耐火材料在冶金中的應(yīng)用探討

朱曉晨 吳晗

摘 要：簡(jiǎn)要介紹耐火材料的性質(zhì)及分類，探討耐火材料在冶金行業(yè)的廣泛應(yīng)用，分析不同材料在冶金中的優(yōu)良表現(xiàn)，推測(cè)耐火材料的發(fā)展方向，為日后耐火材料的發(fā)展應(yīng)用提供一些參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：耐火材料;冶金;應(yīng)用

在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的冶金工業(yè)中，許多環(huán)節(jié)都是在高溫下進(jìn)行，耐火材料因此成為了冶金工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的重要組成部分。耐火材料的應(yīng)用及發(fā)展與高溫工業(yè)的發(fā)展革新密切相關(guān)，是高溫技術(shù)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文對(duì)耐火材料進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)其在冶金工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析論述。

一 耐火材料的性質(zhì)分類

（一）耐火材料的性質(zhì)

⑴物理性質(zhì)。物理性質(zhì)分為結(jié)構(gòu)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)。

①結(jié)構(gòu)性質(zhì)。結(jié)構(gòu)性質(zhì)包括吸水率、氣孔率、真密度、體積密度及透氣度。

吸水率指材料所有氣孔吸收水后的質(zhì)量與干燥時(shí)的質(zhì)量比，可判斷煅燒質(zhì)量，質(zhì)量越好，吸水率就越低。氣孔率指貫通及開(kāi)口兩種氣孔在材料體積中所占比重。真密度是多孔耐火材料與材料本身的真體積之比，可反映材料的純度高低。體積密度指材料干燥質(zhì)量與自身總體積比值，可衡量判斷材料的質(zhì)量水平。透氣度是制品在壓差情況下允許氣體通過(guò)的性能，受材料貫通氣孔的影響，透氣度越低，熱工爐窖的熱損失就越低，材料質(zhì)量越好。

②力學(xué)性質(zhì)。力學(xué)性質(zhì)包括抗折強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度、耐磨性及高溫蠕變性。

抗折強(qiáng)度指三維一定的材料所能承受的壓力極限。耐壓強(qiáng)度指材料在一定溫度下單位面積所能承受的荷載極限?？拐劭箟憾挤殖睾透邷貎煞N強(qiáng)度。耐磨性指材料對(duì)堅(jiān)硬物體及氣流的沖刷、摩擦的抵抗能力，由組織結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度密度等性質(zhì)決定。高溫蠕變性指材料在恒定高溫下隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的等溫形變。

③熱學(xué)性質(zhì)。熱學(xué)性質(zhì)包括熱容、熱膨脹、熱導(dǎo)率及溫度傳導(dǎo)性。

熱容指材料在溫度每上升1K時(shí)所吸收的熱量。熱膨脹指材料體積隨溫度升高而變大的現(xiàn)象，反映抗熱震穩(wěn)定性等。熱導(dǎo)率指材料在單位溫度梯度下單位面積的熱流速率，反映導(dǎo)熱性。溫度傳導(dǎo)性指材料的溫度傳遞能力。

⑵使用性質(zhì)。使用性質(zhì)分為耐火度、荷重軟化溫度與高溫蠕變以及高溫體積穩(wěn)定性。

（二）耐火材料的分類

耐火材料按化學(xué)性質(zhì)分類，可分為酸性、堿性、中性三種耐火材料;也可按生產(chǎn)方式分類為手工型、機(jī)壓成型、熔鑄澆注型耐火材料;還可按供貨形態(tài)劃分為定形與不定形耐火材料，區(qū)別在于在高溫條件下其特定形狀是否發(fā)生改變。

二 耐火材料在冶金中的應(yīng)用

（一）耐火材料在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用

⑴耐火材料在高爐上的應(yīng)用

作為冶煉鋼鐵的常見(jiàn)設(shè)備，高爐過(guò)去常采用磷酸高鋁質(zhì)耐火材料與高鋁水泥混合修砌而成，如今多使用樹(shù)脂結(jié)合劑與鋁碳不燒磚混合或是玉-SiC系澆注料砌筑小型及大型高爐[1]。澆注型耐火材料的使用，使高爐的使用壽命有所延長(zhǎng)，工作效率也有所提高。

⑵耐火材料在鋼包上的應(yīng)用

隨著煉鋼過(guò)程中出鋼溫度的提高以及鋼包中鋼液的存放時(shí)間變長(zhǎng)，不定形耐火材料漸漸取代了定形耐火材料的使用。鋼包采用不定形耐火材料，方便了工廠自動(dòng)化施工的進(jìn)行，節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間和勞動(dòng)力的同時(shí)降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益提高。不定形耐火材料在檢測(cè)維修也更加方便省力，且目前鋼包常采用的Al2O3澆注型耐火材料有著良好的抗腐蝕性及結(jié)構(gòu)剝落少的優(yōu)點(diǎn)，大大延長(zhǎng)了鋼包的使用壽命。

⑶耐火材料在加熱爐上的應(yīng)用

加熱爐用于鋼坯加熱，其內(nèi)溫度最高可達(dá)1400攝氏度，多由澆注型或可塑型耐火材料筑成。加熱爐的體積較大，對(duì)耐火材料的要求相對(duì)較高，要滿足施工方便、流動(dòng)性好、高溫性能好等特點(diǎn)，其性能需求遠(yuǎn)高于一般的澆注型耐火材料。大多加熱爐采用粘土與澆注型耐火材料相結(jié)合的修筑方法，使用壽命可長(zhǎng)達(dá)兩年，效果優(yōu)良。也有部分工廠采用抗侵蝕性能及耐磨性能均表現(xiàn)良好的高鋁質(zhì)超低水泥澆筑材料，發(fā)現(xiàn)其壽命大幅提高的同時(shí)還減少了耐火材料的消耗量。

