鋼材不耐火的原因及防火方法
鋼材不耐火的原因及防火方法
耐火材料是應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)中的重要材料，它主要應(yīng)用在煉鋼爐、煉鐵爐的內(nèi)襯，承裝和運(yùn)輸金屬及爐渣的鋼包的內(nèi)襯，下道工序加熱鋼坯的爐子內(nèi)襯，以及傳導(dǎo)熱氣的煙道和高爐爐身的內(nèi)襯。那么鋼材不耐火的原因及防火方法有哪些的呢?本文是學(xué)習(xí)啦小編整理鋼材不耐火的原因及防火方法的資料，僅供參考。
鋼材不耐火的原因及防火方法
一是其在高溫下強(qiáng)度降低快。在建筑結(jié)構(gòu)中廣泛使用的普通低碳鋼溫度超過350℃，強(qiáng)度開始大幅度下降，在500℃時(shí)約為常溫時(shí)的1/2，600℃時(shí)為常溫時(shí)的1/3。冷加工鋼筋和高強(qiáng)鋼絲在火災(zāi)高溫下強(qiáng)度下降明顯大于普通低碳鋼筋和低合金鋼筋，因此預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件，耐火性能遠(yuǎn)低于非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件。
二是剛才熱導(dǎo)率大，易于傳遞熱量，使構(gòu)件內(nèi)部升溫很快。
三是高溫下鋼材塑性增大，易于產(chǎn)生變形。四是鋼構(gòu)件截面面積較小，熱容量小，升溫快。
鋼材的耐火性能差的原因分析
鋼材和巖棉夾芯板同屬無機(jī)材料，我們要知道鋼材的耐火性能差的原因，就要先知道無機(jī)材料在高溫下存在需解決的問題。無機(jī)材料由于在高溫時(shí)熱膨脹收縮不一致可能導(dǎo)致導(dǎo)熱、變形、爆裂、強(qiáng)度降低、組織松懈等等問題。此外對(duì)鋁材、花崗石、大理石、鈉鈣玻璃等建筑材料在高溫時(shí)還要考慮軟化、熔融等現(xiàn)象的出現(xiàn)。為了保障建筑鋼材的質(zhì)量，在生產(chǎn)時(shí)必須在嚴(yán)格的技術(shù)控制下進(jìn)行，它具有強(qiáng)度大、塑性好和韌性好、品質(zhì)均勻、可焊可鉚、制成的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕等有點(diǎn)。但是它的防火性能卻是比較差的，這一點(diǎn)巖棉夾芯板比它要好很多。
鋼材不耐火的原因：一是其在高溫下強(qiáng)度降低快。在建筑結(jié)構(gòu)中廣泛使用的普通低碳鋼溫度超過350℃，強(qiáng)度開始大幅度下降，在500℃時(shí)約為常溫時(shí)的1/2，600℃時(shí)約為常溫時(shí)的1/3。冷加工鋼筋和高強(qiáng)鋼絲公火火高溫下強(qiáng)度下降明顯大于普通低碳鋼筋和低合金鋼筋，因此預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件，耐火性能遠(yuǎn)低于非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件。二是鋼材熱導(dǎo)率大，易于傳遞熱量.使構(gòu)件內(nèi)部升溫很快。三是高溫下鋼材塑性增大，易于產(chǎn)生變形。四是鋼構(gòu)件截回面積較小，熱容量小，升溫快。處于火災(zāi)高溫下的裸露鋼結(jié)構(gòu)往往在15min左右即喪失承載能力，發(fā)生倒塌破壞。
提高鋼結(jié)構(gòu)的防火性能的方法
鋼結(jié)構(gòu)不防火是說在火災(zāi)高溫作用下，其力學(xué)性能如屈服強(qiáng)度、彈性模量等卻會(huì)隨溫度升高而降低，通常在450～650℃溫度中就會(huì)失去承載能力，發(fā)生很大的形變，導(dǎo)致鋼柱、鋼梁彎曲，結(jié)果因過大的形變而不能繼續(xù)使用。采用以下方法可以有效的提高鋼結(jié)構(gòu)的防火性能：
