耐火材料概要

1、耐火材料概要1鋼鐵行業(yè)和耐火材料本篇將詳細(xì)說明鋼鐵行業(yè)和耐火材料之間的密切關(guān)系及兩者的歷史經(jīng)過，從圖11示出的鋼鐵聯(lián)合企 業(yè)的工藝流程圖中可以一目了然。也就是說，除去下面工藝流程的一部分，大部分的鋼鐵制造工藝是在 5002000C的高溫下進(jìn)行的，作為其設(shè)備構(gòu)件，耐火材料是不可缺少的材料。這里所指的耐火材料在鋼鐵 生產(chǎn)中，是以比例狀態(tài)計(jì)算消耗的情況多，因此，通常耐火材料是以每噸鋼消耗耐火材料多少千克作為指 標(biāo)來比較其使用量的多少。同時(shí)，以爐子內(nèi)襯來做比較時(shí)，是以其爐子壽命（至大修為止的加熱次數(shù)，爐子 的操作時(shí)間，盛裝過的鋼水量）作為其衡量指標(biāo)的。表11為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)耐火材料單位消耗的實(shí)際例子。鋼

2、鐵產(chǎn)業(yè)與耐火材料緊密相關(guān)的另一個(gè)側(cè)面是由于新型耐火材料的出現(xiàn)，鋼鐵工藝技術(shù)得bRT業(yè)化的 事實(shí)。其典型的實(shí)例是通過焦油白云石內(nèi)襯托馬斯轉(zhuǎn)爐（堿性底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼）法和通過氧化鋯水口使得鋼水 的連續(xù)鑄鋼得以實(shí)用化，反之也是同樣的。Renn法等一些熔融還原工藝以及Kaldo法、Rotor法等CO 燃燒方式的新型煉鋼方法，由于主要的耐火材料消耗高的原因而沒有得到普及。耐火材料為高溫處理爐的構(gòu)件，在每噸鋼超過100ks消耗的戰(zhàn)前年代中，鋼鐵廠建立耐火材料工廠， 采用一種原料的使用，生產(chǎn)必要的耐火材料，當(dāng)時(shí)，歐洲國家及日本也采取了這種方式。鋼鐵廠所使用的耐火材料，其大部分是由于某種形狀損耗而在渣中變質(zhì)被消耗

3、掉，在實(shí)際生產(chǎn)中它殘 存于爐內(nèi)待修理時(shí)廢棄，或是一部分回收再利用。圖1-2是通過金屬平衡推定的實(shí)例，從資源再利用的角 度，可以說其狀態(tài)還需進(jìn)一步改善。表J4前鐵聯(lián)合企業(yè)每噸鋼消舞的陶火材耕設(shè)指嘵鋸消髭耐火豺料比率施 出鐵肉0.711.151;.轉(zhuǎn)爐1.7!2()鋼包2.2425連鋅1.1513其他L卯以合計(jì) 3.931002耐火材料的定義、分類、稱呼耐火材料的定義，過去是以耐火度（SK26以上）和熔點(diǎn)（1600C以上）而定的，最近是以高溫下能夠使 用的材料進(jìn)行定義的。但是，“耐火性”之中存在著不燃燒。（fire-proof）和耐高溫 （hiRhtemperatureresistant，refr

4、actory）兩種意義，而耐火材料為后者，有必要和建筑性耐火材料等 區(qū)分開來。耐火材料（耐火性物質(zhì)）中最多采用的是氧化物類物質(zhì)（A1203、MgO等）。除此之外，還有碳化物類（SiC 等）、氮化物類（Si3N4、BN等），也有W、Mo等金屬類的耐火性物質(zhì)。通常來講，耐火材料的使用物質(zhì) 是以氧化物為中心，換句話說是高溫?zé)o機(jī)材料。特別是鋼鐵行業(yè)所使用的耐火材料，由于使用條件（大部分 是氧化氣氛）和經(jīng)濟(jì)性的原因，其大部分是氧化物。近年來，可以看到含有碳化物類的耐火材料，可以預(yù)測， 隨著時(shí)代的發(fā)展，耐火材料應(yīng)用將得到變化和發(fā)展。耐火材料的分類方法一般采用（A）成分和（B）形態(tài)兩種形式，（A）中大致分為

