淺談不定形耐火材料的應(yīng)用與發(fā)展

1、淺談不定形耐火材料的應(yīng)用與發(fā)展摘要：近年來(lái)，不定形耐火材料的發(fā)展取得了很大的成就，其在市場(chǎng)上所占的份額有超過(guò)定形制品的趨勢(shì)。本文從不定形耐火材料的組成出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹不定形耐火材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其今后的發(fā)展做了展望。關(guān)鍵詞：不定形耐火材料；組成；應(yīng)用；發(fā)展Briefly talk about the applications and development of unshaped refractoryAbstract: Great achievements has been made in the development of unshaped refractory in recent yea

2、rs, it has the trend to make more market than shaped items. This text start from the composition of unshaped refractory, briefly introduce the present situation in application. And prospect its future development.Keywords: unshaped refractory; composition; application; development1. 引言耐火材料是指耐火度不低于15

3、80的無(wú)機(jī)非金屬材料，應(yīng)用于熱工窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及高溫容器和部件的材料，并能承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化和機(jī)械強(qiáng)度。耐火材料按外觀分類可分為耐火磚和不定形耐火材料1，耐火磚具有一定的形狀，比如燒成磚、不燒磚、電熔磚（熔鑄磚）和耐火隔熱磚等；不定形耐火材料也稱為散狀料，它沒(méi)有一定的形狀，按所要求形狀施工即可，比如澆注料、搗打料、投射料、噴射料、可塑料和耐火泥等。耐火材料一般是用開然礦石，如鋁礬土、硅石、菱鎂礦等原料經(jīng)加工后制造的，稱為普通耐火材料；當(dāng)前，優(yōu)質(zhì)耐火原料和人工合成材料日趨增加，開發(fā)了高級(jí)耐火材料；采用純氧化物和難熔化合物制作的物特種耐火材料也得到了較大的發(fā)展。耐火材料主要用于冶

4、金工業(yè)，其消耗量點(diǎn)其總產(chǎn)量的60%70%。因此，耐火材料是冶金工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，具有戰(zhàn)略地位，耐火材料的發(fā)展是與冶金工業(yè)技術(shù)進(jìn)步互為依存和相互促進(jìn)的2。2不定形耐火材料的組成不定形耐火材料是由耐火骨料和粉料、結(jié)合或另?yè)酵饧觿┮砸欢ū壤M成的混合料，能直接使用或加適當(dāng)?shù)囊后w調(diào)配后使用。即該料是一種不經(jīng)煅燒的新型耐火材料，其耐火度不低于15802。因此，不定形耐火材料的組成為：耐火骨料、耐火細(xì)粉、結(jié)合劑、外加劑。2.1耐火骨料耐火骨料分為重骨料和輕骨料兩大 ，一般系指粒徑大于0.088mm的顆粒料。它是不定形耐火材料組織結(jié)構(gòu)中的主體材料，起骨架作用，決定其物理力學(xué)和高溫使用性能，也是決定材料屬性

5、及其應(yīng)用范圍的重要依據(jù)，其用量一般為60%73%。常用的耐火骨料有高鋁質(zhì)（礬土熟料，剛玉）、黏土質(zhì)（黏土熟料）、半硅質(zhì)（硅質(zhì)黏土，蠟石）、硅質(zhì)（硅石）、鎂質(zhì)（鎂砂）、和其他耐火骨料（碳化硅、鉻渣、多孔熟料、頁(yè)巖陶粒）等。2.2耐火粉料耐火粉料也稱為細(xì)粉，一般是系緊料么等于或小于0.088mm的顆粒料。它是不定形耐火材料組織結(jié)構(gòu)中的基質(zhì)材料，一般在高溫作用下起聯(lián)結(jié)或膠結(jié)耐火骨料的作用，使之獲得高溫物理力學(xué)和使用性能，用量一般為15%40%，并能直譯骨料空隙和改善施工和易性，有些耐火粉料，如黏土和超微料等還是良好的結(jié)合劑。不定形耐火材料中使用的粉料通常有SiO2微粉、Al2O3微粉和莫來(lái)石微粉、M

6、gO微粉和鎂鋁尖晶石微粉、ZrO2微粉和ZrB2/ZrC微粉、Si3N4微和SiC微粉等，常用的微粉制備方法有3：固相反應(yīng)法、沉淀法、水熱法、溶膠凝膠法、化學(xué)氣相沉積法、噴霧熱分解法、微波等離子體法等。2.3.結(jié)合劑不定形耐火材料在使用前未經(jīng)過(guò)燒結(jié)，顆粒之間無(wú)普通燒結(jié)制品所具有的那種陶瓷結(jié)合或直接結(jié)合，因此，加入結(jié)合劑可使其粘結(jié)為一個(gè)整體，并使構(gòu)筑物或制品具有一定的強(qiáng)度4。結(jié)合劑一般分為兩類：有機(jī)結(jié)合劑和無(wú)機(jī)結(jié)合劑。有機(jī)結(jié)合劑都是由有機(jī)物組成，多為暫時(shí)性結(jié)合劑，有水溶性結(jié)合劑和非水溶性結(jié)合劑之分。水溶性結(jié)合劑不與耐火材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并具有相當(dāng)?shù)谋Ｋ?，因而不?huì)使混合料的工藝生質(zhì)隨時(shí)間而波動(dòng)。

