绪论硅酸盐工业热工基础-1-.

硅酸盐工业热工基础主讲：张西玲材料教研室1.绪论P2本课程主要内容1.绪论2.流体力学基础及流体输送设备3.燃料及燃烧过程4.传热过程5.干燥过程P31.绪论本章主要内容1.1※硅酸盐材料的定义和分类1.2※硅酸盐材料的共性和特点1.3能源利用与硅酸盐工业节能1.4※热工基础的研究内容和学习要求P41.绪论1.1硅酸盐材料的定义和分类在人类发展的历史长河中，材料起着举足轻重的作用，材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。因此，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类社会进步的里程碑。人类对材料的应用一直是社会文明进程的里程碑。纵观人类发展和材料发展的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平。P51.绪论古代的石器、青铜器、铁器等的兴起和广泛利用，极大地改变了人们的生活和生产方式，对社会进步起到了关键性的推动作用，这些具体的材料(石器、青铜器、铁器)被历史学家作为划分某一个时代的重要标志，即石器时代、青铜器时代、铁器时代等。人类社会可分为以下几个时代：石器时代：旧石器、新石器100万年以前、1万年以前陶器时代公元前8000年左右青铜器时代公元前3000年铁器时代公元前1000年新材料时代：高分子、陶瓷、复合材料20世纪初开始P61.绪论(一)石器时代StoneAge：以石头制造工具。旧石器时代—早在100万年以前，人类开始以石头做工具。P71.绪论新石器时代—1万年前，人类对石头进行加工金坛三星村新石器时代遗址孟津妯娌新石器时代聚落遗址P81.绪论燧石：神奇的石头，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展，约在八千年前。陶器——第一种人造材料(二)陶器时代PotteryAge：新石器后期，人类发明了用粘土成型，再火烧固化而制成陶器，从而进入陶器时代。P91.绪论目前考古发现的陶器，在亚洲有中国江西省万年县大源乡仙人洞的陶器和日本最早的绳纹陶(公元前8000年左右)；在欧洲，在希腊半岛发现的陶瓷约在公元前6000至5000年；在美洲大陆，已发现的陶器约在公元前6000年前左右。陶器时代是人类文明史上的重要飞跃，陶器的发明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造，同时也成为这一时期最重要的生产工具。P101.绪论彩陶釉陶P111.绪论(三)青铜器时代BronzeAge：人类大量制造和使用第二种人造材料——“红铜”和“青铜”。烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，生产出各种青铜器物，进入了青铜器时代。古希腊大约在公元前3000年以前，埃及是公元前2500年前，中国是夏代(公元前2000年左右)，欧洲是公元前1800年前后进入青铜器时代。这是人类大量利用金属的开始，是人类文明发展的重要里程碑。P121.绪论巨型司母戊鼎河南安阳晚商遗址越王勾践宝剑湖北江陵楚墓出土青铜：第一种合金P131.绪论(三)铁器时代IronAge：人们开始使用铁来制造工具和武器的时代。人类制造和使用的第三种人造材料——铸铁，此后是钢铁工业的迅猛发展，成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，铁器时代就到来了。世界上最早使用铁器是小亚细亚的赫梯人在公元前1400年左右，古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年。中国最早在春秋战国－晋国(大致公元前700年)，铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域，生产力得到极大的提高。P141.绪论铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷锁而进入了封建社会。