耐火材料制备原理及工艺设计Word格式文档下载.docx
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题目名称
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6
遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5
能独立查阅相关文献和从事其他调研；
能提出并较好地论述课题的实施方案；
有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计（实验）能力，方案的设计能力
能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；
研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
具有较强的数据运算与处理能力；
能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度
符合本专业相关规范或规定要求；
规范化符合本文件第五条要求。
设计说明书（论文）质量
30
综述简练完整，有见解；
立论正确，论述充分，结论严谨合理；
实验正确，分析处理科学。
11
创新
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩
指导教师评语
指导教师签名：
年 月 日
1.绪论
耐火度高于1580℃的无机非金属材料称为耐火材料，耐火度指耐火材料锥形体试样在没有荷重情况下，抵抗高温作用而不软化熔倒的摄氏温度。
耐火材料主要是指无机非金属材料构成的材料和制品，是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及工业用高温窑和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化和机械作用。
关于耐火材料的工艺20世纪50年代以前都是采用单一耐火原料制造的，50年代以后都采用了复合工艺。
耐火材料种类繁多，通常按耐火度高低分为普通耐火材料（1580～1770℃）、高级耐火材料（1770～2000℃）和特级耐火材料（2000℃以上）；
按化学特性分为酸性耐火材料、中性耐火材料和碱性耐火材料。
此外，还有用于特殊场合的耐火材料。
现在对于耐火材料的定义，已经不仅仅取决于耐火度是否在1580℃以上了。
目前耐火材料泛指应用于冶金、石化、水泥、陶瓷等生产设备内衬的无机非金属材料。
经常使用的耐火材料有AZS砖、刚玉砖、直接结合镁铬砖、碳化硅砖、氮化硅结合碳化硅砖,氮化物、硅化物、硫化物、硼化物、碳化物等非氧化物耐火材料;
氧化钙、氧化铬、氧化铝、氧化镁、氧化铍等耐火材料。
经常使用的隔热耐火材料有硅藻土制品、石棉制品、绝热板等。
经常使用的不定形耐火材料有补炉料、耐火捣打料、耐火浇注料、耐火可塑料、耐火泥、耐火喷补料、耐火投射料、耐火涂料、轻质耐火浇注料、炮泥等。
近几十年来，高温技术迅速发展，由于熔炼难熔金属和特种合金和超纯金属的需要，发展了特种耐火材料，耐火材料的应用领域不断扩大，占有重要地位。
目前，我国每年消耗耐火材料约800万吨。
镁铬质耐火材料是以氧化镁（MgO）和三氧化二铬（Cr2O3）为主要成分，以方镁石和尖晶石为主要矿物组分的耐火材料制品。
镁铬耐火砖的耐火度高,高温强度大,抗碱性渣侵蚀性强，热稳定性优良，对酸性渣也有一定的适应性。
但是今后镁铬材料产量将会下降，因为在高温条件下制备和使用时，它会产生有害的六价铬的化合物造成环境污染。
制造镁铬砖的主要原料是烧结镁砂和铬铁矿。
镁砂原料的纯度要尽可能高，铬铁矿化学成分的要求为：
Cr2O330～45％，CaO不大于1.0～1.5％。
烧制镁铬砖的生产工艺与镁质砖大体相仿。
为了消除砖在烧成过程中由于MgO和Cr2O3、Al2O3或铁的氧化物反应生成尖晶石时的膨胀而引起的松散效应，也可采用合成的共同烧结料制成镁铬砖。
