耐火材料设计的现状与发展.pdf
《耐火材料设计的现状与发展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《耐火材料设计的现状与发展.pdf(4页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、N A IH U O C A L A O 耐 火 材 料 2 0 0 2。3 6(6)3 5 9 3 6 2 综 述 耐 火 材 料 设 计 的 现 状 与 发 展 口 李远兵 李 楠 黄 青 阮国智 武汉科技 大学高温陶瓷与耐火材料湖北省重点实验室武汉 4 3 0 0 8 1 摘要阐述 了耐火材料设计的发展阶段、特 点、层次与范 围,提 出了耐火材料设计应 向科 学化、计 算机化、综合化 和 功 能化 方 向发展 的 观 点。关键词耐火材料,设计,组成,结构,制备 一种新材料 的发现或材料 的最佳组合,都是反复试验 的结果,所采用 的方法均是配方法或常说 的“炒菜式”筛选 法,在不断试验并经
2、过无数次失败后才能成功,逻辑上称为 归纳法。它是从实验出发,以已知 的事实、经验和知识为基 础,总结出为获得符合要求 的材料应 采取 的方法。这种方 法虽说费时费工,效率低下,但是由于方法实用 可靠,至今 还是材料设计的主要方 法,但 己远远不能适应现代科技 和 社会发展的要求。近几十年来,科学技术的发展对材料提 出了更高、更严格的要求,迫切地要求材料 的研究从配方方 式向科学设计逐渐转移,同时 由于 固体物理、量 子化学、现 代计算机的高速发展,为材 料的科学 设计提供 了可能。材 料设计是指通过理论 与计算预报新材料 的组分、结构与性 能,或者说,通过理论设计来“订做”具有特定性 能 的新
3、材 料”。材料设计强调了在材料研 制与应用 过程中的理论 份量,但耐火材料是一门应用理论较强的学科,是一种多组 分、多相材料,性能和组分间 的关 系复杂。因此,耐火材料 的设计有它 自身的特点。1 耐火材料设计 的发展 阶段及 其特 点 耐火材料设计可分为以下 3个 阶段:(1)天然耐火材料阶段 早期 的耐火材料都取之 于天然 泥土等,主要用于炉衬 材料,其加工工艺也相 当原始。这是人们最 早的耐火材料 设计,完全取 自于 自然界。这种最简单 的耐火材料开发与 设计为以后耐火材料的发展创造了条件。(2)经验性设计阶段 这一阶段 的耐火材料主要用于青铜 器、铁器 和钢铁 的 冶炼,其原料主要是从
4、 自然界 中精选出来 的,加 工工艺也 比 较简单。此阶段初始 时,耐火材料 的设计基 本是凭 经验摸 索的。(3)科学设计阶段 这时期 的耐火原料以人工合成 为主。人们根据长期积 累的经验、归纳的实验规律和总结的科学原理,通过控制生 产工艺来控制耐火材料 的显微结构,以达到预期性能。这 个阶段主要是由于现代科学技术 的发展,新材料、新工艺 的 不断涌现,导致了耐火材料向高技术、高性能以至高精度发 展;同时,耐火材料的发展也促进 了高温技术 的进步。此 阶段的主要特点是人们能够在一定范围内根据经验、实 验 结果和物理化学、结晶化学、固体物理等科学原理来控制耐 火材料 的性能,以达到预期 目的。
5、2耐 火材 料 设 计 的层 次 材料设计可按研究对象的不同空间尺度划分 为 3个层 次:1)微观设计层次,其空 间尺度在 1啪 量级,是原子、电 子层次的设计;2)连续模型层 次,其空间尺度 在约 1 Ia,m量 级,材料被看成连续介质,不考虑其 中单个 原子、分 子的行 为;3)工程设计层 次,尺度对应于宏观材料,涉及大块材料 的加工和使用性能 的设计研究。而耐火 材料 是多相材料,原子、电子层次的设计很少,其主要设计层次是连续模型层 次(习惯称显微结构设计层次)和工程设计层次。2 1 显微结构设计层次 耐火材料显微结构主要包括:晶相 的种类、数量、分布,晶粒大小和形态等,玻璃相 的存 在