5、酸性、中性、堿性、非氧 化物類物質(zhì)，（B）中大致分為耐火磚等定型（shapedrefractories）和可鑄性等不定形物質(zhì)，最近又進(jìn)一步 增加了纖維類的分類。表1-2、表1-3為具體實(shí)例。1-2按照耐火材料的第構(gòu)成肯分類類成 全石蜘靖石中性慎化怡尖明喊性與上述分類方法相關(guān)，耐火材料的命名、稱呼也有各種方法。特別是按照成分進(jìn)行分類的方法中，通 過古代以來傳統(tǒng)使用的原料進(jìn)行分類的方法和通過耐火材料的成分（化學(xué)組成或礦物組成）進(jìn)行分類，這兩 種方法并用，要注意這一點(diǎn)，不要混淆其概念。比如，稱之為黏土磚的耐火材料，以黏土代表性的礦物質(zhì) 高嶺石，其組成式（Al2O32SiO22H2O）為原料燒結(jié)而成。

6、因此，黏土磚中高嶺石巳經(jīng)不存在了，而 轉(zhuǎn)變成Al2O3SiO2類的耐火磚。以MgO為主要成分的耐火材料稱為氧化鎂耐火材料，也有稱之為鎂質(zhì)耐火材料的。這是菱鎂礦（Mg2CO3）作為主要原料的時(shí)代而產(chǎn)生的稱謂方法，見表14。1片垂名秘:陣；并翼化物CTi疇嶙化姓Al/l, Sil? C MsO-C,機(jī)化腮鼓化亦歇表f-3按瓣闈火材料的材料形態(tài)酒分 類宴 頃影 笑賣宥s. . 匚 ; 發(fā)狹冠化陪京口免熱掩不泡*材料泉技 噴吹H料 僥注斛財(cái)I料, . f 1- - . : - : . . . -腎鄒.枚化福符雄.志1-4同火材料的名稱主蟲M煎料偵禰.峭族:苕樸或晶修拳卻成.y物新旅.鹿.廟二柜化非，驟

7、被刷思-3耐火材料的原料條件和原料資源大部分耐火材料在鋼鐵行業(yè)中作為工業(yè)用設(shè)備構(gòu)件使用。因此，必須具備下列要點(diǎn)：在使用條件下，具有工業(yè)使用的特性。具有使用經(jīng)濟(jì)、可靠性、安全性的特點(diǎn)。具有可以在設(shè)備上進(jìn)行施工、改補(bǔ)的技術(shù)。對(duì)成品(鋼、氣體、半導(dǎo)體等)無污染作用。原料資源儲(chǔ)量大，能夠穩(wěn)定供給。除上述要點(diǎn)外，也要注意下面的諸要點(diǎn)：原料、制造、使用、使用后廢棄的各個(gè)過程中，不發(fā)生環(huán)境和公害問題。制造過程(包括原料制造)節(jié)省能源。設(shè)備上施工、拆卸的操作可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。由于在耐火材料原料選擇的各個(gè)階段必須考慮以上各個(gè)要點(diǎn)，因此，可以說大部分要點(diǎn)內(nèi)容是從原料 資源開始限定的。表15為地球表面元素貯存百分量的

8、統(tǒng)計(jì)表，貯藏量在前20位的元素可以制造大部分 工業(yè)用耐火材料。魅3-4k蒼虛分耐火材粹堆與化學(xué)也成礦W爆成鮮理石質(zhì)扁我化帶質(zhì)葉尚和Mt5住-心為籍土近筑猊就.覽聲姓再:白話#恁耐火材料的分類方法之一是主原料和副原料的分類方法，主原料主要針對(duì)于構(gòu)成結(jié)構(gòu)成分的主體而言， 使用微量或是少量微量副原料，實(shí)現(xiàn)制造上的特定性的物質(zhì)。副原料為代表性物質(zhì)是結(jié)合劑(有機(jī)高分子黏 合劑、水硬性水泥類等)，燒結(jié)加速劑、轉(zhuǎn)移控制劑、膠體控制劑(分散劑等)、防氧化劑(碳化類耐火材料 用等)。同時(shí)也可以用天然原料和合成(人工)原料的方法進(jìn)行分類。在通常的耐火材料制造工藝過程中，如后 面所述，化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的變化極小，換言

9、之，耐火材料的化學(xué)組成是由原料選擇時(shí)決定的，因此，天然 原料的純度被限定時(shí)，一般向合成原料的方法轉(zhuǎn)移。例如，高純度氧化鎂質(zhì)(MgO)原料由海水氧化鎂(由海 水合成)中獲得。在工業(yè)生產(chǎn)中難以從天然中找到的原料一般使用合成原料，如多鋁紅柱石(3A12O3 - 2SiO2)、尖晶石(MgOA12O3)、穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2-CaO)、碳化硅(SiC)等。同時(shí)也可以 從結(jié)晶粒度等組織特性上使用合成原料，例如，MgO(方鎂石)粗結(jié)晶粒的原料使用的是電鑄氧化物，戰(zhàn)后 耐火材料技術(shù)中的一個(gè)傾向是其合成原料的比重顯著增大，在一部分人當(dāng)中出現(xiàn)了重新評(píng)估天然原料傾向。 大部分天然原料是水合物(黏土礦物質(zhì)等)，碳

