耐火材料与燃烧概论教学大纲.docx

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1、耐火材料与燃烧概论教学大纲课程主要内容简介：耐火材料与燃料燃烧这门课程是为适应冶金工程专业培养目标的发展需要，兼顾有色冶金、钢铁冶金与热能工程等专业的要求设置的课程。课程主要包括耐火材料和燃料燃烧两部分内容。其中，耐火材料部分共分为十章内容，包括铝硅系耐火材料、碱性与尖晶石质耐火材料，碳复合耐火材料、含锆质耐火材料、不定形耐火材料、绝热材料、特种与新型耐火材料以与耐火材料应用等。其中第一至第九章主要运用物理化学和无机材料学基本理论知识论述了各种耐火材料的原料组成和生产工艺与组织结构的关系与其对耐火材料性能的影响机理教学大纲上篇：耐火材料部分(28学时)第1章 概 论 首先讲述耐火材料与耐火度的

2、定义，耐火材料行业发展史与国内外耐火材料发展现状。其中，要求熟练掌握耐火材料和耐火度定义。 1.1 耐火材料的分类 讲述耐火材料的分类方法，包括按化学组成、生产工艺、烧成制度、产品形态等。 1.2 耐火材料的一般生产过程 以烧成氧化物耐火材料、碳复合耐火材料和可浇注耐火材料为例，讲述耐火材料的一般生产过程，包括原料烧成、破碎，分级、混合、成型机烧成等各个工序的理论基础和一般工艺措施 1.3 耐火材料的主要用途与要求 主要讲述耐火材料的用途与一般条件下对其总体要求 第2章 耐火材料的性能 本章是课程的重点，内容包括如下几个方面。要求熟练掌握。 2.1 耐火材料的宏观结构 包括气孔率，密度（体积密

3、度、理论密度、真密度），气孔孔径分布、透气性等性能的定义与其测定方法 2.2 耐火材料的热学性能与导电性能 主要讲述比热容、导热性与导电性 2.3耐火材料的力学性能 包括常、高温耐压强度，抗折强度，粘结强度，蠕变性，弹性模量，耐磨性等 2.4 耐火材料的使用性能主要讲述耐火度，何种软化温度，重烧线变化率，抗热震性，抗渣蚀性，抗氧化性，抗还原性，抗水化性，抗酸性，抗碱性等 第3章 铝硅系耐火材料 主要包括如下4种耐火材料，着重讲述港中耐火材料的生产工艺特点与制品的主要特性。 3.1 氧化硅质耐火材料 3.2 粘土质耐火材料 3.3 高铝质耐火材料 3.4 高铝质熔铸制品 第4章 碱性与尖晶石耐火

4、材料 主要包括如下4种耐火材料，着重讲述港中耐火材料的生产工艺特点与制品的主要特性。其中白云石质耐火材料重点讲述。 4.1 镁质耐火材料 4.2 白云石质耐火材料 4.3 镁橄揽石耐火材料 4.4 尖晶石耐火材料 第5章 碳复合耐火材料 本章是课程教学重点。其中抗氧化剂在高温下的物理化学行为涉与化学反应热力学和动力学方面较多，使教学中的难点，要求熟练掌握。 5.1 碳复合耐火材料的分类与其特性 5.2 碳复合耐火制品的生产 5.3 高温条件下耐火材料内部的碳-氧反应 5.4 碳复合耐火材料内部与其与钢液和炉渣之间的反应 5.5抗氧化剂在碳复合耐火材料中的作用机理 第6章 含锆质耐火材料 本章只

5、做一般介绍，要求了解。 6.1 锆英石质耐火材 6.2 锆质熔铸耐火制品 第7章 不定形耐火材料 属课程重点内容，要求借助工具书能够进行简单不定型耐火材料配方设计。 7.1 浇注耐火材料 7.2 可塑耐火材料 7.3 其他不定形耐火材料 第8章 绝热材料一般讲述，要求了解。 8.1 绝热材料的特征与分类 8.2 轻质耐火材料的绝热条件 8.3 多孔轻质耐火制品 8.4? 耐火纤维与其制品 第9章 特种与新型耐火材料 重点讲述氧化物?非氧化物复合耐火材料耐火材料，要求掌握这种新型耐火材料的制备机理与其制品的主要特征。 9.1 纯氧化物耐火材料 9.2 氮化物耐火材料 9.3 碳化物耐火材料 9.

