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耐火材料是耐火度不低于1500℃的無機非金屬材料，用作高溫窯爐與高溫容器等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料及高溫裝置中的元部件材料。耐火材料是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料，主要應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)、有色金屬工業(yè)、建筑材料工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)、機械工業(yè)等部門。
國民經(jīng)濟噸鋼產(chǎn)量所消耗的耐火材料公斤數(shù)稱耐火材料綜合消耗指標(biāo)。它是衡量一個國家工業(yè)水平，尤其是耐火材料質(zhì)量的重要標(biāo)志。中國1949年以后，歷年來耐火材料綜合消耗指標(biāo)變化見圖。從圖中看出，中國自1950年以來，消耗指標(biāo)有明顯的降低，但與工業(yè)先進(jìn)國家相比仍高出3～6倍，主要原因是耐火材料品種與質(zhì)螢不能完全適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的要求。冶金行業(yè)消耗耐火材料量約占總消耗量的60%～70%。工業(yè)發(fā)展的歷史證明，耐火材料的品種和質(zhì)量對冶金技術(shù)，尤其是鋼鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用，而冶煉技術(shù)的革新與進(jìn)步，又對耐火材料的更新?lián)Q代提出更高的要求。兩者互為促進(jìn)，相輔相成，共同發(fā)展。
耐火材料組織結(jié)構(gòu)對使用性能的影響 耐火材料在高溫使用過程中承受各種物理、化學(xué)作用的影響，發(fā)生熔蝕、磨損或崩裂而導(dǎo)致?lián)p毀。因此耐火材料必須具備適應(yīng)各種工作條件的性能，而性能與組成及結(jié)構(gòu)有著極為密切的關(guān)系。
化學(xué)組成是耐火材料的基本特征，主要成分則是耐火材料特征的基礎(chǔ)，因此成分和數(shù)量直接決定著耐火材料的性能。耐火材料制品同時又是礦物組成體，制品的性質(zhì)是其組成礦物和微觀結(jié)構(gòu)的綜合反映，因此不能單純從化學(xué)組成來分析對制品性能的影響。而耐火制品的礦物組成又取決于其化學(xué)組成和工藝條件。盡管化學(xué)組成相同，如果加工條件不同，所形成礦物相的種類、數(shù)量及晶態(tài)也會有差別，制品的性能亦各異。但是，必須強調(diào)指出耐火材料宏觀組織結(jié)構(gòu)也是影響使用性能的重要因素，而性能指標(biāo)又能反映出耐火材料的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。例如：表示致密程度的性質(zhì)氣孔率、體積密度、真密度；表示氣體透過難易程度的性質(zhì)——透氣度；表示熱學(xué)性能的性質(zhì)——線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、熱容及溫度傳導(dǎo)性；表示力學(xué)性能的性質(zhì)——常溫和高溫耐壓強度、高溫抗折強度、高溫扭轉(zhuǎn)強度、高溫蠕變性及彈性模量；表示高溫性能的性質(zhì)——耐火度、高溫荷重軟化溫度、高溫體積穩(wěn)定性、抗熱震性及抗渣性。因此，使用部門必須從熱工設(shè)備的特點及工藝要求出發(fā)，根據(jù)耐火材料的化學(xué)組成、礦物與微觀結(jié)構(gòu)、宏觀組織與性能指標(biāo)進(jìn)行精心選擇，以達(dá)到預(yù)期的使用效果。
