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镁质不定形耐火材料的功能、用途及应用问题

编辑:耐火浇注料   时间:2021-10-13    浏览:   
区别于定型耐火材料,不定形耐火材料不需要预先成型和烧成,是一种将具有一定级配的耐火骨料和粉料与结合剂和外加剂混合制得的耐火材料。不定形耐火材料的综合性能优异,在生产上具有工艺简单、周期短、能耗低等优点;在应用上能够任意造型、效率高、能够满足复杂构型的衬体施工和修补的要求。正是由于不定形耐火材料在生产及应用上的特点,不仅符合了低碳经济的发展要求,而且也符合“绿色耐火材料”的发展理念,是“绿色化”发展的重要方向,因此在世界各国都得到了迅猛发展。 
不定形耐火材料是世界耐材未来发展的重要趋势,在工业先进国家不定形耐火材料的生产和应用比例越来越高,有的甚至已经超过了定型耐火材料。目前欧美国家的不定形耐火材料已占耐火材料总产量的50%以上、日本更是达到63.7%,其中日本的新日铁企业使用不定形耐火材料的比例已达74%以上,而我国的比例还不到30%,而且大多以中低档产品为主。目前辽宁省每年约有100万吨的产量,无论是数量上还是品种上都存在很大差距。 
 
1、镁质不定形耐火材料功能及用途 
镁质不定形耐火材料是指以MgO为主要成分的不定形耐火材料,包括MgO-Al2O3、MgO-尖晶石、MgO-ZrO2以及它们的含碳材料等,又称为MgO基耐火材料,是代表性、使用最广的优质碱性耐火材料,多年来已广泛应用于冶金行业。 
根据施工方法的不同,镁质不定形耐火材料主要包括浇注料、修补料、喷补料、捣打料、喷涂料、可塑料、干式料等。其中,浇注料在加水搅拌后的流动性较好,既可浇注成衬体使用,又可制成预制块使用,同时又具备施工容易、效率高、整体性好、节能以及与定形耐火制品性能相近等特点,成为发展最为快速的不定形耐火材料。目前我国耐火材料的总产量虽然很高,但都是以中低档产品为主,优质高性能产品产量不足,特别是浇注料,无论是品种上,还是在数量上其发展空间都很大。 
根据质地的不同,镁质耐火浇注料主要有镁质、尖晶石质、镁硅质和镁碳质等多种。其中镁质(方镁石)是以镁砂作为骨料,并加入细粉配置而成,具有有纯度高、耐火性能高、烧后线变化率小、荷重软化气温高、以及优良的抗渣侵蚀性和不污染钢水等优点,受到人们的重视,广泛应用于钢包、中间包等部位。 
炼钢中间包形状和大小是由流出的钢水位置和流股数量决定的,随着冶炼技术的发展,中间包的容量在逐步增大,同时按浇注钢种冶炼方式和是否需要烘烤等条件,中间包又分为以下几种类型:一、高温中间包,采用镁砖内衬需预热至1500℃左右,是为某一特定的冶金过程所设置;二、热中间包,采用烧成转或不烧砖浇注料作内衬,浇注前需预热至800℃-1000℃,是最常见的中间包,;三、冷中间包,内衬采用绝热板,在浇注前不需要预热。 
因此,在中间包上应用的耐火材料应具以下几种性能:一、良好的抗熔渣和钢水的侵蚀性,使用寿命长;二、抗热震性好,在接触钢水时不炸裂;三、热传导率低和热膨胀性小,能够保证中间包衬的整体和保温性;四、对钢水污染小,能保证钢水质量;五、应用在内衬材料的形状和结构要能够方便砌包和拆卸。 
随着钢铁冶炼新技术的应用及洁净钢产量的增多,冶炼条件不断强化,应用在钢包工作衬的耐火材料需要更高的抗渣性、抗渗透性、抗剥落性。由于MgO-C砖和Al2O3-MgO-C砖钢包衬存在严重的对钢水污染问题,已经难以满足这种苛刻的冶炼条件。由于镁质耐火材料对钢水的污染明显低于高铝质耐火材料,因此发展和提高镁质浇注料的质量性能已经成为钢包整体耐火材料应用的迫切需要。 
 

 
2、镁质不定形耐火材料应用问题 
氧化镁具有高熔点和耐火度(2800℃)、以及高的抗碱性熔渣和熔融金属的侵蚀性能的特点,因此能改善钢铁冶炼用预制衬的性能。但是,由于氧化镁易与水反应以及反应所产生的体积膨胀,因此对于镁质耐火浇注料来说,在生产过程中容易出现上涨、裂纹等现象,另外快速烘烤过程中产生的较大的热应力也会造成强烈的热震损伤,甚至会出现爆裂现象。这些问题严重影响了镁质浇注料的高温使用性能,从而限制了其在高温领域的大规模使用。 
氧化镁水化机理: 
镁砂水化主要发生在浇注料混合和氧化阶段(与水反应)、干燥阶段(与水蒸气反应)、以及储存阶段(与水气反应),具体反应如下: 
MgO+H2O→Mg(OH)2(1) 
MgO+H2O+CO2→MgO+H2CO3-MgCO3(2) 
其中反应式(1)得到的是氢氧化镁和水镁石晶体,当有浇注料中的自由水比较多时,水会与CO2生成碳酸(H2CO3),而碳酸与氧化镁发生反应生成碳酸镁,即反应式(2)。上述反应在储存阶段和预制件部分均能发生,从而使产生的碳酸镁存在于模板面上。对于两种水化过程,体积膨胀均为2.5倍,同碳酸镁优先在氧化镁表面上生成一样,水镁石通常与体积变化有关,并影响耐火材料的结构和性能。 
对于单晶氧化镁而言,由于其单晶体结构,当与水接触时,氧化镁的立方结构转变成碳酸镁的六方结构,结构变化引起的体积膨胀会产生带状微裂纹。前期水化为诱导期,这期间的水化速率主要取决于反应表面,因此速率较低;中期水化逐渐向晶粒中心发展,同时体积膨胀产生的微裂纹也有助于水的扩散,水化速率快速提高;后期水化随着水镁石层的生成,水的扩散被控制,水化速率减慢并最终结束。具体水化过程如图1所示。 
 
图1单晶氧化镁水化过程 
对于多晶氧化镁而言,由于耐火材料所用镁砂均为多晶结构,故其水化过程是研究的重点。不同于单晶结构,多晶氧化镁具有几种不同的结晶学定相颗粒,界面清晰,且晶界具有较高的自由能,与水易反应。在水化过程中,晶界连接被水化产生的较大应力所打断,原始颗粒被分解成多个小颗粒,因此气孔率、总表面积和水化速率显著增大,硬度显著下降。多晶氧化镁水化的诱导期比单晶氧化镁要短的多,这一过程累积成晶界总水化,经过这一点后,其水化过程与单晶氧化镁相同,如图2所示。 
 
图2多晶氧化镁水化过程 
因此,对于镁质浇注料来说,如何提高其抗水化性能,促进其在更多领域更好的发展是镁质材料行业的主要课题之一,对加快镁质材料行业技术进步具有重要意义。 
 
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