耐火材料第八章 碳復(fù)合耐火材料

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1、2008-5-241/257WUST耐火材料工藝學(xué)第八章碳復(fù)合耐火材料CarbonCompositeRefractories“碳”與“炭”的區(qū)別“碳”與“炭”的區(qū)別及科學(xué)涵義的認(rèn)識。碳是一種元素，符號為C。炭的定義：炭是碳且以無定形碳為主的人造物質(zhì)(artifact)。炭共同的、本質(zhì)的特征：以碳為主的化學(xué)組成；其中的碳以無定形結(jié)構(gòu)存在。焦炭粉木炭（1）[C]是高熔點(diǎn)物質(zhì)，3500℃，不與任何氧化物共熔。（2）[C]的引入可以提高抗渣性[C]與熔渣、金屬液不易潤濕，阻礙了熔渣與耐火材料的接觸與滲透。[C]可以充填氣孔，提高材料的密度和強(qiáng)度，有助于抗渣性。[C]可以使Fe2O3F

2、eO，而MgO-CaO系材料抗FeO的能力比抗Fe2O3的能力強(qiáng)，所以引入[C]無疑可以提高材料抗Fe的能力。（3）[C]可以提高材料的熱震穩(wěn)定性[C]具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，使熱量在材料內(nèi)部傳遞快，使砌筑體的內(nèi)部溫差小，從而提高熱震穩(wěn)定性。（4）[C]高溫下易氧化，不易在氧化氣氛下使用。（5）[C]是很好的還原劑，在高溫下可以還原MgO，使強(qiáng)度和抗渣性降低。碳[C]的作用一、原料：鎂砂（燒結(jié)鎂砂、電熔鎂砂、海水鎂砂）、碳素材料（石墨、炭黑、瀝青）、結(jié)合劑（酚醛樹脂）、添加劑（金屬和非氧化物）第一節(jié)鎂碳質(zhì)耐火材料生產(chǎn)原理二、石墨的特性對爐渣的不濕潤性（non-wettingfor

3、slag）高的導(dǎo)熱性（highthermalconductivity）低的熱膨脹性（Lowthermalexpamsion）除此以外，石墨與耐火材料在高溫下不發(fā)生共熔?？乖詿嵴鸱€(wěn)定性圖15潤濕角與材料間的關(guān)系碳復(fù)合耐火材料既可以保持原耐火材料的特點(diǎn)，又能發(fā)揮組合后的新特性，它可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，取長補(bǔ)短，從而最大限度地達(dá)到使用要求的性能。如MgO-C磚有效地利用了鎂砂的抗侵蝕能力強(qiáng)和碳的高導(dǎo)熱性及低膨脹性,補(bǔ)償了堿性制品抗剝落性差的最大缺點(diǎn)。1、碳復(fù)合耐火材料的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)具有高的熱震穩(wěn)定性；良好的抗熔渣和鋼水的侵蝕性使用壽命高2、碳復(fù)合耐火材料使用現(xiàn)狀幾乎所有的電爐、轉(zhuǎn)爐

4、爐襯材料均為含碳耐火材料；使用壽命幾乎均在一萬爐以上，通過采用濺渣護(hù)爐技術(shù),武鋼、濟(jì)鋼等鋼廠的爐襯壽命均超過三萬爐次。但噸鋼耐材消耗還有待努力降低!2008-5-248/257WUST二、碳—耐火氧化物的反應(yīng)碳復(fù)合耐火材料的制備和使用過程中以及用碳作還原劑制備金屬與非氧化物時(shí)，都涉及碳與氧化物之間的反應(yīng)。最常用耐火氧化物有MgO、CaO、Al2O3、ZrO2、SiO2和Cr2O3。為什么沒有Cr2O3-C復(fù)合耐火材料?MgO-C的氧化還原反應(yīng)1、MgO的穩(wěn)定性隨T↑，△G↑,穩(wěn)定性↓CO穩(wěn)定性隨T↑，△G↓，穩(wěn)定性↑2、MgO的穩(wěn)定性隨P'Mg↑，△G↓，穩(wěn)定性↑CO穩(wěn)定性隨

5、P'CO↑,△G↑，穩(wěn)定性↓3、交點(diǎn)處發(fā)生：MgO+C=Mg氣+CO氣在高溫冶煉的條件下，只有MgO,CaO,Al2O3與ZrO2能與碳平衡共存。MgO-CAl2O3-ZrO2-CAl2O3-C而Cr2O3由于在高溫下與碳反應(yīng)，不能與碳共存，以及Cr是變價(jià)元素，因此Cr2O3不能與碳制成鉻碳復(fù)合材料。碳與耐火氧化物的反應(yīng)對碳復(fù)合耐火材料性能的影響反應(yīng)消耗了制品中的碳，破壞了材料的顯微結(jié)構(gòu)，對制品的使用性能有害；伴隨著反應(yīng)的進(jìn)行，制品內(nèi)部的金屬蒸汽不斷向外擴(kuò)散,當(dāng)遇到氧化性氣氛時(shí)沉積為耐火氧化物致密層，從而阻礙了爐渣的侵蝕,有利于制品抗渣性能的提高,同時(shí)形成的致密氧化物層能有效

6、地阻止制品內(nèi)部的氧化，抑制碳與耐火氧化物的進(jìn)一步反應(yīng)。三、碳復(fù)合耐火材料中添加劑的熱力學(xué)行為含碳耐火材料的缺點(diǎn)：易氧化、強(qiáng)度低措施：Si、Al、Mg、Ca、Zr、SiC、B4C、BN、CaB6等。（1）添加劑與碳的親和力（碳勢）金屬添加劑(含Si粉），在碳復(fù)合耐火材料使用或埋碳燒成時(shí)會(huì)與碳或空氣中氮形成碳化物或氮化物。金屬M(fèi)與1mol碳反應(yīng)生成MxCy為：金屬或元素與1molC反應(yīng)生成碳化物的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由能稱為元素對碳的親和力(Affinity)。元素對碳的親和力也稱為碳勢。碳勢的值越負(fù)，碳化物越穩(wěn)定。金屬與1mol碳生成碳化物的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由焓與溫度的關(guān)系2008

7、-5-24（2）添加劑與氧的親和力（氧勢）金屬或元素與1molO2反應(yīng)生成氧化物的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由能稱為氧勢。用氧勢可比較各種元素對氧的親和力的大小或其氧化物的穩(wěn)定程度。在含碳耐火材料中，為了防止碳的氧化，一般均要加入防氧化的添加劑。添加劑能否抑制氧化，就涉及到添加劑與氧的親和能力的大小。Si3N4SiCSEMmorphologyofSiCandSi3N4Al與Si在1300℃的埋碳燒成中，部分轉(zhuǎn)變?yōu)锳lN、SiC與Si3N4，不能起抑制碳氧化的作用；但在燒成中這些新形成的纖維狀或晶須及粒狀碳化物與氮