簡介

耐火材料是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料，它與高溫技術(shù)尤其是高溫冶煉工業(yè)的發(fā)展有密切關(guān)系，相互依存，互為促進(jìn)，共同發(fā)展。在一定條件下，耐火材料的質(zhì)量品種對高溫技術(shù)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用。

一百多年來鋼鐵冶煉發(fā)展過程中，每一次重大演變都有賴于耐火材料新品種的開發(fā)。堿性氧氣轉(zhuǎn)爐成功的關(guān)鍵之一是由于開發(fā)了白云石耐火材料；護(hù)爐成功的一個(gè)重要因素是生產(chǎn)了具有高荷重軟化溫度的硅磚；耐急冷急熱的鎂鉻磚的發(fā)明促進(jìn)了全堿性平爐的發(fā)展。近年來，鋼鐵冶煉新技術(shù)，如大型高爐、高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐、復(fù)吹氧氣轉(zhuǎn)爐、鐵水預(yù)處理和爐外精煉、連續(xù)鑄鋼等，都無例外地有賴于優(yōu)質(zhì)高效耐火材料的開發(fā)。另外，耐火材料在節(jié)能方面也作出了重要貢獻(xiàn)，如各種優(yōu)質(zhì)隔熱耐火材料、陶瓷換熱器，無水冷滑軌、陶瓷噴射管和高溫涂料等的開發(fā)，都對高溫技術(shù)的節(jié)能起了重要作用。現(xiàn)代冶煉技術(shù)的發(fā)展和節(jié)約能源的形勢，既對耐火材料提出了更嚴(yán)格的要求，又必須借助于新品種優(yōu)質(zhì)耐火材料的成功及發(fā)展。

       我國耐火原料資源豐富，品種多，儲量大，品位高。高鋁礬土和菱鎂礦蘊(yùn)藏量大，品質(zhì)優(yōu)良，世界著名；耐火粘土、硅石、白云石和石墨等儲量多，分布廣，品質(zhì)好；葉蠟石、硅線石、橄欖石和鋯英石等儲量也多；隔熱耐火材料用各種原料，各地都有儲藏。另外，我國漫長的海岸線和內(nèi)陸湖泊均蘊(yùn)藏有大量的鎂質(zhì)原料資源。近年來，在提高耐火原料質(zhì)量和人工合成原料方面，又取得了較為顯著的成就。我國有發(fā)展各種優(yōu)質(zhì)耐火材料資源的優(yōu)勢。

       我國還有生產(chǎn)耐火材料的悠久歷史。新中國以來，隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平的提高，為了適應(yīng)金屬冶煉和其他高溫技術(shù)工業(yè)的需求，我國耐火材料工業(yè)有重大的發(fā)展。新建了許多優(yōu)質(zhì)耐火材料生產(chǎn)廠和有關(guān)機(jī)構(gòu)；開發(fā)出許多優(yōu)質(zhì)耐火材料新品種，保證并促進(jìn)了各項(xiàng)高溫技術(shù)和整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

       一、 耐火材料的定義

耐火材料是指耐火度不低于1580℃的材料。一般是指主要由無機(jī)非金屬材料構(gòu)成的材料和制品。而耐火度是指材料在高溫作用下達(dá)到特定軟化程度時(shí)的溫度，它標(biāo)志材料抵抗高溫作用的性能。

耐火度所表示的意義與熔點(diǎn)不同。熔點(diǎn)是結(jié)晶體的液相與固相處于平衡時(shí)的溫度。耐火度是多相體系達(dá)到某一特定軟化程度的溫度。對絕大多數(shù)普通耐火材料而言，都是多相非均質(zhì)材料，無一定熔點(diǎn)，其開始出現(xiàn)液相到完全熔化是一個(gè)漸變過程，在高溫下相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，固液相并存。故欲表征這種材料在高溫下的軟化和熔融的特征，只能以耐火度來度量。