6、4 氧化物?非氧化物复合耐火材料 9.5 硅化物、硼化物、硫化物材料 9.6 金属陶瓷 9.7 高温无机涂层 第10章 耐火材料应用 要求掌握耐火材料选用原则，并根据不同炉窑的工作特点合理选择耐火材料。 10.1 耐火材料的选用 10.2 炼铁用耐火材料 10.3 炼钢炉用耐火材料 10.4 炉外精炼用耐火材料 10.5 连铸用耐火材料 10.6 轧钢用耐火材料 10.7 有色冶金用耐火材料 10.8 建材工业用耐火材料 10.9 垃圾焚烧用耐火材料 10.10 用后耐火材料的再生利用 下篇：燃料燃烧部分(12学时) 第11章 燃料 本章为课程重点。要求掌握各种燃料的表示方法与不同“基”间的关

7、系。 11.1 概述 11.2 燃料的组成与其表示方法 11.3 各种燃料的发热量 11.4 气体燃料 11.5 液体燃料 11.6 固体燃料 11.7 燃煤新技术概述 第12章 常用工程的燃烧计算 课程重点，要求熟练掌握不同燃料完全燃烧时理论空气量和产生烟气量的计算方法12.1 燃烧所需空气量的计算 12.2 完全燃烧时烟气的计算 12.3 不完全燃烧时烟气量计算 12.4 烟气分析与空气消耗系数的检测计算 第13章 气体燃料的燃烧 一般讲述，要求了解火焰结构和扩散燃烧特点。 13.1 扩散燃烧和动力燃烧 13.2 层流扩散燃烧火焰的结构 13.3 气体燃料燃烧器 13.4 火焰的稳定性、火

8、焰监测和保焰技术 第14章 液体燃料的燃烧 要求掌握雾化燃烧过程与液体燃料燃烧特点。 14.1 液体燃料燃烧过程的特点 14.2液体燃料的雾化过程 14.3 油滴燃烧和油雾燃烧 第15章 固体燃料的燃烧 着重掌握煤的燃烧特点和碳粒燃尽所需时间与影响因素。 15.1 固体燃料燃烧分类 15.2 煤的燃烧过程 15.3 固体碳粒的燃烧 15.4 碳粒燃尽所需时间与影响因素 15.5 碳粒的着火与熄火 15.6 煤粒燃烧的特点 参考文献目录：略 课程导学 视频：导学一点击播放 视频：导学二 点击播放课程简介一、课程由来适应宽口径教学培养目标，拓宽学生基础知识面，增强学生的适应能力，同时结合专业课学时

9、缩短的具体问题，将原来传统的耐火材料和燃料燃烧两门课程合并，在冶金工程专业设置的专业基础课程。 二、课时安排：耐火材料部分 30学时燃料燃烧部分 8学时考试 2学时 三、教学参考书：(1) 徐维忠，耐火材料，冶金工业出版社， 1992(2) 王维邦，耐火材料工艺学，冶金工业出版社， 1994(3) 许小海等， 耐火材料技术手册，冶金工业出版社，2000(4) 韩昭沧 ，燃料与燃烧，冶金工业出版社，1994(5) 顾恒祥 ，燃料与燃烧，西北工业大学出版社 ，1993(6) 常弘哲，燃料与燃烧，上海交通大学出版社 ，1993第1章 概论1.1 耐火材料的定义 1.2 耐火材料的分 1.3 耐火材料

10、的一般生产过程 1.4 耐火材料的主要用途与要求 第2章 耐火材料的性能 一、本章主要内容2.1 耐火材料的宏观结构 2.2 耐火材料的热学性能与导电性能 2.3耐火材料的力学性能 2.4 耐火材料的使用性能 二、本章教学培养目标(1)?掌握耐火材料的主要性能的基本概念(或定义)(2)掌握耐火材料的不同性能的影响因素与其作用机理(3) 基本掌握根据耐火材料的使用环境，选择耐火材料种类的基本知识第3章 铝硅系耐火材料 一、本章主要内容3.1 氧化硅质耐火材料 3.2 粘土质耐火材料 3.3 高铝质耐火材料 3.4 高铝质熔铸制品 例图 Al2O3-SiO2二元系相图 图中A点为100% SiO2