6、和分布,气孔 的尺寸、数 量和分布以及它们相互之间的关系等。即使是同一化学组 成,显微结构不同,耐火 材料 的性能也不同。因此,研究耐 火材料的显微结构不仅能判断材 料性 能的好坏,而且还能 分析工艺过程是否合理,提出改进工艺 的措施,以达到指导 生产的目的。显微结构设计主要依赖于对显微结构与性能 之间关系的了解程度。耐火材料是 多组分、多晶材料,晶界 的大量存在影响着材料 的某些重要性能,组分和性能之间 的关系不象单晶、玻璃等材料那样简单,因而其显微结构与 性能也十分复杂。目前,随着科学理论的发展,人们开始尝 试用分形理论来研究陶瓷材料 的显微结构H J,取得 了较大 的进展。了解 了显微结
7、构与性能之间的关 系,如何来实现 这种显微 结构呢?合 成和加工是保 证显微 结构 的主要手 段,也是耐火材料显微结构设计的一个环节。采 武 汉科 技大 学校基 金资 助项 目。李 远兵:男,1 9 7 1年 生,博 士,讲 师。收稿 日期:2 0 0 2 0 22 3 修回日期:2 0 0 2 0 3 3 1 编辑:柴剑玲 2 0 0 2 6 耐火材料 删H U 0 C Ju 0 3 5 9 维普资讯 http:/ 2 2 工程设计层次 耐火材料使用寿命 不仅与其组 分和显微结构有关,而 且与耐火材料 的宏 观结构,即外观形状有关。耐火材料 的 损坏机理 主要是化学侵蚀 与热机械应 力。前者
8、是指熔 体、气体、灰尘对耐火材料的化学侵蚀及冲刷等,后者是指由温 度及某些内在化学反应引起的膨胀及机械 负荷在耐火材料 内部产生 的应力超过其强度极限而导致的损坏。相同组分 和显微结构的耐火材料,如果外观形状不同,在同一使用条 件下,所受 的应力也许 不同,因而其使用寿命 也不尽相同。通过有限元法计算耐火材料的应力分布,改进其外观形状,改善应力分布,从而提高耐火材料 的使用寿命,目前也是一 种行 之 有效 的方 法 J。3 耐火材料设计的范围 日本学者三岛良绩为材料设计 的工作范 围提 出了一个 如图 1所示 的轮廓 J。耐火材料设计也是 如此,从 耐火材 料的制备到耐火材料性能,再到使用,都
9、属于耐火材料设计 的工作范围,其中包括组成、结构和特性 的显微结构设计 在 内。美国学者 提 出现代材料科 学研究 应 由 4个要素组 成,即固有性质、结构与组分、使用性 能以及材料 制备,这 4 个要素是相互联系的整体。耐火材料设计也是如此。图 1 材料设计的范围 3 1 材料的固有性质 材料的固有性质 是确定材 料功能 特性和效 用 的描 述 符。刚玉、镁砂、莫来石、镁铝尖 晶石、碳化硅等之所 以成为 良好 的耐火材料,是因为它们本身具有熔点 高、化学性质稳 定、强度高等固有性质;碳复合耐火材料之所 以成为耐火材 料中的一次革命,就是 因为石墨具有 良好 的导热性和抗侵 蚀性,而碳复合耐火
10、材料最大的弱点是在高温下易氧化,也 是 由于石墨在高温下易氧化所决定 的。也正是认识 了现有 材料的固有性 质,才促使人们在耐火材料设计时发挥其 优 点,避其缺点,也才有 目前耐火材料设计 的发展。材料的固 有性质是耐火材料设计 的基本 出发点,也是耐火材料工作 者必须掌握的。在近十几年 中,耐火材料工作者 把高技术 陶瓷 领域 中 性能 良好 的非 氧化物 陶瓷(如 S i 3 N 、S i Mo n、A I ON、S i N O 等)引入耐火材料中作结合相或复合相,大大 提高 了材料 的 各种性能,从而制备 出具有优 良性能的非氧化物结合耐火 材料,使得耐火材料 由以氧化物和硅 酸盐为主演