10、酸鹽(菱鎂礦，白云石等)，作為耐火材料的原料，使用的是 這些物質(zhì)煅燒后的原料，它們是以天然原料而進(jìn)行分類的。關(guān)于主要的耐火材料，要說明以下幾個(gè)要點(diǎn)：二氧化硅(SiO2)類耐火材料。硅磚(在焦?fàn)t、熱風(fēng)爐、氣體溶解爐中使用)主原料的石英巖(主要構(gòu) 成礦物質(zhì)：石英)為代表性的原料，日本具有過渡性良好的優(yōu)質(zhì)石英巖(例如，紅白石英巖)的礦藏。半導(dǎo)體 單晶硅拉伸裝置中使用的石英管(石英玻璃管)是超高級(jí)水晶或是合成石英。氧化鋁(A12O3)類耐火材料。天然原料是硬水鋁石(從A12O3 - H2O)和鋁土礦(A12O3 - mH2O, m = 13)，高純度的原料是以鋁土礦為原料，多采用濕式提純氧化鋁法制成氧

11、化鋁(y A12O3,a 一 A12O3)，通過電熔處理而進(jìn)一步得到a A12O3。硅酸鋁類耐火材料(A12O3SiO2)。天然原料高氧化鋁類礦物質(zhì)當(dāng)中有硅線石、藍(lán)晶石、紅柱石(都 是A12O3 S1O2)；中氧化鋁類礦物質(zhì)中有高嶺石(A12O3 2SiO2 2H2O)為代表成分的黏土類礦物質(zhì)， 或者是經(jīng)煅燒后而得到的熟料物質(zhì)；低氧化鋁類礦物質(zhì)中有葉蠟石(主要礦物質(zhì)：葉蠟石、A12O3 4SiO2)。 高氧化鋁合成原料多使用莫來石(3A12O3 - 2SiO2)。鋯石(ZnO2SiO2)和氧化鋯。鋯石全部使用天然原料，氧化鋯是以鋯石為原料，使用為防止CaO 等相變而添加了穩(wěn)定劑的氧化鋯是一種合

12、成原料。銘鐵礦。天然出產(chǎn)的氧化銘鐵礦不是純粹的銘鐵礦(FeOCr2O3)，而是可以由(Fe，Mg)O(Cr、 Al、Fe)2O3表示的銘鐵類尖晶石的固溶體。通常使用的耐火材料為Cr2O330%35%、A12O3和MgO 含量高的物質(zhì)，最近，為適應(yīng)其特點(diǎn)，冶金、化學(xué)也使用這些物質(zhì)，作為伴隨礦物的蛇紋石(3MgO - 2SiO2 2H2O)等硅酸鹽物質(zhì)對(duì)其特性有一定影響。尖晶石類耐火材料。這幾年日本開始大量使用尖晶石這種原料，它是由氧化鎂和氧化鋁合成的，尖 晶石結(jié)合氧化鋁(A12O3 MgO A12O3)也是作為此系統(tǒng)的原料通過合成而得到的。氧化鎂類耐火材料。它是天然菱鎂礦(M8CO3)經(jīng)過煅燒以

13、及通過濕法工藝，從海水中沉淀分離氧 化鎂經(jīng)煅燒得到的物質(zhì)，大部分高純度氧化鎂原料屬于上述后面一類。同時(shí)也使用經(jīng)電熔處理工藝使MgO 晶粒粗大化的電解氧化鎂。（8）炭素類耐火材料。根據(jù)各工藝用途，分別使用焦粉、人造石墨、天然石墨等，特別是鱗片狀石墨， 它是氧化鋁和氧化鎂等氧化物和復(fù)合工藝上的重要物質(zhì)。（9）非氧化物類耐火材料。使用最多的物質(zhì)是通過人工石墨制造法，以石英砂和焦炭經(jīng)高溫電化學(xué)合成 的（SiC）。最近開始使用氮化硅（Si3N4）、氮化硼（BN）、Si-Al-O-N等。以上大部分主要原料，日本依靠從國外進(jìn)口，而且，大部分物質(zhì)出產(chǎn)于特定的國家，這一點(diǎn)要十分清 楚。4耐火材料的制造工藝無論是