一、外包層。就是在鋼結(jié)構(gòu)外表添加外包層，可以現(xiàn)澆成型，也可以采用噴涂法?，F(xiàn)澆成型的實(shí)體混凝土外包層通常用鋼絲網(wǎng)或鋼筋來加強(qiáng)，以限制收縮裂縫，并保證外殼的強(qiáng)度。噴涂法可以在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹砂泵以形成保護(hù)層，砂泵可以是石灰水泥或是石膏砂漿，也可以摻入珍珠巖或石棉。同時(shí)外包層也可以用珍珠巖、石棉、石膏或石棉水泥、輕混凝土做成預(yù)制板，采用膠粘劑、釘子、螺栓固定在鋼結(jié)構(gòu)上。
二、充水(水套)?？招男弯摻Y(jié)構(gòu)內(nèi)充水是抵御火災(zāi)最有效的防護(hù)措施。這種方法能使鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中保持較低的溫度，水在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)循環(huán)，吸收材料本身受熱的熱量。受熱的水經(jīng)冷卻后可以進(jìn)行再循環(huán)，或由管道引入涼水來取代受熱的水。
三、屏蔽。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置在耐火材料組成的墻體或頂棚內(nèi)，或?qū)?gòu)件包藏在兩片墻之間的空隙里，只要增加少許耐火材料或不增加即能達(dá)到防火的目的。這是一種最為經(jīng)濟(jì)的防火方法。
四、膨脹材料。采用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料保護(hù)構(gòu)件，這種方法具有防火隔熱性能好、施工不受鋼結(jié)構(gòu)幾何形體限制等優(yōu)點(diǎn)，一般不需要添加輔助設(shè)施，且涂層質(zhì)量輕，還有一定的美觀裝飾作用，屬于現(xiàn)代的先進(jìn)防火技術(shù)措施。
鋼廠耐火材料的分類
耐火材料是應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)中的重要材料，它主要應(yīng)用在煉鋼爐、煉鐵爐的內(nèi)襯，承裝和運(yùn)輸金屬及爐渣的鋼包的內(nèi)襯，下道工序加熱鋼坯的爐子內(nèi)襯，以及傳導(dǎo)熱氣的煙道和高爐爐身的內(nèi)襯。因此，簡(jiǎn)單地說，我們可以把它視作結(jié)構(gòu)材料，它們可以承受的溫度為260-1760℃。
耐火材料價(jià)格昂貴，任何耐火材料的事故都將導(dǎo)致浪費(fèi)大量的生產(chǎn)時(shí)間和設(shè)備，有時(shí)甚至是產(chǎn)品本身。耐火材料類型也將影響能量的消耗和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，選取最適合于各種應(yīng)用的耐火材料是至關(guān)重要的。而經(jīng)濟(jì)效益對(duì)此有很大的影響，最適合某種用途的耐火材料不必是用得最久的材料，而是能在安裝成本與使用性能之間取得平衡的材料，這種平衡不是固定不變的，而是隨著新工藝或新耐火材料的引入而不斷變化的。歷史證明，堅(jiān)持不懈地尋求和開發(fā)更合理的冶金工藝，極大地推動(dòng)了耐火材料的發(fā)展，這些耐火材料問題的迅速解決又成為近代鋼鐵工藝不斷發(fā)展的重要素。本文的內(nèi)容是討論包括這些問題的許多因素，以及提供解決這些問題的信息。