11、的熔点，B点为100% Al2O3的熔点二、本章教学培养目标(1) 基本掌握Al2O3-SiO2二元相图(2) 掌握Al2O3-SiO2系耐火材料种类的划分标准(3) 掌握不同种类耐火材料的主要原料、生产工艺(4) 掌握不同种类的耐火材料的主要特性 第4章 碱性与尖晶石耐火材料 一、本章主要内容4.1 镁质耐火材料4.2 白云石质耐火材料4.3 镁橄揽石耐火材料4.4 尖晶石耐火材料例表 n（CaO）/n（SiO2）值为0-2范围内与方镁石共存的平衡相 CaO/SiO2比 平衡相与其含量 01.0 (00.93) MF=1.25F; MA=1.40A; M2S=2.34(S1.07C); CM

12、S=2.79C 01.5 (0.931.4) MF=1.25F; MA=1.40A; CMS=2.60C (3S2.14C);C3MS2=2.73(2.14C2S) 1.52.0 (1.41.87) MF=1.25F; MA=1.40A; C3MS2=2.73(4S2.14C)C2S=2.87(2.14C3S) 二、本章教学培养目标(1) 掌握碱性耐火材料种类与其划分方法(2) 掌握碱性耐火原、材料特点与其制备方法 (3) 掌握碱性耐火材料的主晶相与结合相特点 (4) 掌握镁铬制品具有良好抗侵蚀性的主要原因 (5) 了解碱性耐火材料(主要指含有游离CaO耐火材料)防水化机理与主要措施 第6章

13、碳复合耐火材料 一、本章主要内容5.1 碳复合耐火材料的分类与其特性 5.2 碳复合耐火制品的生产 5.3 高温条件下耐火材料内部的碳-氧反应 5.4 碳复合耐火材料内部与其与钢液和炉渣之间的反应 5.5 抗氧化剂在碳复合耐火材料中的作用机理 二、本章教学培养目标(1) 掌握含碳耐火材料的特性与组织结构特点 (2) 了解不同体系碳复合耐火材料的生产工艺特点 (3) 高温下C-O体系发生的化学反应与体系气相组成的确定方法(4) 掌握高温条件下含碳耐火材料内部所发生的化学反应与其对耐火材料结构和性能的影响规律 (5) 掌握抗氧化剂对提高耐火材料抗氧化性的作用机理 例图 碳复合耐火材料结构示意图 理

14、想的碳结合耐火材料的显微结构如图5-1所示。结合碳在颗粒周围形成一层结合碳膜，此膜构成一空间碳网络将颗粒结合起来，石墨和陶瓷细粉位于粗颗粒之间。结合剂对耐火材料与石墨的润湿性愈好，结合碳框架的连续性愈好，渗入耐火材料与石墨基质中的框架分支愈多，耐火材料的强度也愈高。为了得到合理的显微结构，应对耐火材料与石墨的粒度有一定要求，这一点和一般的耐火材料生产没有原则差别。但是，由于石墨呈片状结构，有较强的取向性，在成型过程中会沿垂直压制方向取向，甚至造成层裂 例图 Mg-C泥料的理想混练结果 例图 1600K时C-O体系中CO和CO2与O2平衡分压的关系 例图 C-O体系中气相组成 例图 1600K时

15、Al-O-C体系中气相平衡分压与PCO的关系例图 金属铝-石墨成形体在CO中加热后的显微结构 第6章含锆耐火材料 一、本章主要内容6.1 锆英石质耐火材 6.2 锆质熔铸耐火制品 二、本章教学培养目标(1)了解含锆耐火材料的种类与其特性 (2)了解ZrO2-SiO2二元相图 (3)了解锆英石高温加热分解特点 (4)了解锆质熔铸制品的特点与生产工艺 例图 ZrO2-SiO2体系相图 第7章 不定形耐火材料 一、本章主要内容7.1 浇注耐火材料 7.2 可塑耐火材料 7.3 其他不定形耐火材料 二、本章教学培养目标(1) 掌握不定形耐火材料的种类与分类方法(2) 了解不同种类不定形耐火材料的施工特