此外，还有不烧镁铬砖，例如，用无机镁盐溶液结合的不烧镁铬砖。
不烧镁铬砖生产工艺简单，成本低，热稳定性也好，但高温强度远不及烧成砖。
50年代末，发展出一种所谓“直接结合”镁铬砖。
这种砖的特点是原料纯,烧成温度高,方镁石、尖晶石等高温相之间直接结合，硅酸盐等低熔相为孤岛状分布,因此,显著地提高了砖的高温强度和抗渣性。
镁铬砖主要用于冶金工业，如构筑平炉炉顶、电炉炉顶、炉外精炼炉以及各种有色金属冶炼炉。
超高功率电炉炉壁的高温部位采用熔铸镁铬砖，炉外精炼炉高侵蚀区采用合成料制成的镁铬砖，有色金属闪速熔炼炉高侵蚀区采用熔铸镁铬砖、合成料制成的镁铬砖。
基本的钢铁炉用的是耐火等级相当高的镁铬耐火材料，此外，镁铬砖还用在水泥回转窑烧成带和玻璃窑的蓄热室等部位。
关于废砖的利用，回收过程中在碱性耐火材料生产当中不仅会使它能够把废物利用,同时也可以解决环境污染和储存的问题。
耐火材料的发展在国民工业生产的应其成产流程大多如图1所示。
制备
图1耐火材料的生产流程
耐火材料的分类如图2所示。
粘土制品
高铝制品
烧成耐火制品硅质制品
镁质制品
其它烧成制品
不烧成粘土质砖
不烧高铝质砖
不烧耐火制品不烧硅质砖
镁碳砖
┋
耐火材料刚玉制品
氧化铬制品
氧化铝制品
特种耐火材料氧化镁制品
氧化铍制品
┋
复吹转炉（电炉）用底吹供气元件
精炼钢包底吹用透气塞
功能耐火材料连铸用滑板
连铸用整体塞棒、长口水、浸入式水口
熔融石英质水口
耐火泥浆料
不定形耐火材料捣打料
可塑料
浇注料
图2耐火材料分类
2.工艺概述
镁铬砖是由铬铁矿和镁砂组成的碱性耐火材料，制造这种砖所发生的物理化学变化与烧制铬质制品基本相同。
此外还得考虑以下几点：
（1）铬矿和镁砂配比对镁质耐火材料性质的影响。
当铬矿与镁砂配比为50：
50时，制品具有最高的热震稳定性，随着铬矿或镁砂比例的增大或减小，热震稳定性都降低。
当铬矿含量过高时，制品在1650oC下抵抗铁氧化物作用的能力会显著降低。
铬矿须粒能与Fe3O4。
形成固溶体，引起体积的急剧膨胀，致使制品产生爆胀现象。
配料中铬矿的含量越高，爆胀现象越严重。
配料中镁砂含量的提高，能增强制品的抗渣能力，目前镁铬质平炉顶的发展趋势是提高配料中的镁砂含量。
（2）基质矿物组成对制品性能的影响。
铬镁质（或镁铬质）制品的主要矿物组成是方镁石和尖晶石。
墓质部分系由硅酸盐组成。
（3）气氛性质的影响。
在还原气氛下缎烧镁铬质耐火材料时，细粉镁砂中的MgO置换粗颗粒铬矿中尖晶石的FeO的固相反应在650oC开始，体积收缩约为24.3%。
这样大的体积收缩必然产生烧成裂纹。
在氧化气氛下铬矿中的FeO于500℃开始即被氧化成Fe2O3，形成（Fe,Cr）2O3固溶体。
体积收缩1.5%，而且在氧化气氛中由MgO置换出来的FeO氧化成Fe2O３,随即与MgO结合成铁酸镁，这两个反应的总体积膨胀只有6.6%据此铬镁质耐火材料应该在弱氧化气氛下烧成。
2.1镁铬砖的生产
镁铬砖的生产镁铬砖是以烧结镁砂和铬矿为原料制成的。
在配料中控制MeO含量占60-70%，Cr2O3含量在8-12%,这种制品的稳定性良好，耐火度大于2000oC,是偏碱性的高级耐火材料。
2.1.1热稳定性镁铬砖的生产
热震稳定性镁铬砖的生产工艺特点是增大临界颗粒尺寸，减少铬矿颖粒中的细粉含金，以提高制品的热震稳定性。
2.1.2直接结合镁铬砖
耐火材料直接结合砖的生产起源于镁铬或铬镁耐火材料。
当时直接结合碱性砖是指在这些砖中方镁石一尖晶石和方镁石一方镁石的直接结合，在一定程度上取代了被硅酸盐膜包围铬矿颖粒和方镁石晶粒的典型结构，从而使砖具有较高的高温强度，抗渣性以及在1800℃下的体积稳定性等特点。
虽然我国耐火材料工作者经过多年潜心研究，并多次进行使用试验，但是国产直接结合镁铬砖与进口同类产品的质量及使用效果尚有一定差距。
（1）直接结合砖的显微结构
直接结合砖和传统砖的显微结构不同，这与烧成温度有关。
在1550oC以下烧成的普通镁铬砖和铬镁砖，其铬矿颗粒被近似于镁橄榄石组成的硅酸盐所包围，而方镁石晶体，特别是构成砖体的晶体也为硅酸盐膜包围。