11、变到氧化 3 6 0 N H tl0 C lu 0 耐火材料2 0 0 2 6 物和非氧化物并重,并有向氧化物与非氧化物复合 的趋向;在耐火材料中引入金属铝、硅、碳化硼、锆英石、微粉和超微 粉等作为添加剂来改善抗氧化性、流动性等。这些都是 因 为认识了材料的固有性质,才促使了耐火材料设计 的发展。在科技发展的今天,新材料、新工 艺不断地 涌现,新 的 冶炼技术对耐火材料 的使用性能也提出 了新的要求,这就 需要不断挖掘新的材料以适应新 的要求。例如氮化物、碳化 物、硼化物等,都有可 能成为性 能优 良的耐 火材料;而新 型 材料 T i 3 S i C 2 L 9 l、S i C N和 S i
12、 B C N L l 叫也值得研究开发。不仅要 挖掘发现新的材料应用于耐火材料 中,也要对 传统的氧化 物和硅酸盐材料进行再认识。总之,对材料 固有性 质的认 识,是耐火材料设计 的前提。3 2 材料的结构与组分 结构与组分设计是耐火材料设计 的核心,因为成分影 响耐火材料的组织结构,也决定 了耐火 材料 的性 质。耐火 材料设计的 目的就是通过控制其成分、结构来 制造出一种 满足使用性能的材料。设计时需要考虑材料的显微结构、不同相之间的化学共存和物理匹配等因素”。组分、结构 和性能的关系很复杂(如图 2),传 统的数学 处理方法 难以 有效处理和表达组分、结构 与性能之 间的关 系。这给耐
13、火 材料设计带来 了困难。近十几年来,以计算 机技术为基础 的各种方法应运而生,其中有效 的方法有:分形理论、人工神经 网络“、遗 传算法 、模 式识别”、小波 分 析 等。然而,关于耐火材料的设计软件却少有报道。一厂丽 丽 广 I 关 系(多 卜 叫高 温 性 能 I I组分、结构卜 一 叫 因 子、j 抗 侵 蚀 性 l L_ J l 线性)卜 一 化学稳定性 I Lj l 苎 竺 兰 兰I 图2组分、结构与性能的关系 3、3 材料的制备 耐火材料的制备是保证耐火材料成分与组织 的主要手 段,是其设计开发的一个重要环节,它决定 了耐火材料 的产 品质量、成品率等。但是 制备 工艺 与产品质
14、量等也不是简 单的关系,而是多因子的非线性关系(如图 3)。图 3 制备工艺与产品质量的关系 耐火材料的组成不单纯是细 粉,它是 由颗粒 和细 粉混 合后再经成型、烧成等工序而制成的,因而其制备工艺对产 品质量的影响更复杂。这就要求在耐火材料 的制备过程中 要严格控制原料的纯度、颗粒级配、成型工艺、干燥 制度、烧 成制度等,同时,也要在传统工艺的基础上充分利用新工艺 来制备耐火材料,保证耐火材料向高精度方向发展。3 4 材料的使用性能 设计耐火材料 的 目的在于应用。因此,耐火 材料 的使 维普资讯 http:/ 用性能是考查其质量 的关键。耐火材料 的使用性能不仅 与 其 固有性质、显微结构
15、和制备过程有关,而且与使用操作 和 使用环境有密切关 系,因而要详尽 了解耐火材料的使用环 境,使耐火材料 的设计更贴 近实际情况。由于耐火材料 的 成分、组织均匀性、非平衡组织的稳定性 等对使用性能的影 响很大,再加上使用环境的复杂性,因此耐火材料 的使 用性 能不能仅仅 以性能指标来确定,必须综合 考虑,如进 口棚板 的某些常规性能和国产棚板相 比要低,有时甚至低许 多,但 其使用寿命却 比国产的高得多。传统耐火材料 的使用性能 比较单一,其功能 是作为工 业炉的内衬或部件 以抵抗高温及介质(熔体、气体和 固体)的侵蚀,可以看作是一种“器皿”和“管道”的作 用;然 而,高 纯金属(如洁净钢
16、)的发展要求耐火材料 的使用多功能化,如具有脱硫 、脱磷 等作用。4耐火材料设计 的发展趋势(1)经验设计逐步向科学设计发展且两者兼 容 从理论上看,各种物理、化学、材料科学 理论 以及数学 处理方法都将构成具有指导耐火材料设计 的知识系统。然 而,不管这一知识系统发展到何等高度,总存在有大量 尚未 被理性化的经验 和实验规律,它们将 会随着人们认识 的不 断提高而在耐火材料设计 中得到充分应用。对于这种多组 分、多相材料而言,完全不依赖经验和不进行探索性实验的 设计,在相 当长 的时期内是不可能实现的。因此,耐火材料 的设计将 由经验设计逐步向科学设计发展且两者兼容。(2)耐火材料设计的定量