16、点 (3) 掌握不定形耐火浇注料的结合剂种类与其硬化特点 (4) 了解不定形耐火材料在加热过程中的强度变化规律 (1) 铝酸钙水泥的水化和硬化。高铝水泥与水接触后可发生水化反应，然后在适当条件下硬化。浇注料用高铝水泥中可水化的矿物主要是CA和CA2。其中含钙较高的水泥中以含CA为主；低钙水泥中CA2与CA含量之比约等于1。 CA具有很高的水硬活性，它的水化与水化物的结晶，对水泥的凝结和硬化有重要影响。凝结虽不甚快，但硬化迅速，是高铝水泥获得强度特别是早期强度的主要原因。CA的水化过程和水化产物与养护温度有密切关系。当温度不同时，水化反应的过程和产物也不同，如下式： （2）水泥产物在加热过程中强

17、度的变化。铝酸钙水泥硬化后的水化产物在加热过程中可发生脱水分解反应和结晶化等变化。主要水化物CAH10、C3AH6、和AH3的转化如下： 水化产物在脱水和转化前后的真密度不同，固体实体积变化很大，使水泥石的结构密实度和强度相应降低。 图7-3 浇注料的强度随温度变化 7.1.2.2 水玻璃 水玻璃一般化学式为Na2OnSiO2或Na2OnSiO2xH2O。上式中n为SiO2与Na2O的分子比，通称模数。模数不同，水玻璃的成分不同。模数愈高，粘结能力愈强。浇注料用的水玻璃的模数为2.0-3.0。密度1.30-1.40。 通常使用的水玻璃多是粘稠状液体，具有良好的粘结性。此种粘结性依凝结硬化条件不

18、同而有某些差别，但都与形成凝聚结构有关。 在常温下，硬化较缓慢。在生产中为促进水玻璃的硬化，往往添加一定促硬剂。通常多用酸或含金属离子的外加物，与水玻璃碱溶液发生中和作用，加速硅酸钠的水解，使硅氧凝胶不断析出并凝聚。如加入硅氟化钠的反应式如下： 2(Na2OnSiO2) + Na2SiF6 + 2(2n+1)H2O?6NaF + (2n+1)Si(OH)4 硅氧凝胶体的形成式 水玻璃硬化体加热到50以上即开始脱水，超过100时硅氧凝胶中的大部分水分即可排除，到300基本排尽。水分排除后，凝胶体产生紧缩，使水玻璃硬化体的结构致密和强度提高。 在300-500温度范围内，水玻璃硬化体的结构无明显变

19、化。此后，当温度升高到600附近，体积略为膨胀，结构略为硫松，强度稍有下降。水玻璃的模数愈大，这种影响也愈突出。 当加热到700以上至900时，由于局部逐渐出现液相，强度又有所降低。水玻璃的模数愈小，加入的Na2SiF6数量愈多，此种现象愈严重。 7.1.2.3 磷酸与磷酸盐结合剂 磷酸与一些耐火材料可反应生成酸式磷酸盐。如磷酸与粘土质或高铝质耐火材料反应可形成酸式磷酸铝A1(H2PO4)3。无论是磷酸与耐火材料反应形成的磷酸铝，还是直接使用这类酸式磷酸盐作为给合剂，因其具有相当强的胶凝性，可将一些不定形耐火材料粘结成为坚强的整体，故应用广泛。 (1) 磷酸铝的凝结与硬化。酸式磷酸铝在加热过程

20、中，变成焦磷酸铝和偏磷酸铝，并随之发生如下聚合反应： 第8章绝热耐火材料 一、本章主要内容8.1 绝热材料的特征与分类 8.2 轻质耐火材料的绝热条件 8.3 多孔轻质耐火制品 8.4 耐火纤维与其制品 二、本章教学培养目标（1）了解绝热材料的主要特征 （2）了解绝热材料的分类方法 （3）了解轻质耐火材料的绝热条件 （4）了解轻质多相材料导热性与宏观结构的关系 （5）多孔轻质耐火制品的生产方法与工艺特点 （6）了解耐火纤维的种类、特点与制备方法 （7）了解绝热耐火材料的使用方法 第9章特殊与新型耐火材料 一、本章主要内容9.1 纯氧化物耐火材料 9.2 氮化物耐火材料 9.3 碳化物耐火材料