⑷耐火材料在中間包上的應(yīng)用

隨著連續(xù)鑄鋼工業(yè)的快速發(fā)展，連鑄系統(tǒng)對(duì)耐火材料的材質(zhì)需求變高，主要表現(xiàn)為高級(jí)化、多樣化。連鑄系統(tǒng)中，中間包所需要的耐火材料占了整個(gè)系統(tǒng)所需耐火材料的90%左右，其壽命及質(zhì)量直接決定著連鑄系統(tǒng)所消耗的成本高低及產(chǎn)品的質(zhì)量好壞。近年來(lái)，隨著連鑄中間包的功能逐漸增加，其體積也逐漸變大，永久襯以外的工作襯也在往噴涂方向發(fā)展，開(kāi)始使用可將非金屬雜物去除的陶瓷過(guò)濾器中間包。

⑸耐火材料在熱風(fēng)爐上的應(yīng)用

熱風(fēng)爐在為高爐供給熱風(fēng)的過(guò)程中長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境，其砌筑過(guò)程中也常使用耐火材料。熱風(fēng)爐的砌筑過(guò)程中，球頂工作的施工作業(yè)難度極大，僅采用球頂轉(zhuǎn)，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的施工效果。將砌筑材料更換為不定形耐火材料混合少量磷酸鹽混凝土，并噴涂耐酸材料，可使熱風(fēng)爐內(nèi)襯形成一個(gè)整體，保證使用效果。

⑹耐火材料在其余窯上的應(yīng)用

耐火材料在煉鋼轉(zhuǎn)爐上也有著一定時(shí)間的應(yīng)用歷史[2]。MgO-C不燒磚的質(zhì)量不斷改進(jìn)并廣泛應(yīng)用于煉鋼轉(zhuǎn)爐的砌筑中，加上火焰噴補(bǔ)修補(bǔ)技術(shù)的不斷改善，電爐煉鋼的產(chǎn)鋼量在鋼鐵冶煉行業(yè)總產(chǎn)鋼量中所占的比例也在不斷的增加。

（二）耐火材料在有色冶金中的應(yīng)用

耐火材料在煉鋁、煉銅及練鋅等有色冶金生產(chǎn)中同樣應(yīng)用廣泛[3]。

在煉鋁過(guò)程中，煉鋁反射爐由以往的磚砌式結(jié)構(gòu)變?yōu)榱爽F(xiàn)在的整體結(jié)構(gòu)，許多部分都用到了耐火材料。酸鹽結(jié)合的可塑材料用于爐缸熱面直接接觸，隔熱磚、陶瓷纖維與隔熱澆注型耐火材料混合組成爐缸下部側(cè)面熱面，爐頂則采用輕質(zhì)、致密澆注料及搗打料等耐火材料混合澆筑而成。同時(shí)，電解煉鋁時(shí)，承受急熱急冷的盛鋁桶也應(yīng)使用耐火材料，工作襯選用輕質(zhì)高鋁磚與澆注料，且為了避免鋁液長(zhǎng)期放置后凝固，采用隔熱澆注材料，保證保溫效果;非工作襯則為氧化鋁空心球澆注材料。

煉銅時(shí)，為了抵抗CuO爐渣的強(qiáng)侵蝕性，粗煉爐多由堿性耐火材料筑成，如反射爐、轉(zhuǎn)爐、閃速爐等。而精煉爐其溫度相對(duì)較低，爐渣量也有所下降，對(duì)高溫及抗侵蝕性的要求降低，對(duì)耐火材料的選擇范圍也有所增大，澆注料、可塑料、噴涂料等均可用于砌筑。

煉鋅相比其他有色金屬冶煉則涉及到低溫操作，其選用的耐火材料多為優(yōu)質(zhì)粘土磚，且為了解決鋅蒸氣和含硫氣體的存在問(wèn)題，還需優(yōu)質(zhì)不滲透的耐火材料作為蒸餾爐內(nèi)襯?；剞D(zhuǎn)爐中，強(qiáng)酸堿和高溫的影響決定了其內(nèi)襯應(yīng)噴涂耐火材料，以延長(zhǎng)使用壽命。

三 結(jié)語(yǔ)

隨著冶金工業(yè)的不斷發(fā)展革新，耐火材料也在不斷滿足冶金工業(yè)的需求而不斷發(fā)展，性能提升，種類增加。在此過(guò)程中，過(guò)去常用的可塑料、搗打料及投射料因其勞動(dòng)力耗費(fèi)大、施工效率低而產(chǎn)量大大減少，而質(zhì)量更高、施工更方便的澆注料、噴補(bǔ)料明顯產(chǎn)量增加。可以推測(cè)，今后耐火材料的發(fā)展應(yīng)用方向是高效澆注料的開(kāi)發(fā);全干振動(dòng)料、噴補(bǔ)料及高性能涂料的研發(fā);噴補(bǔ)施工和修補(bǔ)的機(jī)械化、自動(dòng)化等，朝著高純度、高強(qiáng)度、高密度、高質(zhì)量的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳洋，鄧承繼，余超，等.鎂鈣碳耐火材料的研究進(jìn)展[J].中國(guó)陶瓷工業(yè)，2018， 25（2）：19-23.

[2]郭童雙，鄧承繼，祝洪喜，等.耐火材料的氣孔特性與物理性能相關(guān)性的研究進(jìn)展[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2018，39（3）：9-15.

[3]馮啟超.耐火材料性質(zhì)分類及其應(yīng)用[J].科技資訊，2018，16（3）：108-109.