战国凹形铁锄湖南长沙砂子塘湖北当阳宋代铁塔河北沧州铁狮P151.绪论(三)新材料时代NewMaterialAge人类社会发展到20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，新材料研制异常活跃，出现了称之为聚合物时代、半导体时代、先进陶瓷时代和复合材料时代等种种提法。高分子时代——20世纪初，人工合成高分子材料问世，如1909年的酚醛树脂(胶木)，1925年的聚苯乙烯，以及1941年的尼龙等，并发展十分迅速。如今，世界年产量已超过钢。P161.绪论陶瓷时代——20世纪50年代后，通过一些特殊制备方法，制造出一系列先进陶瓷，由于其资源丰富、比重小、耐高温、耐磨等优点，很有发展前途，用途在不断扩展。复合材料时代——最具有发展前途的是复合材料，因为这类材料具有每种单质材料所不具备的性能。P171.绪论当今，材料的种类及其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。所以称之为——新材料时代。20世纪下半叶开始，人类历史进入新技术革命时代，材料、能源、信息一道被公认为现代文明的三大基础支持。材料是全球新技术革命的四大标志之一(新材料技术、新能源技术、信息技术、生物工程技术)。材料科学的发展不仅是科技进步、社会发展的物质基础，同时也改变着人们在社会活动中的实践方式和思维方式，由此极大地推动社会进步。P181.绪论新材料的特点、趋势：特点：1.特殊性(超强度、超塑性、超导性等)2.制备和生产和新技术、新工艺紧密相关。3.更新换代快，式样多变。4.发展和理论的关系比传统材料更密切。趋势：1.从均质材料到复合材料2.由结构材料到功能材料，多功能材料并重3.材料结构的尺度向越来越小的方向发展.4.由被动性材料到具有主动性的智能材料5.通过仿生途径来发展新材料P191.绪论1.1.1定义什么是材料？WhatisMaterial?材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。材料总是和一定的用场相联系，可由一种或若干种物质构成。简而言之，材料是具有指定工作条件下使用要求的形态和物理状态的物质；或者说，材料是一种具有某种使用价值的物质，一般是固体状，也可能是液体或气体。P201.绪论什么是硅酸盐材料？硅酸盐材料或硅酸盐制品是指以天然的硅酸盐矿物为主要原料，经高温处理制成的材料或制品，生产这种材料或制品的工业称硅酸盐工业。传统的硅酸盐材料是无机非金属材料的主要构成部分。硅酸盐材料属无机非金属材料。“硅酸盐”一词，从化学角度出发，它是由SiO2和金属氧化物所形成的盐类。实际工作中除化学概念所涉及的领域外，还包括用不含Si的氧化物(单一氧化物如Al2O3或复合氧化物如BeO·TiO2)、氮化物、碳化物、硼化物、卤化物和碳素材料(如石墨)以及其他非金属单质(如硒Se)等原料经高温处理制成的材料和制品。P211.绪论虽然它们的成分不是硅酸盐，但因制备方法与人造硅酸盐相同，在中国也把这些材料概括在广义的硅酸盐材料范畴之内，和国际上广义的“陶瓷ceramics”以及日本的“窑业”具有同一涵义。直到20世纪初期，水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料四大家族在无机非金属材料王国中一直占有绝对的统治地位，被统称为硅酸盐材料。近几十年来，由于工业的需要和科学技术的飞跃发展，新型的无机材料不断出现。硅酸盐材料组成范围广，结构多种多样，具有各种优异性能，因此在工业生产和科学研究中发挥着越来越大的作用。P221.绪论1.1.2分类材料的特性和用途：结构材料、功能材料结构材料：利用力学性能—承受载荷功能材料：利用特殊的物理性能(电、热、磁等)材料的组成：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料材料尺寸：一维、二维、三维材料内部原子排布：晶态与非晶态材料热力学状态：稳态与亚稳态P231.绪论硅酸盐材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。