7、這些結(jié)合劑中有些是良好的表面活性物質(zhì)，具有稀釋或改善混合料可塑性作用，使施工方便。這類結(jié)合劑通常有糊精、粉狀羧甲基纖維素、粉狀及液狀木質(zhì)素磺酸類材料，聚乙酸乙烯基乳狀液等。非水溶性結(jié)合劑主要是熱塑性樹脂，常被用于顆粒易水化的制品中，常用的這類結(jié)合劑有硬瀝青類，石蠟、聚丙烯類和尿脘樹脂等。無(wú)機(jī)結(jié)合劑在不定形耐火材料中使用最為廣泛，它是在常溫下皆可起結(jié)合作用的永久性結(jié)合劑。常用的有水泥結(jié)合劑、硅酸鹽結(jié)合劑、磷酸鹽結(jié)合劑、氯化鹽結(jié)合劑和硫酸鹽結(jié)合劑等。2.4外加劑外加劑5是指不定形耐火材料中除耐火的瘠性料（粒狀和粉狀料）和耐火粘土等塑性料以及結(jié)合劑等主要原料以外，在配制過(guò)程中摻入的用以改善不定形耐火

8、材料性能的物質(zhì)。外加劑的用量均不大，一般不超過(guò)結(jié)合劑用量的5%。根據(jù)外加劑的一種或多種功能定義，并根據(jù)其主要功能命名。不定形耐火材料中常用的外加劑有減水劑、調(diào)凝劑（促凝劑、早強(qiáng)劑和緩凝劑）、加氣劑、膨脹劑、緩蝕劑。有時(shí)也用其他外加劑。3不定形耐火材料的應(yīng)用現(xiàn)狀3.1在冶金工業(yè)中的應(yīng)用耐火材料主要應(yīng)用在冶金工業(yè)，下面以鋼包永久層為例，簡(jiǎn)單介紹不定形耐火材料的使用情況。鋼包從外到內(nèi)的結(jié)構(gòu)依次為鐵殼、保溫層、永久層和工作層。久永層內(nèi)側(cè)與高溫工作層接觸，外側(cè)緊貼高鋁噴吹氈（隔熱層）及鋼質(zhì)包壁，永久層耐火材料的厚度一般為70110mm，使用時(shí)承受10001650的溫差。傳統(tǒng)工藝采用高鋁T-3磚砌筑鋼包永

9、久層，即在隔熱層(高鋁噴吹氈)外平砌或側(cè)砌一層高鋁磚，因其工藝繁瑣、維護(hù)頻繁、磚縫易滲鋼、壽命低、成本高，故已逐步被不定型耐火材料所取代，而采用了輕質(zhì)澆注料模具整體打結(jié)工藝。其工藝過(guò)程分階段進(jìn)行：（1）先安裝好座磚模具，在包底和包壁緊貼鋼殼鋪一層高鋁噴吹氈，再用攪拌均勻的輕質(zhì)澆注料打結(jié)包底永久層；（2）包底澆注料凝固后，將包壁打結(jié)模具逐次放人包內(nèi)并固定好(要求模具與周圍間隙均勻)，然后把攪拌好的輕質(zhì)澆注料注入模具與鋼外殼的間隙內(nèi)(切忌高鋁噴吹氈剝落或卷進(jìn)澆注料中)，再用振動(dòng)棒將澆注料振動(dòng)均勻、密實(shí)；（3）靜放812h，模具脫出，烘烤器烘烤12h后砌筑工作層。該工藝優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本

10、低，是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)鋼廠廣泛應(yīng)用的方法；缺點(diǎn)是仍存在座模、振動(dòng)、脫模、烘烤等繁瑣工序，砌筑工藝及材料須進(jìn)一步優(yōu)化。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，永久層若等包砌筑好后一起整體烘烤，則在干燥過(guò)程中會(huì)因永久層與工作層的形變不一致而產(chǎn)生縫隙，并導(dǎo)致“鉆鋼”6。3.2在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用水泥生產(chǎn)過(guò)程中用到耐火材料的地方主要有有回轉(zhuǎn)窯和預(yù)分解窯。下面以預(yù)分解窯為例，介紹不定形耐火材料在水泥生產(chǎn)中的使用情況。在預(yù)分解窯爐中，不定型耐火材料既要承受窯內(nèi)硫、堿、氯等有害成分的侵蝕，又要達(dá)到高強(qiáng)耐磨的要求，同時(shí)必須具備較好的熱震穩(wěn)定性。由于原燃材料各異，不同的設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的窯型不同，對(duì)于這種消耗性材料，各家企業(yè)都需選取一種最適合本窯的不定型