爐窯用耐火材料 主要介紹冶金行業(yè)爐窯所用的耐火材料。
焦?fàn)t發(fā)展的趨勢是擴大炭化室容積及減薄燃燒室和炭化室之間的隔墻，以縮短結(jié)焦時間并提高生產(chǎn)能力。焦?fàn)t的爐頂、燃燒室、炭化室、斜道區(qū)及蓄熱室主要采用硅磚，其余部分使用粘土磚，爐頭部分則采用高鋁磚。砌筑現(xiàn)代化大型焦?fàn)t要求采用高強度、高密度低膨脹硅磚，以強化爐體結(jié)構(gòu)并提高爐墻的導(dǎo)熱效果。高爐及熱風(fēng)爐 高爐日趨大型化，并采用高壓爐頂、高風(fēng)溫、綜合噴吹以及微機控制等新技術(shù)強化冶煉，因而耐火材料使用條件極為苛刻。高爐爐喉、爐身一般采用粘土磚或高鋁磚，爐腰和爐腹采用莫來石磚、剛玉磚及鉻剛玉磚等。20世紀(jì)70年代開始使用氮化硅結(jié)合的碳化硅磚等特殊耐火材料。爐缸大多采用碳磚、微孔與超微孔碳磚，以及陶瓷耐火材料與碳磚的復(fù)合材料砌筑。
熱風(fēng)爐用耐火材料的選擇主要取決于熱風(fēng)溫度，當(dāng)風(fēng)溫低于900℃，普遍采用粘土磚；風(fēng)溫900～1000℃時，高溫部位的襯磚與格子磚則選用高鋁磚、莫來石磚或硅線石磚；風(fēng)溫高于1100℃，必須選用低蠕變性的高鋁磚、莫來石磚、硅磚及堇青石磚作為襯磚及格子磚。
鐵水預(yù)處理設(shè)施 鐵水預(yù)處理是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)不銹鋼和低磷鋼，提高轉(zhuǎn)爐精煉效率的重要措施。鐵水在脫硅、脫磷及脫硫過程中，由于熔劑的作用，爐渣堿度從0.5波動至3.0以上，對容器的內(nèi)襯產(chǎn)生嚴(yán)重的侵蝕。鐵水預(yù)處理容器渣線部位用不燒Al2O3-Si2-C磚砌筑，渣線以下則采用不同檔次的Al2O3-Si2-C磚。氧氣轉(zhuǎn)爐 轉(zhuǎn)爐的發(fā)展方向為大型化、高溫化及頂?shù)讖?fù)吹化。由于爐身各部位使用條件的差異，爐襯侵蝕速度極不均一。故選用不同品種與質(zhì)量的襯磚綜合砌筑。爐口、爐帽、爐身裝料側(cè)、渣線、耳軸部位、出鋼口及爐底風(fēng)口部位等易損區(qū)主要采用鎂碳磚、鎂白云石碳磚，其它部位及爐底風(fēng)口部位等易損區(qū)主要采用鎂碳磚、鎂白云磚及燒成油浸鎂白云石磚等。
電爐 電爐發(fā)展的方向為高功率和超高功率電爐及直流電弧爐。前者的特點是單位時間內(nèi)輸入的熱能大幅度增加，熔化時間顯著縮短，對耐火材料的要求更加苛刻。后者則具有節(jié)約電能與石墨電極消耗低等經(jīng)濟效益。爐頂由硅磚改用Al2O3為75％～85％的高鋁磚、直接結(jié)合鎂磚、鎂鉻磚及鎂碳磚。作為薄弱環(huán)節(jié)的爐墻渣線區(qū)和熱點部位主要選用熔鑄鎂鉻磚、直接結(jié)合或再結(jié)合鎂鉻磚及鎂碳磚。熔池堤坡上部的渣線部位多采用與爐墻熱點部位相同或類似的磚，爐底以燒結(jié)良好的鎂砂或電熔鎂砂搗打制成。直流電弧爐由于增加了底電極，爐底結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所用材質(zhì)相同，但對導(dǎo)電性能有一定要求，壽命也相應(yīng)低些。
半成品
半成品