1、陶瓷中国是世界著名的陶瓷古国，早在八千年前的新石器时代，我国的先民就已经会制造和使用陶瓷了。陶瓷一般是由黏土、长石、石英或其他原料经粉碎、混合、成型、干燥、烧制而成的制品的统称。日用陶瓷：碗、盘、盆、缸、砂锅等建筑陶瓷：瓷砖、卫生洁具(中国产量约占世界1/4)等高温陶瓷：坩埚、发热体、热交换器、热保护套管等耐蚀陶瓷：酸碱的储槽、容器、反应器、化工填料等耐磨陶瓷：砂轮、砂纸、油石、磨料等电工陶瓷：绝缘、耐压部件、电瓷等P241.绪论P251.绪论2、水泥水泥是当前工业建设中用量最大的材料，高楼大厦、公路、桥梁、隧道、机场、机床的基座等无不是用水堆积而成，目前全世界的水泥年产量达20多亿吨，中国水泥年产量列世界第一(连续二十多年)，约占总产量的一半。最常用的硅酸盐水泥是由石灰石、黏土和铁矿石为原料，按一定的比例混合并磨细形成所谓生料，经1450℃的高温煅烧成为熟料，然后加入一定量的石膏后再次磨细即为水泥。“两磨一烧”P261.绪论硅酸盐水泥熟料的成分一般为：3CaO·SiO237-60%;2CaO·SiO215-37%;3CaO·Al2O37-15%;4CaO·Al2O3·Fe2O310-18%;及少量MgO。从化学组成看，水泥是以硅酸钙为主的无机材料，水泥加水形成胶体，静置一段时间后可自动凝固形成坚硬的固体，所以也称为胶凝材料。水泥和砂子、石子混合即构成耐压强度极高的混凝土，如用钢筋加强即为钢筋混凝土。P271.绪论3、耐火材料耐火材料是能够满足高温条件下使用要求的无机非金属材料。即高温使用时不熔解、不分解、不氧化变质，并具有一定的牢固性，通常规定其耐火度在1580℃以上，主要用于高温冶炼、煅烧、熔制、加热等工业炉的内衬、墙体、窗口等，在冶金工业中有突出重要的地位。耐火材料品种繁多，按其化学-矿物组成可分为：1、硅质制品硅砖(silicabrick)——主要由鳞石英、方石英以及少量残余石英和玻璃相组成的酸性耐火材料。以天然硅石为原料，外加适量矿化剂，以促进坯体中的石英转化为磷石英。在还原气氛下经1350-1430℃缓慢烧成。SiO2含量93％以上。真密度2.38g/cm3。具有抗酸性渣侵蚀性能。较高的高温强度。荷重软化开始温度1620-1670℃。在高温下长期使用不变形。P281.绪论石英制品——主要是指众多以石英玻璃材料做成的产品。主要包括石英玻璃管、石英玻璃棒、熔凝石英玻璃管(炉芯管)、熔凝石英玻璃棒、石英玻璃舟、石英玻璃坩埚等。其原材料取自SiO2纯度在99.5%以上的精制石英砂,精选优质矿石进行复杂加工而成。P291.绪论2、硅酸铝质制品半硅砖(semisilicabrick)——含氧化铝15%-30%、SiO2含量大于65%的硅酸铝质耐火材料。采用的主要原料有叶蜡石、硅质黏土、高岭土、泡沙石和白泥等。经成型、烧成而制得。高温体积稳定。体积变化较小。耐热震性优良。用于玻璃熔窑、盛钢水桶、加热炉、化铁炉、炼钢平炉蓄热室等。P301.绪论黏土砖——普通黏土砖：具有规整形状的黏土耐火材料的总称。主要化学成分为氧化铝和二氧化硅，还含有起熔剂作用的三氧化二铁、氧化钙、氧化钾、氧化钠、二氧化钛等。分为普通黏土砖、多熟料黏土砖、全生料黏土砖、高硅质黏土砖等。具有高温性能好、耐热震性较好等特性，以硬质黏土熟料(全生料黏土砖为生料)为原料、加入适量可塑性黏土，经可塑成型或半干法成型，再经烧结而成。高级黏土砖：耐火度不低于1699℃的黏土质耐火砖。有普通的、耐崩裂的、耐渣蚀的三种。P311.绪论高铝砖(high-aluminabrick)——氧化铝含量在48%以上的一种中性耐火材料。由矾土或其他氧化铝含量较高的原料经成型和煅烧而成。热稳定性高，耐火度在1770℃以上。抗渣性较好。a、耐火度——高铝砖的耐火度比粘土砖和半硅砖的耐火度都要高，达1750~1790℃，属于高级耐火材料。b、荷重软化温度——因为高铝制品中Al2O3高，杂质量少，形成易熔的玻璃体少，所以荷重软化温度比粘土砖高，但因莫来石结晶未形成网状组织，故荷重软化温度仍没有硅砖高。c、抗渣性——高铝砖中Al2O3较多，接近于中性耐火材料，能抵抗酸性渣和碱性渣的侵蚀，由