这些年来, 随着高温工业的不断推进, 如铁水预处理、高炉长寿、高风温热风炉、炉外精炼和连续铸造等系列新工艺新技术的不断发展和广泛应用,对耐火材料的性能提出了更高要求, 对耐火材料的研究也提出了挑战。耐火材料是钢铁、水泥、玻璃、动力以及许多其他高温操作工业的重要材料;其中以钢铁工业所使用的量为最大。在使用过程中, 耐火材料会受到各种作用而产生破坏, 比如:高温下承受物料及炉体的重量, 操作过程中外界应力,液体金属、杂质的侵蚀, 高温流体及烟气的冲刷, 环境气氛的转化及作用等等。这些作用会导致耐火材料熔融软化、溶蚀磨损等损坏。为保证高温设备的正常工作, 必须要求耐火材料具有抵抗高温条件下机械、物理、化学等作用的能力, 能适应多种操作条件的性质。即要求耐火财力具备优良的耐高温性能, 一定的高温力学性能, 良好的稳定性和抗各种气体液体固体侵蚀的性能。本文将主要论述耐火材料的组成、结构、性能、种类和应用。 耐火材料是一种由多种不同的化学组成与矿物组成所构成的非均质体。耐火材料的化学组成由主副两种成分组成, 主成分往往是高熔点的耐火氧化物及复合氧化物或者非氧化物的一种或几种。主成分是耐火材料的主体, 其性质与数量对耐火材料性能起着决定性作用。副成分主要是指那些添加成分, 是为了弥补主成分在性能上的不足而使用的。 耐火材料的矿物组成分为主晶相和基质两类。主晶相指构成材料结构的主体并且熔点较高的晶相, 其性质和数量直接决定耐火财力的性能。基质指在耐火材料主晶相间填充的结晶矿物和玻璃相, 它对材料的某些性能也有着决定性的影响。 耐火材料的结构分为宏观结构和微观结构。宏观结构指气孔的大小、分布和性质, 微结构指各相的大小、含量、形态和分布。其中宏观结构包括气孔率、吸水率、透气度和体积密度。气孔是影响耐火材料常温和高温性能的重要因素, 尤其是在高温下会降低材料抵抗外界侵蚀的能力。吸水率反应耐火材料中开口气孔数量。体积密度指耐火材料的干燥质量与总体积之比。透气度则表明耐火材料允许气体在一定压差下通过的性能。 耐火材料性能是多种变量的最终结果, 这些变量包括混合料化学成分 (主要、次要和微量成分) 、原料、粒度、显微结构、温度等。 耐火材料的力学性能指材料在多种条件作用下强度等力学性能, 包括耐压强度、抗折强度、耐磨性、高温蠕变性等性能, 表征材料抵抗由外力导致的各种应力变形而不产生破坏的能力。 耐火材料通常在高温下使用, 故其热学性质是其各种性质中很重要的方面, 包括热容、热膨胀性及导热性, 一般要求耐火材料具备较大的热容, 较低的热膨胀性, 较好的导热性, 以避免材料在高温下使用时发生体积变化、破裂等损坏。 耐火材料要求具有很好的使用性能, 如耐火度、高温体积稳定性、荷重软化温度、抗热震性、抗渣性、抗氧化性和抗水化能力等。 耐火材料种类繁多, 应用广泛。自使用以来, 已陆续研制出使用于各种条件下的耐火材料。另一方面, 高温工业的发展, 进一步促进了耐火材料的研究与使用。
3.1 铝硅系耐火材料
主要由Al2O3和SiO2组成的耐火材料。广泛于冶金、石油化工、机械制造、动力及轻工业等领域所用热工设备内衬结构材料。
是化学性质呈碱性的耐火材料, 一般指以氧化镁、氧化镁与氧化钙或氧化钙为主要成分的耐火材料。其主要用于玻璃和水泥工业用炉、有色金属冶炼炉和碱性炼钢炉等热工设备中。 由碳或碳的化合物制成的, 以含不同形态的碳为主要组分的耐火制品。广泛应用于电炉、转炉、高炉铁水预处理、连续铸钢及炉外精炼等领域。 以氧化锆、锆英石为主要原料的耐火材料, 具有较高的熔融温度, 耐熔体、炉渣和液体的侵蚀, 化学稳定性好, 良好的热震性能。 非氧化物多为难熔化合物, 包括金属难熔化合物、非金属难熔化合物、金属间互相结合的金属化合物。非氧化物兼具多种不同的性能, 熔点高、硬度大、较高的导热性和导电性、化学稳定性好。 指气孔率高, 体积密度小具有隔热性能, 对热可起屏蔽作用的材料;除了主要用在高于环境温度条件下防止热的流出损失外, 还用于低于环境温度的条件下以防止热的流入。 由骨料、细粉和结合剂混合而成的耐火材料, 无固定外形, 呈松散状或浆状、泥膏状。其生产工艺简单且周期短, 节约能源, 使用性能好, 广泛应用于冶金、机械、能源、化工、建筑等工业的各种窑炉和热工设备中。 耐火材料是高温工业必备材料, 是高温窑炉及热工设备的结构材料和元部件材料, 是发展石油化工、钢铁、有色金属、机械、电力、建筑等工业的基础材料。尤其是冶金工业对耐火材料使用很多。根据市场销售人员的评估, 世界耐火材料产量的70%以上被冶金企业所消耗, 冶金设备用耐火材料除了生产量大之外,还具有品种和相组成繁多、用途广泛等特点。一百多年来, 在钢铁发展过程中, 每一次重大进展都有赖于耐火材料的研究和新品种的开发。目前, 耐火材料已几乎应用于世界各行各业, 对其生产发展都起着至关重要的作用, 有些甚至起着决定性作用。耐火材料的使用关系到生产过程能否顺利进行, 还在生产成本中占有重要比重。因此, 无论从技术角度还是经济角度考虑, 正确选择以及合理使用耐火材料, 都将具有重要意义。
耐火材料的发展有着悠久的历史。耐火材料作为高温技术的基础材料, 其与高温技术尤其是高温冶炼工业的发展关系密切, 相互融合, 相互依存, 相互促进, 共同发展。一定条件下, 耐火材料的质量和性能对高温工业的发展起着关键性作用。随着能源消耗的急剧增长, 供需矛盾的日益紧张, 工业窑炉节能已成为生产发展的一个关键环节, 耐火材料的发展也必须满足节能的要求。新形势下, 研究开发新型优质的耐火材料, 对国家经济军事航空发展, 人民生活水平提高都显得尤为重要。
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