平爐 平爐已逐漸被氧氣轉(zhuǎn)爐取代。中國仍保留了部分平爐。自采用氧氣頂吹操作后，強化了冶煉強度，爐襯損毀較快。爐頂已從過去采用硅磚，改為鎂鋁磚，鎂鉻磚及方鎂石一鎂鋁鉻復(fù)合尖晶石磚。爐底工作層為電熔鎂砂燒結(jié)層，堤坡全部采用鎂磚。沉渣室頂用高鋁磚或鎂鋁磚砌筑，蓄熱室下部格子磚采用粘土磚，中、上部則用高鋁磚，上部也有使用鎂橄欖石磚的。
爐外精煉爐 爐外精煉技術(shù)的采用是生產(chǎn)潔凈鋼、提高初煉爐效率及保證連鑄順行的重要手段。迄今i耐用于工業(yè)生產(chǎn)的爐外精煉方法雖多達(dá)數(shù)十種，但脫氣、排除雜質(zhì)、調(diào)整成分與調(diào)節(jié)溫度等精煉操作大多在盛鋼桶中完成。精煉裝置用耐火材料在高溫、真空及爐渣堿度與鋼液中氧氣濃度變化大的環(huán)境下，并經(jīng)受熱震蕩及鋼液與爐渣的沖刷與侵蝕，因而對其質(zhì)量要求極為嚴(yán)格。根據(jù)精煉工藝及應(yīng)用部位的不同，最常用的有鎂碳磚、鎂白云石碳磚、直接結(jié)合鎂磚、鎂鉻磚、電熔再結(jié)合鎂鉻磚及熔鑄鎂鉻磚等。鋼纖維增強高鋁澆注料、低水泥澆注料及無水泥低水分澆注料等亦開始應(yīng)用。(見爐外精煉用耐火材料)
鑄鋼設(shè)備 連鑄中間罐主要使用硅質(zhì)或鎂質(zhì)絕熱板作內(nèi)襯，罐內(nèi)安裝的過濾器主要為氧化鈣質(zhì)、氧化鋯質(zhì)、氧化鋁質(zhì)或氧化鋯一氧化鋁質(zhì)耐火材料。整體塞棒主要采用鋁碳質(zhì)材料，滑動水口現(xiàn)采用鋁碳質(zhì)、莫來石質(zhì)、剛玉質(zhì)、鉻剛玉質(zhì)與鋁碳質(zhì)滑板。長水口則采用熔融石英及鋁碳質(zhì)材料，亦有采用氧化鋁氧化鋯質(zhì)復(fù)合材料的，浸入式水口現(xiàn)主要采用鋁碳及鋁碳鋯碳質(zhì)復(fù)合材料。定徑水口主要用鋯英石質(zhì)或鋯質(zhì)材料。水平連鑄用分離環(huán)從主要選用單一的氮化物進(jìn)而采用氮化硅～氮化硼與賽隆氮化硼等復(fù)合材料。盛鋼桶用耐火材料，由于多爐連鑄和冶煉潔凈鋼的需要，盛鋼桶容積不斷擴大，鋼水溫度提高，盛鋼時間延長及對鋼水吹氬等綜合因素的影響，耐火材料使用條件日益苛刻。發(fā)展趨勢之一是渣線和其它易損蝕部位采用鎂白云石碳磚、鋁鎂尖晶石磚、鎂鉻磚、鎂碳磚和鎂鋁碳磚等。另一趨勢是內(nèi)襯整體化，采用鎂鋯質(zhì)等澆注料以模型芯振動法成型。(見鑄錠用耐火材料，連續(xù)鑄鋼用耐火材料)
加熱爐、均熱爐與熱處理爐 此類爐子操作溫度除均熱爐在液態(tài)排渣時可達(dá)1500℃外，一般均不超過1400C。但爐底和爐墻根部常受熔融氧化鐵皮渣的侵蝕，損毀較為嚴(yán)重，加熱爐爐底工作層用磚從高鋁磚或鎂磚改用電熔莫來石磚或剛玉磚。其余部位采用的耐火材料除粘土磚、高鋁磚外，還使用高鋁水泥或磷酸鹽耐火澆注料預(yù)制塊，高鋁碳化硅澆注料。爐內(nèi)滑道低溫區(qū)采用耐熱鑄鋼與高鋁一碳化硅座磚，高溫區(qū)則采用棕剛玉一碳化硅座磚。此外，為了節(jié)約能源還大量使用耐火纖維，漂珠磚等隔熱材料。(見加熱爐用耐火材料、均熱爐用耐火材料、熱處理爐用耐火材料)
有色金屬冶煉爐 有色金屬種類繁多，冶煉方法不一，熔體熔化溫度低，流動性好，排渣量大，但物料焙燒與金屬冶煉爐的溫度不高。對耐火材料有特定的要求，耐火材料耗量約占總用量的5％～8％。20世紀(jì)80年代以來，有色金屬工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，迅速發(fā)展了閃速熔煉、富氧吹煉及閃速焙燒等新技術(shù)，對耐火材料性能的要求愈來愈苛刻，尤其是爐體的關(guān)鍵部位要求更為嚴(yán)格。除使用粘土磚、硅磚及高鋁磚外，高強度不定形耐火材料與耐火纖維制品，碳質(zhì)與碳化硅制品以及直接結(jié)合鎂鉻磚與熔鑄鎂鉻磚等等，均已在不同領(lǐng)域中應(yīng)用。(見煉銅爐用耐火材料、煉鋅爐用耐火材料、煉鉛爐用耐火材料、煉鎳爐用耐火材料、煉鋁用耐火材料)