11、耐火材料。耐火材料的選取影響因素很多，除了價(jià)格因素外，通常需要考慮較長(zhǎng)的使用壽命；較好的保溫效果；較簡(jiǎn)易的砌筑方式和較快的砌筑速度；維修速度。耐火噴涂料在水泥廠的應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng)，但是卻越來(lái)越得到水泥廠的認(rèn)可。主要原因如下：（1）施工工期短，施工成本低，在不規(guī)則、復(fù)雜、狹小的窯爐部位，由于無(wú)需安裝模具，施工方便。（2）整體性能好，耐磨損，導(dǎo)熱系數(shù)小，節(jié)能效果好。由于施工時(shí)耐火材料的應(yīng)力點(diǎn)不同，作用力是垂直于爐窯筒體的表面，結(jié)合度與形態(tài)附合于爐體曲線，形成的襯里無(wú)空洞和氣泡現(xiàn)象，復(fù)合襯自成一體，故其整體性能好，使用壽命長(zhǎng)。（3）養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，維修速度快。養(yǎng)護(hù)時(shí)間的減少主要由噴涂耐火材料的特性決定，因

12、其含有一定比例的快干劑。此高科技產(chǎn)品的應(yīng)用，既解決了凝固及強(qiáng)度增加的速度，又能使噴涂料在升溫過(guò)程中不爆裂。本公司在幾次對(duì)窯門罩的澆注料改噴涂料搶修中，選用浙江錦誠(chéng)耐火材料公司的JC-M46高強(qiáng)莫來(lái)石噴涂料，每次均是一旦噴涂完成，關(guān)上窯門，即可點(diǎn)火升溫，而且不必考慮耐火噴涂料的養(yǎng)護(hù)和烘烤，快速升溫，符合工藝條件時(shí)，即可恢復(fù)生產(chǎn)。（4）對(duì)于窯爐的關(guān)鍵部位噴涂，噴涂厚度控制簡(jiǎn)單。例如分解爐的縮口、煙室斜坡、月亮門的噴涂施工中，以往需要對(duì)耐火材料的施工尺寸進(jìn)行反復(fù)測(cè)算，對(duì)制模要求較高，過(guò)大或者過(guò)小均會(huì)影響生產(chǎn)。由于尺寸控制不佳，以往就有很多廠家因此而返工，浪費(fèi)了大量的人力物力和時(shí)間，采用噴涂施工后，就

13、不存在此類問(wèn)題。故噴涂料在除窯口及噴煤管以外，還有很大的應(yīng)用空間7。3.3在熱電聯(lián)產(chǎn)工程中的應(yīng)用循環(huán)流化床鍋爐用耐火材料，應(yīng)具有高強(qiáng)度，耐磨性好，抗渣性好，熱穩(wěn)定性好，熱導(dǎo)率高的性能。在以前，習(xí)慣用鉻質(zhì)耐火材料，但由于國(guó)內(nèi)此高品質(zhì)的鉻礦砂資源缺乏，因而無(wú)法普遍使用，就目前用于鍋爐上的耐火材料有高溫高鋁質(zhì)、高鋁磷酸鹽、可塑料、SiC高鋁質(zhì)涂抹料及SiC搗打料。前兩種價(jià)格適宜，性能一般，使用壽命較短。而后兩種價(jià)格則稍高，但該材料性能好，壽命長(zhǎng)，使用效果也比較理想。液態(tài)排渣爐及旋風(fēng)爐不宜選用高鋁質(zhì)可塑料或者搗打料。這種材料抗渣性耐磨性差。在使用中會(huì)產(chǎn)生裂縫和剝落，其壽命也短，修補(bǔ)較頻繁。因而選用Si

14、C搗打料比較適宜，且SiC使用壽命長(zhǎng)。目前用于循環(huán)流化床鍋爐爐襯和大型鍋爐煙道集箱的耐火耐磨料主要以剛玉質(zhì)系列，SiC質(zhì)系列澆注料為主這些材料熱穩(wěn)定特性好、耐磨性好，使用效果也比較明顯，但價(jià)格稍貴。隨著耐火材料的不斷開發(fā)與發(fā)展，就目前國(guó)內(nèi)而言，耐火材料基本能滿足各種鍋爐的使用要求。但材料的正確選擇，施工性能，使用壽命及價(jià)格還有待于改進(jìn)和探討，特別是新型耐火耐磨材料更急待于研究與開發(fā)8。3.4在其他熱工窯爐中的應(yīng)用可以說(shuō)，只要有高溫的地方，就會(huì)有耐火材料的使用。不定形耐火材料在其他熱工窯爐中的使用也非常方范，比如氣體懸浮焙燒爐（GSC）、蓄熱式加熱爐等。氣體懸浮焙燒爐是以旋風(fēng)筒為主體的大型熱爐窯