耐火材料可以有許多分類方法，其中沒有一種是令人十分滿意的。從化學(xué)觀點(diǎn)來看，耐火材料和一般物質(zhì)一樣分為三類：酸性、堿性和中性。理論上，酸性耐火材料不能應(yīng)用于堿性爐渣，堿性氣體或煙氣，而在上述堿性介質(zhì)中，最好應(yīng)用堿性耐火材料。實(shí)際上，由于各種原因，這些規(guī)則不斷地被打破。因而，長(zhǎng)期以來化學(xué)分類只是學(xué)術(shù)上的，對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用沒有多少價(jià)值。而且真正意義上的中性耐火材料是否存在也值得懷疑。通過用途來分類是相當(dāng)廣泛采用的方法，如高爐耐火材料或氧氣煉鋼耐火材料，而且這些分類在不斷地被修正。
因此，我們根據(jù)所準(zhǔn)備的原料和加工后的主要礦物質(zhì)對(duì)耐火材料進(jìn)行分類。我們確信這種分類方法為清楚理解鋼廠耐火材料的本質(zhì)提供了最大的可能性。
A.氧化鎂或氧化鎂-氧化鈣類
這一類包括所有由天然或合成的菱鎂礦、水鎂礦、白云石得來的耐火材料。它們組成了最重要的一類用于煉鋼過程的堿性耐火材料。所有這些材料被用作氧化鎂的來源。
合成氧化鎂由海水或鹵水中合成得來的氧化鎂(方鎂石)代表了最重要的一種用于現(xiàn)代煉鋼設(shè)備的耐火材料原料。生產(chǎn)致密的合成氧化鎂需要很多步驟，簡(jiǎn)單概括如下：
(1)Mgcl2+Ca,Mg(OH)2 =Mg(OH)2+CaCl2
海水或鹵水熟白云石氫氧化鎂殘留鹽
(2) Mg(OH)2 ℃Mg0(低密度的)
(3) MgO ℃ Mgo(致密的)
所產(chǎn)生的致密氧化鎂一般純度可達(dá)95%-99%，這取決于生產(chǎn)過程和最終應(yīng)用要求。如上所示，氧化鎂可以由海水和熟石灰得到。最終產(chǎn)品的致密度是通過在豎爐中高溫焙燒以及大面積的鍛燒，再經(jīng)機(jī)械壓實(shí)而得到的。通過預(yù)燒耐火材料原料來從根本上消除其永久的收縮量或延伸量極其重要，這一點(diǎn)是顯而易見的，因?yàn)槲覀儾豢赡苤竿谑褂弥袝?huì)過度收縮或延伸的材料能夠用于儲(chǔ)存適當(dāng)程度的金屬液或渣子。世界各地均有生產(chǎn)合成氧鎂(方鎂石)的大工廠，在美國(guó)密執(zhí)安州由鹵水井生產(chǎn)，而由海水中生產(chǎn)氧化鎂的工廠位于佛羅里達(dá)州、得克薩斯州、加里福尼亞州和馬里蘭州。
B.鉻鎂類
天然存在的鉻礦由耐火材料尖晶石構(gòu)成，其中尖晶石是由不同比例的MgO,FeO,Al2O3,Cr2O3及Fe2O3和少量硅酸鹽組成的混合物。成分變化較大的鉻礦適合于做耐火材料用，大多數(shù)合適的格礦耐火材料產(chǎn)于菲律賓和南非，有些鉻礦在使用前必須經(jīng)過精選以減少脈石(主要是二氧化硅)的含量。在耐火材料產(chǎn)品中，鉻礦主要與氧化鎂結(jié)合使用，這樣可以將兩種材料的最佳特點(diǎn)結(jié)合起來。鉻礦在應(yīng)用前不需要焙燒。
C.硅質(zhì)耐火材料
石英砂石英砂或硅石是純度最高、應(yīng)用最廣泛的含硅原料。產(chǎn)于賓夕法尼亞州，威斯康辛州、亞拉巴馬州、猶他州和加里佛尼亞州的大量巖石中含有超過98%的SiO2，長(zhǎng)期以來它們用于硅磚生產(chǎn)。目前大量用于焦?fàn)t的硅磚仍然由石英砂生產(chǎn)。通過沖洗石英卵石和卵石團(tuán)塊可以生產(chǎn)高純度的二氧化硅。
砂石砂石或火石基本上是由粘著的砂粒構(gòu)成的一種沉積巖，通常含有90%～96%的SiO2,3% - 5%的Al2O3及一些氧化鐵和石灰。砂石相對(duì)柔軟，且有條紋，這樣易于切割成塊狀或其他形狀。
熔融石英高純度二氧化硅用電熔融后可以用來生產(chǎn)非晶或隱晶的熔融石英、這種具有特殊性能的團(tuán)塊，用于低溫耐火材料。
鋯石和二氧化鋯鋯石耐火材料(ZrO2·SiO2)是由產(chǎn)于澳大利亞和佛羅里達(dá)的特殊鋯砂，經(jīng)過浮選和磁精選生產(chǎn)出的。穩(wěn)定的二氧化鋯是由同種鋯砂通過電熔融并除去二氧化硅和其他雜質(zhì)生產(chǎn)出來的。
D耐火粘土類.