21、9.4 氧化物 非氧化物复合耐火材料 9.5 硅化物、硼化物、硫化物材料 9.6 金属陶瓷 9.7 高温无机涂层 表9-1 特种耐火材料的主要用途 用途 使用温度() 应用材料 特 殊 冶 炼 冶炼U的坩埚 冶炼Pt、Pa的坩埚 钢水连续测温套管 连续铸钢浸入式水口 高级合金二次精炼炉衬 熔炼Ga、As等单晶坩埚 1700150017001200BeO, CaO, ThO2ZrO2, Al2O3ZrB2, MgO-MoSiO2MgO-Cr2O3AlN, BN航 天 导弹头部雷达天线保护罩 洲际导弹头部防护材料 火箭发动机燃烧室内衬、喷嘴 10050020003000 Al2O3, ZrO2,

22、HfO2耐火纤维 碳纤维+酚醛 SiC, Si3N4，BeO, 石墨纤维 复合材料 原 子 能 原子能反应堆核燃料 核燃料涂层 吸收中子控制棒 中子减速剂 反应堆反射材料 1000100010001000UO2, UC, THO2BeO, Al2O3, ZrO2, SiC, ZrCHfO2, B4C, BNBeO, BeC, 石墨 BeO, WC, 石墨 飞机与潜艇 喷气机压缩机叶片 机身机翼结构部件 潜艇外壳结构部件 300500碳纤维+塑料 碳纤维，硼纤维复合材料 碳纤维复合材料 新 能 源 磁流体发电电极材料等 钠流电池介质隔膜 高温燃料电池固体介质 200030003001000ZrO

23、2, SiC, BeO, LaB6ZrSrO3-Al2O3ZrO2特 种 电 炉 高温发热元件 炉膛炉管材料 高温观测窗 炉膛隔热材料 150030001500220010001500ZrO2, ThO2, MoSi2, SiC, 石墨 Al2O3, ZrO2, SiC透明Al2O3泡沫Al2O3, Al2O3, ZrO2空心球 二、本章教学培养目标(1)了解纯氧化物耐火材料的种类、特征与制备方法 (2)了解氮化物(特别是氮化硅)原、材料的制备方法与其特性(3) 了解碳化物(特别是碳化硅)原、材料的制备方法与其特性 (4) 了解氧化物-非氧化物复合耐火材料的主要特性 (5) 了解硫化物、硅化物

24、、硼化物材料的主要特性 (6) 了解金属陶瓷、无机涂层材料的主要特性 9.1.3 氧化锆制品 氧化锆制品是以纯度大于99%的氧化锆(ZrO2)为原料，用高温陶瓷工艺方法或其他特殊工艺方法制成的耐火材料。氧化锆熔点为2700，莫氏硬度为7。氧化锆有三种变体，低温型为单斜结晶(密度为5.68g/cm3)，高温型为立方结晶(密度为6.27g/cm3)，两者间有四方结晶(密度为6.10g/cm3)。在加热过程中三种发生如下转变： 图9-4 碳化硅生产工艺示意图 图9-5氧化物 非氧化物复合材料的常温抗折强度 C-bonded：碳结合；ZCM：锆刚玉莫来石；CM：刚玉莫来石 图9-6氧化物 非氧化物复合

25、材料在1350-1400的抗折强度 表9-8 一些复合耐火材料的氧化特性 图9-7氧化物 非氧化物复合材料的临界热震温差(TC) 图9-8 BN编织状结构的SEM照片 第10章 耐火材料应用 一、本章主要内容10.1 耐火材料的选用 10.2 炼铁用耐火材料 10.3 炼钢炉用耐火材料 10.4 炉外精炼用耐火材料 10.5 连铸用耐火材料 10.6 轧钢用耐火材料 10.7 有色冶金用耐火材料 10.8 建材工业用耐火材料 10.9 垃圾焚烧用耐火材料 10.10 用后耐火材料的再生利用 二、本章教学培养目标（1）掌握冶金炉窑对耐火材料的要求 （2）熟练掌握耐火材料在使役中损毁的机理 （3）

