假如砖内存在晶型转换并伴有体积膨胀。假如砖内存在未转变残留石英，在高温下将继续转变为未转变残留石英，在高温下将继续转变为鳞石英和方石英，会产生较大体积膨胀。鳞石英和方石英，会产生较大体积膨胀。第45页6 6、耐热震性、耐热震性硅砖耐热震性很差，在硅砖耐热震性很差，在硅砖耐热震性很差，在硅砖耐热震性很差，在850850下水冷仅下水冷仅下水冷仅下水冷仅为为为为1-21-2次，原因是温度猛烈改变时，硅砖内部次，原因是温度猛烈改变时，硅砖内部次，原因是温度猛烈改变时，硅砖内部次，原因是温度猛烈改变时，硅砖内部结晶发生快速型转变，体积突然膨胀或者收结晶发生快速型转变，体积突然膨胀或者收结晶发生快速型转变，体积突然膨胀或者收结晶发生快速型转变，体积突然膨胀或者收缩，产生较大内应力，使硅砖崩裂和剥落。缩，产生较大内应力，使硅砖崩裂和剥落。缩，产生较大内应力，使硅砖崩裂和剥落。缩，产生较大内应力，使硅砖崩裂和剥落。不过在不过在不过在不过在600600以上时，不发生快速转变，耐以上时，不发生快速转变，耐以上时，不发生快速转变，耐以上时，不发生快速转变，耐热震性很好。热震性很好。热震性很好。热震性很好。第46页7 7、抗渣性、抗渣性 硅砖是酸性耐火材料，对酸性及弱酸性硅砖是酸性耐火材料，对酸性及弱酸性炉渣和含腐蚀性炉气侵蚀含有较强抵抗作炉渣和含腐蚀性炉气侵蚀含有较强抵抗作用。用。第47页第48页第49页 即使硅砖耐火度不高，但荷重软化温度较即使硅砖耐火度不高，但荷重软化温度较高，高温结构强度大，而且在高，高温结构强度大，而且在600600以上长久使以上长久使用稳定性很好，能够抵抗酸性炉渣侵蚀，所以用稳定性很好，能够抵抗酸性炉渣侵蚀，所以用于砌筑玻璃熔窑和焦炉。平炉、酸性转炉内用于砌筑玻璃熔窑和焦炉。平炉、酸性转炉内衬、电炉炉顶、反射炉拱顶、蓄热室及沉渣室衬、电炉炉顶、反射炉拱顶、蓄热室及沉渣室过去也是用硅砖砌筑，现在为高铝砖和镁铝砖过去也是用硅砖砌筑，现在为高铝砖和镁铝砖代替。代替。总 结第50页第四节第四节其它氧化硅质耐火材料制品其它氧化硅质耐火材料制品第51页为了减薄焦炉炭化室隔墙厚度，以强化传为了减薄焦炉炭化室隔墙厚度，以强化传热过程，缩短炭化时间，所以需要密度高，结构热过程，缩短炭化时间，所以需要密度高，结构强度大和导热性能高硅砖。强度大和导热性能高硅砖。采取高硅质原料，经过高压成型，掺加采取高硅质原料，经过高压成型，掺加u、u2、i、e等氧化物，等氧化物，使导热系数使导热系数18m。金属氧化物对硅砖导热性影响：金属氧化物对硅砖导热性影响：uei。1 1、高密度高导热硅砖、高密度高导热硅砖第52页2 2、石英玻璃制品、石英玻璃制品第53页第54页A.石英玻璃制品石英玻璃制品是二氧化硅单一组分玻璃相，是二氧化硅单一组分玻璃相，是非晶质结构，用硅石或者硅化物为原料，经过是非晶质结构，用硅石或者硅化物为原料，经过高温熔化或者气相沉积而成。高温熔化或者气相沉积而成。按照透明度分为透明和不透明两种。按照透明度分为透明和不透明两种。透明石英玻璃透明石英玻璃不含或者含有少许气泡等散不含或者含有少许气泡等散射质点，长久会失透，安全使用温度是射质点，长久会失透，安全使用温度是11001100度。度。不透明石英玻璃不透明石英玻璃含有大量微小气泡等散射含有大量微小气泡等散射质点，由硅石高温熔炼而成。隔热性很好！质点，由硅石高温熔炼而成。隔热性很好！2 2、石英玻璃制品、石英玻璃制品第55页B、石英玻璃再结合制品、石英玻璃再结合制品是以石英玻璃为原是以石英玻璃为原料，先制成细粉，然后加结合剂，经过再结合料，先制成细粉，然后加结合剂，经过再结合或者快速烧成而制成制品。或者快速烧成而制成制品。石英玻璃再结合制品保持了石英玻璃特石英玻璃再结合制品保持了石英玻璃特征，同时导热系数很小，耐磨和耐冲刷，高温征，同时导热系数很小，耐磨和耐冲刷，高温抗折及抗拉强度高。所以用在钢铁冶金和有色抗折及抗拉强度高。所以用在钢铁冶金和有色冶金浸入式水口砖等。冶金浸入式水口砖等。缺点是长久在缺点是长久在1100度以上使用，会产生度以上使用，会产生高温析晶而开裂和剥落。高温析晶而开裂和剥落。第56页结结 束束第57页