烧成到1550℃的镁格砖的显微结构显示出铬矿颗粒和方镁石晶粒形成边界，出现了直接结合的雏形。
当加热温度升到1700oC以上时，围绕铬矿颗粒的方镁石镶边已成为显微结构的主要特征。
显微结构的新特征是次生尖晶石（棱角状）晶体的出现。
在高的烧成温度下，出现方镁石与方镁石的直接结合，而硅酸盐却被限制在方镁石品粒之间的孔隙里。
（2）直接结合砖的热机械性质
烧成温度也决定着砖的力学性质。
当烧成温度从1500oC增加列1600oC时，使原先在1300oC下保温1小时时出现的扭转蠕变迅速减小。
随着烧成温度的进一步提高，蠕变降低速度变慢。
另外，它显示出在热态抗折试验中，烧成温度对断裂时间有显著的影响。
在任何试验温度下，烧成温度越高，断裂所需的时间就越长。
当砖烧成后冷却时，由铬矿和镁砂配料的砖里，因为有不同的热收缩，会有应力产生。
在有液相存在的情况下（高于1350oC），这些应力会迅速地为“蠕动”所缓冲甚至消除。
在低于液相线温度，因蠕动速度太低而不能完全消除应力。
因而内应力的存在趋向于降低断裂模数。
因此，当温度由室温上升时，作为单纯应力减小或消除的结果，可以估计断裂模数会上升到一峰值，该值就出现在内应力等于零的温度。
（3）直接结合砖的其它性质
直接结合砖还可提高抗渣性，尤其是增强对铁氧化物的抗渗透作用。
在某种程度上这是由于直接结合砖的气孔率较低的缘故，也可以认为是由于固一固结合的存在而产生的这种结合不受来自热面的液体扩散所影响。
直接结合砖与硅酸盐结合砖有不同的高温体积稳定性和吸收铁氧化物的爆胀稳定性。
从组成方面提高直接结合强度，除了控制杂质量（CaO,SiO2量）及GaO/SiO2比值外，Cr2O3能增加直接结合程度，因而提高砖的高温强度。
而Fe２03,Al2O3，和TiO2则相反，将降低其直接结合。
可以说，在高温烧成的碱性砖里加入铬矿所产生的有益作用，部分原因是由于Cr2O3降低了方镁石晶粒被硅酸盐加湿的结果。
2.2镁铬砖碱性耐火材料生产工艺
碱性耐火材料主要是指以氧化镁、氧化钙为主要成分的耐火材料，对碱性渣有较强的抗侵蚀能力，主要用于平炉、吹氧转炉、电炉、有色金属冶炼设备以及一些高温设备上。
其生产的主要工艺如图3所示。
图3镁铬砖碱性耐火材料生产工艺流程
（1）破碎：
首先将大颗粒原料经颚式破碎机破碎成小颗粒，再经对辊破碎机或圆锥破碎机进一步破碎成更小的颗粒。
该工序产生破碎机噪声（N2-1）和原料粉尘（G2-1）产生。
（2）筛分：
将加工完成的颗粒料经斗氏提升机提升至筛分机进行筛分，筛分后符合规格的原料进入各自料仓，不符合规格的原料继续进行破碎。
该工序产生筛分机噪声（N2-2）和原料粉尘（G2-2）产生。
（3）粉碎：
部分产品还需要经过雷蒙磨粉机磨成200~300目以下的粉料，然后再进入各自料仓。
该工序产生雷蒙机噪声（N2-3）和原料粉尘（G2-3）产生。
（4）配料：
将高位料仓中的粉料分别经自动配料系统按照一定的比例准确称量后，通过给料机送入混炼机中，同时，将经称量后的结合剂（主要为纸浆、糊精和水）也加入到混炼机中。
高位料仓中的粉料40%是破碎生产的粉料，60%为外购的规格料。
该阶段振动给料机会产生一定噪声（N2-4），同时在给料过程中也会产生粉尘（G2-4）。
（5）磁选：
利用矿物颗粒磁性不同，在不均匀磁场中进行选别，去除铁、钛等杂质。
粉料中若存在铁等杂质，在耐火砖的烧成过程中，铁会被氧化，从而使耐火砖表面出现斑点，影响耐火砖的外观。
该工序会产生一定的粉尘（G2-5）和固体废物（S2-1）。
（6）混炼：
在强制混炼机中，将不同组分和粒度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，然后以泥料的形式进入到泥料罐中。
在混炼过程中会产生一定的噪声（N2-5）和粉尘（G2-6）。
（7）成型：
将泥料罐中混合好的泥料用手动平板车送到压制成型厂房中，在有摩擦压力机压制成砖坯，压制的动力由空压站提供。
部分对于产形状和性能有特殊要求的产品通过振动成型机振动成型。