耐火度不是一種物質(zhì)所特有的絕對物理量，是材料在特定試驗(yàn)條件下測定的達(dá)到特定軟化程度時(shí)的相對技術(shù)指標(biāo)。將試驗(yàn)物料按規(guī)定方法做成截頭三角錐（簡稱試錐），與在特定升溫速度下具有固定彎倒溫度的標(biāo)準(zhǔn)截頭三角高溫錐（簡稱標(biāo)準(zhǔn)錐），共同在既定升溫速度和一定氣氛條件下加熱，以試錐的彎倒程度與標(biāo)準(zhǔn)錐彎倒程度相當(dāng)?shù)膶Ρ确椒?，測定耐火度。角錐可能發(fā)生的彎倒情況如圖1所示。我國通用的標(biāo)準(zhǔn)錐以WZ和錐體彎倒溫度的十分之一標(biāo)之。如試錐與WZ171號標(biāo)準(zhǔn)錐同時(shí)彎倒，則試樣的耐火度為1710℃。

圖1 耐火試錐彎倒情況

    耐火度是評定耐火材料的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，但是不能作為制品使用溫度的上限。對由單相多晶體構(gòu)成的耐火材料，其耐火度一般低于晶體的熔點(diǎn)。但是，有些耐火材料，如當(dāng)形成的液相粘度很高時(shí)，其耐火度也可高于熔點(diǎn)。一些常用耐火材料原料和制品的耐火度如下：

結(jié)晶硅石1730～1770℃      高鋁磚＞1770～2000℃         硅磚 1690～1730℃      

鎂磚＞2000℃                     硬質(zhì)粘土1750～1770℃         白云石磚＞2000 9C

粘土磚1610～1750 ℃

       二、 耐火材料的分類

耐火材料品種繁多，用途廣泛，其分類方法多種多樣，常用的有以下幾種。

       1. 按化學(xué)礦物組成分類

耐火材料按化學(xué)礦物組成可分為8類：硅質(zhì)制品、硅酸鋁質(zhì)制品、鎂質(zhì)制品、白云石質(zhì)制品、鉻質(zhì)制品、碳質(zhì)制品、鋯質(zhì)制品、特殊制品。