14、定型還是不定形耐火材料，其開始的主要原料都是使用粉體、并根據(jù)其產(chǎn)品形態(tài)通過一定工藝 制造而得。其共同的重要工藝是粉體處理。定型耐火材料中的成型工藝、燒結(jié)型定型耐火料（燒結(jié)耐火磚等） 中的燒結(jié)工藝是十分重要的。耐火材料制造工藝中所使用的設(shè)備、裝置要適應(yīng)于各工藝條件。耐火材料的原料（合成產(chǎn)品）制造工藝和耐火材料成品相比是多樣的、具有代表性的工藝是類似于水泥 制造的高溫粉體處理工藝。燒結(jié)磚的制造工藝流程如圖13所示，不燒結(jié)磚和不定形耐火材料的制造工藝是此工藝的簡略化。5耐火材料的各種特性和試驗(yàn)方法把耐火材料作為固體材料考慮的情況下，其材料特性大致可分為物理特性和化學(xué)特性，現(xiàn)實(shí)當(dāng)中耐火 材料的各種特性

15、并不是單純的，因此，按基礎(chǔ)特性（群）和應(yīng)用特性（群）進(jìn)行分類的方法更實(shí)際些。所謂基礎(chǔ)特性，正如其文字意義一樣，為耐火材料基本的材料特性，這種特性是與耐火材料的形態(tài)或 是用途無關(guān)的特性。例如，組織的致密性、結(jié)構(gòu)成分、高溫下的強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)性等特性。應(yīng)用特性是和耐火材料的用途相關(guān)的重要特性，例如，CO氣體的氣氛下使用時(shí)的耐凹性，長時(shí)間高 溫負(fù)荷下使用時(shí)的耐高溫蠕變特性，應(yīng)用特性多與上述的基本特性緊密相關(guān)，從基本特性可以推斷出應(yīng)用 特性。例如，在溫度變化強(qiáng)烈的環(huán)境當(dāng)中，耐熱沖擊性（耐剝落）為重要的應(yīng)用特性，由基礎(chǔ)特性的拉伸強(qiáng) 度、彈性率、線膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)率等推定的方法被廣泛利用。表16是主要特性分為

16、基本特性的一覽表。根據(jù)其用途，應(yīng)用特性可以舉出多種例子，特別是還未 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用特性是多種多樣的。上述的各種特性歸根到底是耐火材料成品（商品）的特性，在實(shí)際的 制造工藝過程中，特性在生產(chǎn)管理上是必不可少的，這些特性是從原始的品質(zhì)特性（成分、粒度）到成形產(chǎn) 品的強(qiáng)度或是燒結(jié)收縮率。另外，作為耐火材料特性之一的成品形狀尺寸精度和平滑度等指標(biāo)在一些情況 下至為重要。有關(guān)這一方面，這里省略說明。對(duì)于屬于基本特性的產(chǎn)品，耐火材料的試驗(yàn)方法，其大部分巳標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)格化。有關(guān)應(yīng)用特性使用頻 率高的成品，以標(biāo)準(zhǔn)化或是相近的形式使其具有普遍性。耐火材料的試驗(yàn)方法隨著時(shí)代的發(fā)展發(fā)生著變化， 正如正文所論述的那樣

17、，對(duì)于技術(shù)發(fā)展的歷史也是具有很大意義的?，F(xiàn)在使用的耐火材料的試驗(yàn)方法，大致分為以下幾點(diǎn)：（1）制造過程中的生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理的試驗(yàn)（包含原料分析、缺陷檢驗(yàn)等）。（2）成品基本特性、應(yīng)用特性的試驗(yàn)。（3）成品的模擬模型試驗(yàn)（Simulatetest）。（4）通過在實(shí)際爐子內(nèi)對(duì)成品進(jìn)行試用的試驗(yàn)。有關(guān)耐火材料的質(zhì)量規(guī)格，各國政府以及民間組織就此巳經(jīng)開展了制定和修改的工作，關(guān)于這方面將 進(jìn)行論述。最近，對(duì)于耐火材料和質(zhì)量規(guī)格的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO的整合正是一大好時(shí)機(jī)。6爐體設(shè)計(jì)和耐火材料的施工、修補(bǔ)耐火材料使用于爐內(nèi)（或是其他各種高溫處理設(shè)備），其使用順序，首先是爐體的設(shè)計(jì)先行，此過程中 決定了耐火材料必須使用的種類、形狀、尺寸等，施工方法的基本條件也是通過設(shè)計(jì)階段大體決定的，一 般認(rèn)為設(shè)計(jì)階段決定耐火材料使用效果的一半以上，但是，受施工條件、爐子操作條件（使用條件）的影響， 特別是爐子操作條件和當(dāng)