该工序会产生摩擦压力机噪声和振动成型噪声（N2-6）。
（8）干燥：
将压制成型的砖坯码放在窑车上，按照产品性能需求不同，分
别在电干燥窑和余热干燥窑中进行干燥，其中余热干燥窑利用隧道窑内的热烟气对砖坯进行干燥。
利用余热锅炉进行干燥时，由于是利用隧道窑的热烟气进行加热，所以会产生SO2、NOx和粉尘等大气污染物（G2-7）。
干燥过程可分为四个阶段。
第一阶段为加热阶段。
一般加热阶段时间很短，胚体温度上升到湿球温度。
第二阶段为等速干燥阶段。
这一阶段排除大量的水分，水分蒸发发生在胚体表面，蒸发速率相等。
第三阶段为降速干燥阶段，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。
第四阶段为低速及平衡干燥阶段。
干燥速度逐渐接近零，最终胚体水分不再减少。
（9）烧成：
干燥后的砖坯再经由电拖车、液压推车推入高温窑内烧成，按照产品性能需求不同，分别在隧道窑和梭式窑内进行烧成。
其中隧道窑以筑路油为燃料，锅炉产生热蒸汽使其雾化，再通过设在窑体中部的喷嘴喷入隧道窑内，与空气充分混合燃烧，窑内烧成温度约为1800℃。
在隧道窑中烧成时，蒸汽锅炉燃煤会产生烟尘、SO2和NOx（G2-8）和煤渣固废（S2-2）；
同时隧道窑燃烧筑路油也会产生烟尘、SO2和NOx（G2-9）。
梭式窑加热使用清洁能源天然气，部分产品需要在氮气保护下进行烧成。
在梭式窑中烧成时，会产生少量的烟尘、SO2和NOx（G2-10）。
3.设计参数及计算
3.1工艺计算
3.1.1物料平衡计算的目的
计算各种原料，燃料，材料的需要量以及从原料进工厂至成品出工厂各工序所需加工处理的物料量。
物料平衡计算结果作为确定工厂原料的需要量，运输量，工艺设备选型，计算个仓库的容量和物料平衡系数的依据。
物料平衡计算的根据生产工艺参数和各车间工作制度。
生产工艺参数指的是产品产量和品种，工艺流程，制品的配合比和泥料水分，燃料的种类，发热值和消耗量等。
车间工作制度包括生产年制度，生产班制度。
物料平衡计算的基准是烧成车间成品的烧后重量。
3.1.2硅砖物料平衡计算
（1）总成品量30000吨
（2）总烧成量=31578.9吨
F1—烧成废品综合率，5%
其中：
烧成废品量31578.9-30000=1578.9吨
（3）总干燥量=33240.9吨
F2—干燥综合废品率，5%
干燥废品率33240.9-31578.9=1662吨
（4）总成型量
（5）总混合量=36934.3吨
=36943.3吨
F3—泥料的混炼量，10%
K—配比系数
P—加入铬矿的比率，30%
（6）总配料量36934.3*（1-10%）=33240.9吨
孰料配料量33240.9*（1-30%）=23268.6
铬矿配料量33240.9*30%=9972.3
P—外加废硅砖的比率，30%
外加纸浆废液33240.9
5%=1662吨
q1—外加纸浆废液百分数，5%
（7）总破粉碎量=33919.3吨
孰料破粉碎量=23743.5吨
铬矿破粉碎量=10175.8吨
L3—原料加工运输量损失，2%
（8）总磨碎量33919.3
18%=6105.5吨
（9）铬矿干燥量===10175.8吨
（10）原料仓库存放量
19533+3078.9+10711.4=33324.2吨
烧结镁砂孰料存放量=3078.9=19533.9吨
废镁铬砖存放量=95%
1578.9+95%
1662=3078.9吨
T—干燥、烧成，废品回收率，95%
K1—配比系数
铬矿量==10711.4吨
（11）纸浆废液总存放量=1695.9吨
镁铬砖制砖部分各工序物料平衡系数表如表1所示。
表1镁铬砖制砖部分各工序物料平衡系数表
综合成品量:
1
破粉碎
总粉碎量:
1.13
孰料破粉碎量：
0.79
铬矿破粉碎量：
0.34
烧成
总烧成量:
1.05
烧成废砖量:
0.05
总磨碎量：
0.2
干燥
总干燥量：
1.1
干燥废砖量0.06
原料仓库存放量
总存放量1.11
烧结镁砂孰料存放量：
0.65
铬矿存放量：