半硅質(zhì)耐火粘土半硅質(zhì)耐火粘土這一術(shù)語(yǔ)是指SiO2含量有一個(gè)較大范圍的粘土這里所說的系指含SiO2至少達(dá)75%用于半硅磚生產(chǎn)的粘土，它們具有很少的雜質(zhì)如堿金屬，堿土金屬氧化物和鐵氧化物。 塑性耐火粘土是一種具有充分的天然塑性的耐火材料，用以粘接非塑性材料。
燧石耐火粘土它是一種硬的或像燧石狀的耐火粘土，以非層狀巖石存在，幾乎沒有天然的塑性，具有貝殼狀斷口。
球狀耐火粘土也叫伯雷耐火土或伯雷硬質(zhì)粘土，球狀耐火粘土以巖石形式存在，有含鋁或含鐵的球狀物，或兩者均有，靠粘土粘接。 高嶺土盡管不是耐火粘土，但某些高嶺土是高級(jí)耐火材料，且越來越多地用于制作耐火磚。高嶺土可沉積和殘留，并且相當(dāng)純，一般非常接近理論粘土成分，用AI2O3·2SiO2·2H2O表示。
正像后面將要介紹的那樣，耐火粘土一般通過預(yù)燒粘土和生粘土或未燒粘土相結(jié)合的方法生產(chǎn)。
E.高鋁類
這類包括用于生產(chǎn)耐火粘土所達(dá)不到的、含AI2O2高達(dá)44% 以的那些耐火材料，有很多種含不同礬土量的此類耐火材料，介紹如下： 含鋁高嶺土通過選礦和精選，可以從沉積在佐治亞州和阿拉巴馬州的高嶺土中生產(chǎn)出含AI2O3達(dá)50%-70%的原材料來，這些產(chǎn)品含有害雜質(zhì)(如堿金屬和鐵氧化物)量很低，廣泛應(yīng)用于耐火材料。近年來，先進(jìn)的焙燒設(shè)備已經(jīng)被用來將這此含鋁高嶺土制成致密、穩(wěn)定的材料。
硅線石、紅柱石和藍(lán)晶石這些礦石化學(xué)式均為Al2O3·SiO2,理論上含62.9%的Al2O3和37.1%的SiO3。加熱時(shí)，全部形成莫來石(2Al2O3·2SiO2)和硅質(zhì)玻璃體，只是分解的難易程度不同。藍(lán)晶石最易轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化溫度為1, 325℃，而硅線石的轉(zhuǎn)化最困難，轉(zhuǎn)化溫度為1, 530℃。近年來產(chǎn)于佛吉尼亞州和北卡羅米納州的藍(lán)晶石已經(jīng)廣泛地用于國(guó)內(nèi)作為原料或鍛燒形式的耐火材料的生產(chǎn)。
高純礬土本質(zhì)上，由用拜耳法從鋁礬土中得到的硝酸鋁生產(chǎn)出的鍛燒鋁礬土，通過燒結(jié)或熔解，可得到致密而純的Al2O3。盡管氧化
鋁材料昂貴，但當(dāng)其在純態(tài)或與前述粘土、鋁礬土或其他耐火材料一起使用時(shí)，可為耐火材料添加特殊性能。
礬土可以和純二氧化硅預(yù)反應(yīng)以生產(chǎn)莫來石填料，或在加工過程中就地生產(chǎn)磚。
F.碳類
這一類包括天然或人造石墨，各種類型的煤、焦炭、碳化硅和氮化硅。石墨在國(guó)內(nèi)外均分布廣泛。由于石墨常與石灰?guī)r或硅酸巖混合存在，所以它的提純非常昂貴。在塞隆和馬達(dá)加斯加發(fā)現(xiàn)的片狀石墨適合于生產(chǎn)坩堝和塞棒頭，塞棒頭上石墨由大塊粘土粘接。在與其他耐火材料混合使用時(shí)無定形的和片狀的石墨可以增加許多耐火材料的抗渣性。