15、，它除了有對(duì)耐火材料要求不太高的低溫旋風(fēng)筒外，還有三個(gè)中溫旋風(fēng)筒，兩個(gè)高溫旋風(fēng)筒，而其工藝特點(diǎn)決定了對(duì)耐火材料有以下要求：(1)耐火度要高：根據(jù)主爐溫度高的特點(diǎn)，要求耐火材料在1200時(shí)具有不易熔化的特點(diǎn)，所選擇耐火材料的耐火度必須達(dá)到1400以上，才能在帶負(fù)荷時(shí)滿足GSC要求；(2)高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要大：GSC主要由直徑大小不同的圓柱形帶錐體旋風(fēng)筒組成，內(nèi)襯既受砌筑體的荷重力也受熱應(yīng)力的作用，因此要求內(nèi)村材料有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(即抗壓強(qiáng)度)和抗蠕變能力；(3)熱震穩(wěn)定性要好：GSC在操作過(guò)程中，由于負(fù)荷的頻繁變化或由于煤氣中斷、物料供應(yīng)不上和其他機(jī)械故障而導(dǎo)致緊急停爐，造成溫度迅速降低并引起各旋風(fēng)

16、筒溫度分布不均勻，內(nèi)襯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力而導(dǎo)致破裂和剝落。因此，內(nèi)襯材料應(yīng)具有抵抗這種破損的能力；(4)高溫體積穩(wěn)定性要好：GSC在長(zhǎng)期高溫運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)襯會(huì)產(chǎn)生收縮或膨脹，造成損壞。這就要求內(nèi)襯材料燒成后線變化率要小；(5)耐磨損能力要強(qiáng)：GSC各旋風(fēng)筒氣流速度高達(dá)420m/s，氣體攜帶的物料AI(OH)3都是粉狀磨料，易造成對(duì)內(nèi)村的沖刷，引起內(nèi)襯剝藩，因而GSC內(nèi)襯必須有較強(qiáng)的抗沖刷耐磨能力。一般認(rèn)為耐火砌筑體密度越大，耐磨性能越好；(6)外型尺寸規(guī)整，公差要?。汗饣膬?nèi)襯表面不僅有利于GSC氣體流動(dòng)，減小壓力損失，而且可以減小旋風(fēng)筒內(nèi)氣流對(duì)內(nèi)襯的沖刷9。4不定形耐火材料的發(fā)展展望不定形耐火

17、材料作為耐火材料工業(yè)的一個(gè)重要分支，因其產(chǎn)品不可比擬的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越得到人們的重視?？v觀數(shù)十年來(lái)不定形耐火材料的發(fā)展歷程心。，總結(jié)不定形耐火材料今后的發(fā)展趨勢(shì)和方向如下10：(1)更多使用人工合成原料?？赡芤爰{米材料，以改善材料的流變性能，從而提高施工性能和使用性能。(2)粒度級(jí)配方面更關(guān)注于理論計(jì)算，逐漸取代單靠經(jīng)驗(yàn)配料的方法，而且將關(guān)注所用原料的顆粒形態(tài)。(3)開發(fā)各種特殊使用要求的添加劑。(4)不定形耐火材料的功能化、制品化，將開發(fā)更多、更復(fù)雜的預(yù)制件材料。(5)開發(fā)多功能化、機(jī)器人施工機(jī)具，向省工、省時(shí)、省力、簡(jiǎn)便的施工工藝發(fā)展。(6)快速烘烤技術(shù)的研究，使構(gòu)筑好的襯體可快速烘烤，甚至不

18、烘烤而直接使用。(7)新的試驗(yàn)方法和產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。(8)氧化物和非氧化物的復(fù)合材料，碳化硅、氮化硅、各種形式的碳等將在不定形耐火材料中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用11。參考文獻(xiàn)：1.王維邦.耐火材料工藝學(xué)M.冶金工業(yè)出版社，1994，第2版2.韓行祿.不定形耐火材料M.冶金工業(yè)出版社，2003，第2版3.黃朝暉，吳小賢，劉艷改等.微粉在不定形耐火材料中的應(yīng)用與展望J.中國(guó)粉體工業(yè)，2009，21274.向濤.鋁溶膠的制備及其在剛玉質(zhì)澆注料中的應(yīng)用研究D.武漢科技大學(xué)，20085.李再耕.不定形耐火材料的制備技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)走向J.洛陽(yáng)工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002，12（1）：1461546.付玄升，姬建營(yíng).不定形耐火材料在