17、化与计算机化 随着材料科学和计算机技术 的发展,计 算材料学成 为 可能,计算机成 了材料设计 中不可缺少 的部分。从材料 的 显微结构设计、制备与加工到材料科学中的数据处理,计 算 机都起着重要的作用。耐火材料设计 也是如此,计算机化 的生产控制将会 大大 提高产 品的稳定性,耐火材料使用 过 程的计算机模拟也会缩短生产应用所需要的时间。(3)耐火材料设计的综合化 耐火材料设计是很复杂的工程,需要坚持运用 系统 论 的观点和思维方 法,广泛吸 收其他学科 所取得 的新 成就。耐火材料的设计 是多结构层次 的、结构和性质相结合 的综 合设计,不仅要考虑材料的显微结构,而且还要注重各组分 间的化
18、学相容性和物理 匹配性。因此,必须运用各种 材料 科学理论,借鉴和结合其他学科的知识,来达到设计要求。(4)耐火材料设计的功能化 随着冶炼新技术的发展和一些特殊功用的需要,使得一 些耐火材料除了具有普通耐火材料的作用 以外,还要具备其 他功能,例如:冶炼洁净钢需要耐火材料 具有净化钢水的功 能,加热元件 和直流电弧炉要求耐 火材料具 有导电功 能口 ,电磁冶金技术要求耐火材料的电磁穿透功能 。(5)耐火材料设计的环境意识 耐火材料的开发和使用过程,必须与 自然环 境相互协 调,达到最佳的平衡状态。这就要求在耐火材料 的生产 和使 用过程尽可能不产生有害物质,避免耐火材料废弃物对环境 的污染,不
19、断开发出能替代 含铬耐火材料的新型耐火材料,同时也要求最大限度地减少对资源的消耗,增加耐火材料的 循环再利用。因此,耐火材料的设计必须和环境相适应。5 结语 耐火材料设计是一门很复杂的材料工程,同时也是一 门材料科学。必须依据积累 的经验和总结的实验,运用材 料科学基本原理,综合其他科学理论,借助现代的数学处理 方法和计算机模拟来达到耐火材料设计的预期 目的。参考文献 I Co mp u mt io n al a n d t h e o r e t i c a l t e c hn i q u e s f o r ma t e r i als s c i e n c e Na-t i o n
20、al Ac a d e my o f S c i e n c e s 1 9 9 5 2 Ma t e rials s c i e n c e a n d e n g i n e e rin g for t h e 1 9 9 0s Na t i o n al Ac a d e my Pres s,1 9 8 9 3 钟香 崇 我 国耐 火材 料 工 业 战 略发 展 方 向 的几 个 问 题 耐 火材 料,1 9 9 0,2 4(4):1 8 71 8 9 4 熊兆 贤 陶 瓷材 料 的分形研 究 北 京:科 学 出版社,2 0 0 0 5 李远 兵,王 兴东,李 楠 有 限 元法 在 耐
21、火 材 料 中 的应 用 耐 火材 料,2 0 0 1,3 5(5):2 9 32 9 5 6 Ry o s uk e N,S hi g e k i U,M i e h i n o ri Y 3-D F EM an aly s i s for l o ng n o z z l e un d e r a t t a c h me n t for c e a n d v i b r a t i o n S h i n a g a wa Te c h n i c al Re p o r t 1 9 9 7,4 0:414 5 7 S i n g h K N,Bech a n C R,Ru s s o
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 耐火材料 设计 现状 发展
限制150内