耐火材料應(yīng)用的特點 隨著工業(yè)的發(fā)展，耐火材料應(yīng)用范圍不斷擴大，耐火材料功能日益顯著，耐火材料單耗大幅度下降。耐火材料應(yīng)用范圍不斷擴大隨著冶煉技術(shù)的發(fā)展，耐火材料的品種與質(zhì)量發(fā)生重大變化。從氧化物和硅酸鹽為主演變?yōu)橐匝趸?、非氧化物和石墨?fù)合為主(含以非氧化物為主)。如高爐爐身用氮化硅結(jié)合的碳化硅制品逐步取代高鋁磚和剛玉制品。鎂碳磚與鎂白云石碳磚已廣泛應(yīng)用于氧氣轉(zhuǎn)爐、電爐，并擴大至爐外精煉裝置與盛鋼桶。碳結(jié)合制品，如鋁碳質(zhì)、鋯碳質(zhì)、鋁鋯碳質(zhì)等制品已成為連鑄用耐火材料的主要制品。氧化鋁一碳化硅一碳質(zhì)制品已成功地用于砌筑鐵水預(yù)處理裝置上。熔鑄鎂鉻磚、燒結(jié)鎂鉻磚及碳化硅磚等在有色金屬冶煉領(lǐng)域中得到充分的應(yīng)用。
氧化物制品如氧化鎂、氧化鋁、氧化鉻及氧化鋯等也隨著使用要求的提高得到了發(fā)展，其中也包括相應(yīng)的不定形材料與隔熱耐火制品。
制品品種、質(zhì)量的改進(jìn)與提高，原料也從以天然為主演變到以天然精選和人工合成并用。加工工藝更加嚴(yán)格遵循精料、精配、精混、高壓、高溫、精整與采用復(fù)合技術(shù)及引用微米級超細(xì)粉配料等原則。通過調(diào)節(jié)控制顯微結(jié)構(gòu)特征，改善、提高高溫性能，優(yōu)化力學(xué)性能，抗熱震性能和抗侵蝕性能，并借無損檢測手段，嚴(yán)格控制質(zhì)量。
不定形耐火材料應(yīng)用范圍從低、中溫領(lǐng)域向高溫領(lǐng)域逐步擴大，不定形耐火材料作為新型筑爐材料，具有生產(chǎn)周期短、節(jié)省生產(chǎn)能耗、施工簡便、使用過程中整體性強及綜合使用效果好等優(yōu)點，已受到日益廣泛的重視，有進(jìn)一步取代某些燒成制品的趨勢。其中澆注料由于低水泥、超低水泥和無水泥耐火澆注料的相繼開發(fā)以及人工合成原料與電熔原料的采用，品種不斷擴大，質(zhì)量明顯提高，其用量約占不定形耐火材料總用量的50％。不定形耐火材料應(yīng)用的范圍已從低中溫領(lǐng)域向高溫領(lǐng)域，由氣氛爐向接觸金屬熔液的熔煉爐發(fā)展。如燒結(jié)機的點火爐和保溫爐采用高鋁可塑料作為內(nèi)襯，壽命已超過磚砌內(nèi)襯。高爐出鐵溝采用剛玉、碳化硅等高級合成原料配制的澆注料內(nèi)襯，經(jīng)連續(xù)修補，通鐵量可達(dá)50～100萬t，滿足了高爐強化冶煉的要求。又如，水冷及爐底出鋼電爐，在每噸鋼消耗5～6kg耐火材料中，不定形料占4～5kg。采用優(yōu)質(zhì)原料澆注振動成型的整體化盛鋼桶內(nèi)襯已成為構(gòu)筑桶襯的發(fā)展方向。連鑄用不定形耐火材料品種增加，部位日益擴大，如鎂鉻質(zhì)涂料用作中間罐工作層，超低水泥結(jié)合的致密高強澆注料制成的凈化鋼水的擋渣堰板等均取得了成功。爐外精煉方面以鋼纖維補強的高純鋁鎂質(zhì)澆注料成功地應(yīng)用于CAS浸漬管；以電熔超高鋁水泥結(jié)合的剛玉質(zhì)澆注料用作RH的吸管內(nèi)襯等均取得滿意的效果。加熱爐從采用高鋁水泥結(jié)合的澆注料、可塑料，改進(jìn)為粘土結(jié)合澆注料。使用壽命顯著超過粘土磚。