碳磚或碳?jí)K作為耐火材料應(yīng)用非常廣泛，并且可以由鑄造焦炭、石油焦炭或煅燒無煙煤生產(chǎn)。瀝青也能作為粘和劑應(yīng)用于此類耐火材料中。碳化硅是在高溫電爐中利用熔融石油焦和石英砂來生產(chǎn)的，純碳化硅可以直接使用，或作為添加料與耐火粘土、高純礬土或碳質(zhì)耐火材料一起給耐火材料賦予一些特殊性能。耐火原材料
耐火原材料已經(jīng)在前面介紹過，鍛燒材料經(jīng)焙燒，去除揮發(fā)成份及水分，使材料致密，
在以后的使用中收縮量和反應(yīng)最小。鍛燒的溫度范圍為1093℃一1925℃生的或未鍛燒的材料使用時(shí)要比焙燒過的材料便宜，并且用于給某些耐火材料賦予某些可取的性能，諸如塑性，或體積膨脹。在生產(chǎn)或使用中，用粘合劑以增加耐火材料的強(qiáng)度，粘合劑包括： (a)臨時(shí)粘合劑，例如紙的副產(chǎn)品、糖或某些粘土，以增加生產(chǎn)中的輸送強(qiáng)度。
(b)化學(xué)粘合劑，它們能在生產(chǎn)中、生產(chǎn)后或整體材料安裝時(shí)增加其強(qiáng)度。例如，硅酸鈉、磷酸、磷酸玻璃、鉻酸、硼酸和硫酸鎂。
(c) 水泥粘合劑，這種粘合劑與水混合時(shí)靠液壓粘合。用于耐火材料的此類粘合劑主要是鈣一礬水泥，它能迅速粘合，并能維持粘合強(qiáng)度到中溫。
(d) 有機(jī)粘合劑，諸如用于還原氣氛的焦油，瀝青，樹脂，在這種氣氛下碳?xì)埩粑锉ＷC粘接強(qiáng)度，或起防止變化作用。
在耐火材料生產(chǎn)前，生料處理過程對(duì)最終產(chǎn)品的成分和性能有重要影響。
高爐和附屬設(shè)備中的耐火材料:
這部分涉及到大量有關(guān)高爐耐火材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的信息，有關(guān)討論將補(bǔ)充這些信息。為方便起見，高爐耐火材料按其使用部位分為三部分：出鐵場(chǎng)用耐火材料，爐體用耐火材料，熱風(fēng)爐及附屬設(shè)備用耐火材料。
小型高爐的出鐵口材料通常是將粘土、焦炭和瀝清混合，并且加水?dāng)D壓成形、而對(duì)于條件苛刻的大高爐，則需要使用無水出鐵口材料，并且要用焦油和其他能提高耐腐蝕性的骨料壓實(shí)(包括高鋁團(tuán)塊，二氧化硅，硅鎳合金等等)，這種無水材料的性質(zhì)要求當(dāng)它最初較軟時(shí)，堵鐵口泥炮在它的位置上保留一小段時(shí)間，當(dāng)它流到位后由于受熱而變硬，在每一次出鐵后，這種無水材料的消耗小于水處理的材料，而且其熱強(qiáng)度也比水處理材料高得多。