26、掌握耐火材料的选用原则（4）了解不同冶金炉窑的耐火材料选择与砌筑特点 （5）了解建材、垃圾处理行业用耐火材料的特点 （6）了解用后耐火材料处理与再利用知识，树立环保与循环经济意识 第11章 燃料 一、本章主要内容11.1 概述 11.2 燃料的组成与其表示方法 11.3 各种燃料的发热量 11.4 气体燃料 11.5 液体燃料 11.6 固体燃料 11.7 燃煤新技术概述 二、本章教学培养目标（1）掌握燃料的定义 （2）了解世界能源利用概况和我国能源工业现状与能源政策 （3）熟悉燃料的组成与其表示方法 （4）熟悉固液气三种燃料的燃烧特点与性能评价指标 （5）了解燃煤新技术的特点 （6）了解用后

27、耐火材料处理与再利用知识，树立环保与循环经济意识 例如：煤的挥发分和焦炭 在隔绝空气的条件下对煤加热，则煤中的水分将首先蒸发逸出，其后煤中的有机物开始热分解，并逐渐逸出各种气态产物。这些气态产物称为挥发分，余下的固体残余物称为焦炭，它主要由非挥发性碳（固定碳）与灰分组成。所谓固定碳，并非纯碳，其中尚残留有少量的氢、氧、氮和硫等成分。在图11-6给出了煤按水分、挥发分、焦炭和灰分等组成的示意图。通常用字母V表示挥发分，CGD表示固定碳，对水分与灰分仍沿用字母W与A表示。 图11-6 煤中各成分间的关系示意图 第12章 常用工程的燃烧计算一、本章主要内容12.1 燃烧所需空气量的计算 12.2 完

28、全燃烧时烟气的计算 12.3 不完全燃烧时烟气量计算 12.4 烟气分析与空气消耗系数的检测计算 二、本章教学培养目标（1） 熟练掌握固液气三种燃料完全燃烧时所需理论空气量的计算(2) 熟练掌握固液气三种燃料完全燃烧时产生的烟气量计算 （3） 熟悉固液气三种燃料完全燃烧时所需理论空气量的计算(4)熟悉固液气三种燃料完全燃烧时产生的烟气量计算 12.1 燃烧所需空气量的计算 例如： 燃料燃烧所需理论空气量 使单位量的燃料完全燃烧所需的最少的空气量称为“理论空气需要量”，简称“理论空气量”。在这种情况下空气中所含的氧气与燃料中可燃物全部反应，得到完全氧化的产物。理论空气量以符号V0表示，其单位为N

29、m3空气/kg燃料(对液体燃料和固体燃料)与Nm3空气/Nm3燃料(对气体燃料)。 液体燃料与固体燃料燃烧所需理论空气量 已知燃料成分(质量百分数)为 Cy% + Hy% + Sy% + Oy% + Ny% + Ay% + Wy%=100% (12-1)对1千克燃料而言，其中所含可燃元素为Cy/100(kg)的碳，Hy/100(kg)的氢以与Sy/100(kg)的硫。因此单位质量燃料完全燃烧所需空气量可由各元素燃烧所需空气量相加而得。 按化学反应完全燃烧方程式，其中碳燃烧时为 第1315章 常用工程的燃烧计算 一、主要内容13.1 扩散燃烧和动力燃烧 13.2 层流扩散燃烧火焰的结构 13.3 气体燃料燃烧器 13.4 火焰的稳定性、火焰监测和保焰技术 14.1 液体燃料燃烧过程的特点 14.2液体燃料的雾化过程 14.3 油滴燃烧和油雾燃烧 15.1 固体燃料燃烧分类 15.2 煤的燃烧过程 15.3 固体碳粒的燃烧 15.4 碳粒燃尽所需时间与影响因素 15.5 碳粒的着火与熄火 15.6 煤粒燃烧的特点 二、本章教学培养目标(1) 熟悉不同燃料(重点是油、煤)时的火焰特点(2) 熟悉典型燃烧器的燃烧特点，掌握合理选择燃烧器种类的基本知识