       2. 按化學(xué)特性分類

耐火材料按化學(xué)特性可分為酸性耐火材料、中性耐火材料和堿性耐火材料3類。

(1) 酸性耐火材料

酸性耐火材料是以二氧化硅為主要成分的耐火材料，主要指硅磚和鋯英石磚。酸性耐火材料能耐酸性熔渣侵蝕。

(2) 中性耐火材料

中性耐火材料主要是指以三氧化二鋁、三氧化二鉻和碳為主要成分的耐火材料，如剛玉磚、高鋁磚、碳磚等。其特性是對酸性渣和堿性渣都具有抗蝕能力。

(3) 堿性耐火材料

堿性耐火材料主要是指以氧化鎂、氧化鈣為主要成分的耐火材料，包括鎂磚、鎂鋁磚、鎂鉻磚、白云石磚等。堿性耐火材料對堿性渣有較強(qiáng)的抗侵蝕能力。

       3. 按耐火度分類

耐火材料按耐火度可分為3類：

普通耐火材料，耐火度為1580～1770℃；

高級耐火材料，耐火度為1770～2000℃；

特級耐火材料，耐火度高于2000 ℃。

       4. 按成型工藝分類

耐火材料按成型工藝可分為6類：天然巖石、泥漿澆注成型耐火材料、可塑成型耐火材料、半干成型耐火材料、搗打（包括機(jī)械搗打與人工搗打）成型耐火材料和熔鑄制品。

       5. 按燒制方法分類

耐火材料按燒制方法可分為3類：不燒磚、燒制磚和不定形耐火材料。

       6. 按氣孔率分類

耐火材料按氣孔率可分為7類：

特致密制品，顯氣孔率低于3%；

高致密制品，顯氣孔率為3%～10%；

致密制品，顯氣孔率為10%～16%；

燒結(jié)制品，顯氣孔率為16%～20 %；

普通制品，顯氣孔率為20%～30%；

輕質(zhì)制品，顯氣孔率為45%～85 %；

超級輕質(zhì)制品，顯氣孔率高于85 %。

      7. 按形狀和尺寸分類

耐火材料按形狀和尺寸可分為5類：標(biāo)型制品、普型制品、異型制品、特型制品和超特型制品。

      8. 根據(jù)不定形耐火材料和不燒制品的結(jié)合劑分類

根據(jù)不定形耐火材料和不燒制品的結(jié)合劑分為：

（1）水化結(jié)合劑（普通鋁酸鹽水泥、純鋁酸鈣水泥等）與水作用而凝結(jié)與硬化的制品；

（2）化學(xué)結(jié)合劑（磷酸鹽、硫酸鋁、水玻璃、有機(jī)硅等）與摻和料的物理化學(xué)反應(yīng)而凝固；

（3）凝聚結(jié)合劑（耐火粘土、膨潤土、二氧化硅微粉等）由于凝聚過程而凝固；

（4）有機(jī)結(jié)合劑（焦油、瀝青、膠水等）由于聚合、縮聚和焦化而硬化；

       9. 不定形耐火材料按使用類型分類

不定形耐火材料按使用類型分為：

（1）耐火澆注料：一般以澆注或澆注搗實(shí)的方法施工的不定形耐火材料。

（2）耐火噴涂料：利用氣動工具，以機(jī)械噴射方法施工的不定形耐火材料。

（3）耐火噴補(bǔ)料：利用噴射方法施工修補(bǔ)熱工設(shè)備內(nèi)襯的不定形耐火材料。

（4）耐火搗打料：以強(qiáng)力搗打方法施工的不定形耐火材料。

（5）耐火可塑料：泥料呈泥坯狀或不規(guī)則團(tuán)塊，在一定時(shí)間內(nèi)保持較好的可塑狀態(tài)，一般采用風(fēng)動工具搗打施工的不定形耐火材料。

（6）耐火壓注料：泥料呈膏狀或泥漿狀，用擠壓泵將料強(qiáng)力壓入的方法施工的不定形耐火材料。

（7）耐火投射料：利用投射機(jī)進(jìn)行投射施工的不定形耐火材料。

（8）耐火涂抹料：用手工或風(fēng)動機(jī)涂抹或噴涂施工的不定形耐火材料。

（9）自流澆注料：無需振動即可流動和脫氣的可澆注的不定形耐火材料。

（10）干式振動料：不加水或液體結(jié)合劑而用振動方法成型的不定形耐火材料。

（11）耐火泥漿：也稱接縫料，用抹刀或類似的工具施工的不定形耐火材料。

此外，耐火材料還可按用途劃分為高爐用耐火材料、電爐用耐火材料、轉(zhuǎn)爐用耐火材料、連鑄用耐火材料、玻璃窯用耐火材料、水泥窯用耐火材料，等等。

由于冶金和其它高溫技術(shù)不斷進(jìn)步，必然擴(kuò)大耐火材料品種和開發(fā)新產(chǎn)品。例如美國近年研究出的新材料占耐火總產(chǎn)量的25%。在耐火材料中，不定形耐火材料將逐漸占領(lǐng)主要地位。耐火纖維也同樣蓬勃發(fā)展，現(xiàn)在僅硅酸鋁纖維就能生產(chǎn)出氈、布、板、紙等50多種耐火制品。鋼的爐外精煉，真空處理，氣體吹煉，連續(xù)鑄鋼及其它新技術(shù)也在擴(kuò)大耐火材料的規(guī)格和品種。

三、耐火材料的化學(xué)礦物組成

耐火材料的化學(xué)組成是它的基本特征。一種耐火材料在一定條件下能否形成某種物相，為何出現(xiàn)此種物相，并具有某些特定性質(zhì)，以及如何從本質(zhì)上改變材料的某些特定性質(zhì)，都首先取決于其化學(xué)組成。所以，為了掌握耐火材料的本質(zhì)必須對其化學(xué)組成有全面的認(rèn)識。根據(jù)耐火材料中各種化學(xué)成分的含量和其作用，通常將其分為主成分、雜質(zhì)成分和外加成分三類。

耐火材料中的主成分是構(gòu)成耐火原料的主體，它的性質(zhì)與數(shù)量直接決定著耐火原料的質(zhì)量。主要成分可以是高熔點(diǎn)的氧化物，如氧化鋁（Al2O3）、氧化硅（SiO2）、氧化鎂（MgO）等；或者是復(fù)合氧化物，如莫來石（Al2O3·SiO2）、鎂鋁尖晶石（MgO·Al2O3）等；也可以是某些單質(zhì)和非氧化物，如碳和石墨（C）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）等。