0.36
配料
总配料量：
孰料配料量：
0.78
铬矿配料量：
0.33
纸浆废液外加量：
0.06
纸浆废液总存放量：
总成型量：
配比系数（K）：
总混合量：
1.23
镁铬砖制砖部分物料平衡计算结果如表2所示。
表2镁铬砖制砖部分物料平衡计算结果
生产
工序
项目
符号
生产班制
日/班/时
物料量
年
日
班
时
原料仓库
原料仓库总存放量
Q15
306/2/8
33324.2
108.9
54.5
6.8
烧结镁砂孰料存放量
Q16
19533.9
63.8
31.9
3.9
铬矿存放量
Q18
10711.4
35.0
17.5
2.2
纸浆废液库
纸浆废液总存放量
Q19
1695.9
5.5
2.8
0.3
总破粉碎量
Q10
33919.3
110.8
55.4
6.9
孰料破粉碎量
铬矿破粉碎量
Q11
Q12
23743.5
77.6
38.8
4.8
10175.8
33.2
16.6
2.1
磨碎
总磨碎量
Q13
6105.5
19.9
9.9
1.2
总配料量
Q6
33240.9
108.6
54.3
孰料配料量
Q7
23268.6
76.4
38.0
铬矿配料量
Q8
9972.3
32.6
16.3
2.0
外加纸浆废液量
Q9
1662
5.4
2.7
混合
成型
成品库
总混合量
Q4
36934.3
120.7
60.4
7.5
总成型量
Q3
350/3/8
总干燥量
Q2
360/3/8
总烧成量
Q1
31578.9
103.2
51.6
6.4
总成品量
Q
30000
98.03
49.0
6.1
泥料水分计算结果如表3所示。
表3泥料水分计算结果
（日/班/时）
需水量t
混合泥料中的
水分总量
W总
873.6
2.9
1.4
混和泥料时需外加的水分量
W
42.6
0.13
0.07
0.009
配料时纸浆废液带入的水分
W纸
831
4.机械设备选型
4.1主机平衡
4.1.1破粉碎工序
耐火材料工业中，所用的原料大都是固体的，需要进行破碎。
为了满足耐火材料制品对不同粒度的要求，根据实际生产任务和各种设备的工作性能选择设备完成破粉碎作业。
（1）颚式破碎机
表4颚式破碎机设计指标
设备规格
加工物料种类
最大加料粒度，mm
排料口间隙，mm
生产能力t/h
作业率%
PEF250×
400
硅质粘土，硅石，白云石及石灰石
<
210
40
8～10
80
粘土熟料，高铝熟料
20
10～12
5～6
烧结镁砂，烧结白云石砂
12～15
450
硬质粘土，硅石，白云石及石灰石
350
13～15
15～20
20～25
颚式破碎机是目前工程施工中应用最为普遍的碎石机械之一，具有破碎比大、产品料度均匀、结构简单、工作可靠、维修简便、运营费用经济等特点。
因此，在耐火材料工业及其他工业部门中广泛应用它来粗碎和中碎难碎性及中等可碎性物料。
废砖的处理也都用它来破碎。
表4为颚式破碎机设计指标。
结合以上资料及实际生产任务，可以选用，作业率80%，生产能力13t/h。
破碎工序物料加工量==6.9吨
K1，K2，K3分别是年工作日数306天，日工作班数2班，班工作时数8小时；
Gr为物料平衡的物料量
主机需要的加工量=10.4吨
K为生产不均衡系数，一般取1.2；
为主机作业率，为80%
理论主机台数=0.8台
为预防设备损坏选取1台，再取一台备用，共两台。
设备利用率=80%
（2）圆锥破碎机
圆锥破碎机可用来中碎和细碎各种不同硬度的物料，是一种连续作业效率较高的破碎设备。
耐火材料一般硬度很高，如莫来石莫氏硬度为7～8级，刚玉、高铝矾土莫氏硬度达到9级，抗压强度达3。
5MPa，因而用传统的破碎设备破碎耐火材料难度极大，耐火材料工业大都选用短头弹簧圆锥破碎机，因为他的破碎腔有较长的平行带，物料在平行带内受到不止一次的挤压，破碎的物料粒度均匀，且多呈棱角状，有助于提高制品的体积密度。
物料粒度影响如表5所示。
表5
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