出鐵溝耐火材料的設(shè)計(jì)也依賴于高爐的體積，對(duì)于小的且只有一個(gè)出鐵口的高爐，出鐵溝被設(shè)計(jì)成定期作業(yè)，然后排空，經(jīng)常用一些低價(jià)的材料噴補(bǔ)爐襯或填塞加以維護(hù)，而對(duì)于大的有多個(gè)出鐵口的高爐，出鐵溝經(jīng)常長(zhǎng)期工作，不斷地與熱鐵水接觸，需要用昂貴的高鋁塑性材料和含有碳、硅的材料定期重新砌襯，大高爐出鐵溝更換前的壽命可達(dá)40萬到2000萬公噸。
高爐爐體高爐內(nèi)條件變化很大，它的耐火材料損耗可以有幾種機(jī)理，在新的爐體內(nèi)，一般傾向于用高鋁產(chǎn)品(氧化鋁的含量在6o%一99%)，或具有高熱導(dǎo)率的碳材料，或特殊的Sic耐火材料。好的高爐爐襯主要依賴于所使用的冷卻系統(tǒng)，以及在高爐超齡條件下提供待續(xù)有效冷卻的能力。對(duì)于現(xiàn)代高爐，盡管使用昂貴的耐火材料延長(zhǎng)了耐火材料的壽命，但壽命延長(zhǎng)毫無疑問主要是由于更有效的冷卻(例如二倍的煙道冷卻板)和由于理想的高爐負(fù)荷而帶來的穩(wěn)定操作條件。高導(dǎo)熱型磚帶有外部冷卻，而低導(dǎo)熱材料使用冷卻板提供穩(wěn)定的爐襯厚度。爐腹區(qū)的耐火磚除了高導(dǎo)熱率外還必須抵抗前述各種損耗因素，這類耐火材料中只有最高級(jí)的才能做到這一點(diǎn)。
在爐缸，由于鋼水凝固線在穩(wěn)定的位置可以保持很多年，帶有或不帶下冷卻的厚碳磚設(shè)計(jì)使?fàn)t齡日益延長(zhǎng)。
高爐內(nèi)襯的壽命非常依賴于原始設(shè)計(jì)和操作條件，以至于不同規(guī)格的爐子，在不同的實(shí)踐中，很難比較不同耐火材料的性能。爐襯的
壽命一般為3-10年，或者300萬噸到2000萬噸的產(chǎn)量。通過用特殊的水泥粘接澆注塊噴補(bǔ)高爐而經(jīng)常進(jìn)行的中間補(bǔ)爐可以短期延長(zhǎng)高爐的使用，用這種噴補(bǔ)工序后可以使需要大修的高爐延長(zhǎng)1-3年使用。最近，特殊的無水漿材料已經(jīng)被用來修復(fù)爐腹和低爐體區(qū)域，方法是在施加壓力的情況下，噴漿到需要修補(bǔ)的地方。
用來將熔融鐵水運(yùn)往鋼廠的滑軌車(魚雷罐)，通常用致密的耐火磚或高鋁磚砌筑內(nèi)壁。最近，用抗渣金屬侵蝕能力強(qiáng)的浸瀝青的爐襯使魚雷罐壽命得到了提高。魚雷罐壽命在很大程度上依賴于使用條件(輸送距離、每天運(yùn)送次數(shù))以及罐內(nèi)渣量及倒渣次數(shù)。通常魚雷罐車的壽命在100000到200000公噸之間。如果罐能間歇地使用，清理并在冷下來后，用水泥粘結(jié)的耐火材料噴補(bǔ)，其壽命可達(dá)到300000到600000公噸，每噸磚或噴補(bǔ)操作的總消耗大致相同，選擇砌磚還是噴補(bǔ)取決于鋼廠的意向。魚雷罐鐵水脫硫會(huì)降低耐火材料壽命，從而有了使用更昂貴的耐火材料的必要。
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