       耐火材料的雜質(zhì)成分是指由于天然原料純度有限而被帶入或生產(chǎn)加工過程中混入的對耐火原料性能具有不良影響的少量成分。一般來說，K2O、Na2O、FeO或Fe2O3都是耐火原料中的有害雜質(zhì)成分。堿性耐火原料（RO為主成分）中的酸性氧化物（RO2）及酸性耐火原料中的堿性氧化物都被視為雜質(zhì)成分。雜質(zhì)成分在高溫下具有強(qiáng)烈的熔劑作用，他們之間相互作用或與主成分作用，使得共熔液相生成溫度降低或者液相量增加，從而降低原料的耐火性能。

在耐火原料研究與生產(chǎn)中，為了促進(jìn)其高溫物相變化和降低燒結(jié)溫度或擴(kuò)大燒結(jié)溫度范圍，有時(shí)添加少量其它成分。按其作用不同通常有礦化劑、穩(wěn)定劑、燒結(jié)劑等。它們的加入量很少，但卻能明顯地降低原料的生產(chǎn)成本或改善耐火材料的性能。

在評價(jià)耐火原料的質(zhì)量時(shí)，單從化學(xué)組成考察是不全面的，應(yīng)進(jìn)一步觀察其礦物組成。耐火原料的礦物組成取決于它的化學(xué)組成與生成條件（天然原料）或工藝條件（人工合成原料）?；瘜W(xué)組成完全相同的原料，由于其生成條件的不同，所形成的礦物種類、數(shù)量、結(jié)晶狀況可以完全不同，其性能差異也較大。例如，化學(xué)組成都是Al2O3·SiO2，Al2O362.93 % , SiO237.07%的藍(lán)晶石族礦物，由于生成時(shí)的地質(zhì)條件不同，則有藍(lán)晶石、硅線石與紅柱石三個(gè)同質(zhì)多象變體，其結(jié)構(gòu)、密度、高溫膨脹性等完全不同。即使是礦物的組成相同時(shí)，其礦物的結(jié)晶大小、形狀和分布的不同，也會對耐火材料的性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響。

如前所述，耐火材料根據(jù)化學(xué)礦物組成分為8類，該8類的耐火材料的化學(xué)礦物組成如表1所示。

表1 耐火材料的化學(xué)礦物組成

分類	類別	主要化學(xué)成分	主要礦物成分
硅質(zhì)制品	硅磚 石英玻璃	SiO2  SiO2	鮮石英、方石英、石英玻璃
硅酸鋁質(zhì)制品	半硅磚 粘土磚 高鋁磚	SiO2, Al2O3 SiO2, A l2O3  SiO2, A l2O3	莫來石、方石英 莫來石、方石英 莫來石、剛玉
鎂質(zhì)制品	鎂磚（方鎂石磚）  鎂鋁磚 鎂鉻磚 鎂橄欖石磚 鎂硅磚 鎂鈣磚 鎂白云石磚 鎂碳磚	MgO MgO, A l2O3 MgO, Cr2O3 MgO, SiO2 MgO, SiO2   MgO, CaO MgO, CaO MgO, C	方鎂石 方鎂石、鎂銘尖晶石方鎂石、鉻尖晶石 鎂橄欖石、方鎂石 方鎂石、鎂橄欖石 方鎂石、硅酸二鈣 方鎂石、氧化鈣 方鎂石、無定形碳（或石墨）
白云石質(zhì)制品	白云石磚	CaO, MgO	氧化鈣、方鎂石
鉻質(zhì)制品	鉻磚 鉻鎂磚	Cr2O3, FeO Cr2O3, MgO	鉻鐵獷 鉻尖晶石、方鎂石
碳質(zhì)制品	碳磚 石墨制品   碳化硅制品	C C SiC	無定形碳（石墨） 石墨 碳化硅
鋯質(zhì)制品	鋯英石磚	ZrO2、SiO2	鋯英石
特殊制品	氧化物制品	A l2O3, ZrO2 CaO, MgO	剛玉，高溫型ZrO2 氧化鈣、方鎂石
	非氧化物制品	碳化物（如TiC） 氮化物（如BN、Si3N4） 硅化物（如MoSi2） 硼化物（如ZrB2）
	金屬陶瓷等

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