有關(guān)冶金行業(yè)中不定型耐火材料的應(yīng)用與發(fā)展探析

高巖

（福建三鋼冶金建設(shè)有限公司，福建 三明 365000）

0 引言

隨著冶煉技術(shù)和鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，冶金用耐火材料在技術(shù)方面也實(shí)現(xiàn)了全新變革，擺脫了對(duì)天然原料和原始制品群等的高度依賴，逐步走向了以人工合成材料為主的精細(xì)產(chǎn)品。不定型耐火材料因便于機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)且可通過(guò)修補(bǔ)來(lái)延長(zhǎng)使用壽命，相比定型耐火材料而言優(yōu)勢(shì)明顯，已經(jīng)逐步成為了冶金工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)要素，在海外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，其冶金行業(yè)的不定型耐火材料使用率高達(dá)50%以上。目前，世界諸國(guó)在新一代不定型耐火材料的研究上不斷深入，極大地促進(jìn)了整個(gè)冶金工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本文在此分析和探究不定型耐火材料在冶金行業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展具有一定意義。

1 不定型耐火材料定義及其特點(diǎn)

不定型耐火材料也稱之為散狀耐火材料（Bulk Refract ories），它由骨料、細(xì)粉、結(jié)合劑以及外加劑按一定比例混合而成，不定形狀、不經(jīng)燒制，可供直接使用的新型耐火材料。通常骨料為大于0.088mm的顆粒物，構(gòu)成整個(gè)不定型耐火材料的骨架，用量占比60%～73%，包括粗骨料（＞5mm）、細(xì)骨料（＜5mm）；細(xì)粉為小于0.088mm顆粒，是整個(gè)材料中的基質(zhì)部分，起高溫下聯(lián)結(jié)或膠結(jié)耐火骨料的作用，占比15%～40%；結(jié)合劑在一定條件下，通過(guò)水合、化學(xué)、聚合、凝聚等作用使伴合物獲得強(qiáng)度；外加劑是強(qiáng)化結(jié)合劑作用和提高基質(zhì)性能的材料，包括有促凝劑、緩凝劑、減水劑、抑制劑、快干劑等[1]。

相比定型耐火材料，不定型耐火材料沒(méi)有復(fù)雜的燒成工序，制作所需的原材料易于獲得、價(jià)格低廉、制作工藝簡(jiǎn)單；可塑性非常強(qiáng)，不定型耐火材料的耐火度和化學(xué)穩(wěn)定性可以達(dá)到同類耐火磚的水平，便于預(yù)制成塊，在冶煉生產(chǎn)中易于生成各種復(fù)雜形狀的制品，而且利于筑爐施工機(jī)械化；使用也較為方便，可以直接使用或調(diào)配后使用。但由于其在低溫環(huán)境下耗時(shí)長(zhǎng)，中溫強(qiáng)度較低，高溫長(zhǎng)期使用易剝落等缺點(diǎn)，所以對(duì)使用時(shí)的烘烤技術(shù)要求較高。同時(shí)它的體積穩(wěn)定性不夠好、氣孔率較高、耐腐蝕能力一般、質(zhì)量上也可能出現(xiàn)波動(dòng)，雖然便于使用，可是使用后拆卸不太方便，現(xiàn)場(chǎng)須配備專用施工設(shè)備等。

2 不定型耐火材料在冶金行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

作為當(dāng)今冶金工業(yè)中的主要耐火材料，不定型耐火材料具有自身獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 較高的耐火度

耐火材料的基本屬性是高溫下不軟化和形變，不同的耐火材料其荷重軟化的溫度條件也不相同，為保證熱工設(shè)備在最高使用溫度下其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不被破壞，維持較長(zhǎng)使用壽命，必須選擇耐火度高于熱工設(shè)備最高溫度的材料。高溫窯爐是冶金工業(yè)中的常用設(shè)備，冶煉作業(yè)中對(duì)高溫窯爐的內(nèi)襯耐火度有很高要求，不定型耐火材料的耐火度一般在1500℃以上，這就可以很好地滿足高爐的使用工況要求，可以延長(zhǎng)其使用壽命，也可以提升冶煉制品性能。

2.2 較小的能耗量

一般的定型耐火材料都需要經(jīng)過(guò)特殊的燒成工藝進(jìn)行處理，這個(gè)燒成過(guò)程非常復(fù)雜且需要消耗大量的能源，帶來(lái)較大生產(chǎn)成本。不定型耐火材料的最大優(yōu)勢(shì)在于省去了燒成環(huán)節(jié)，可以避免大量的能源浪費(fèi)，在同樣工況下其能源耗費(fèi)比傳統(tǒng)的耐火磚平均低15～20倍左右，可以實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性，也是現(xiàn)代冶金行業(yè)廣泛選用的重要原因。

2.3 較高的冶金效率

去除了燒成環(huán)節(jié)的不定型耐火材料，不僅可以很好地降低能源資源消耗量，而且也簡(jiǎn)化了冶煉工藝流程，可以極大地節(jié)省冶煉時(shí)間，提高冶金生產(chǎn)效率。從生產(chǎn)操作實(shí)踐來(lái)看，使用不定型耐火材料一般要比耐火磚的生產(chǎn)效率高3～5倍。

2.4 較優(yōu)的完整性

由于不定形耐火材料的體積比普通耐火材料要小得多，因而更容易進(jìn)行運(yùn)輸，滿足大批量轉(zhuǎn)運(yùn)的條件，可降低運(yùn)輸成本。此外，不定型耐火材料極強(qiáng)的可塑性可以被構(gòu)筑成任意造型，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，凝結(jié)性能較強(qiáng)，使用不定型耐火材料的高溫窯爐爐襯是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，如此以來(lái)在冶煉過(guò)程中不易受到高溫破壞，這樣就能大大使高高溫窯爐的使用壽命，一般可比傳統(tǒng)耐火磚提高30%～150%，而且由于其整體性的原因，高溫爐的密封性能也比可定性耐火材料要好很多，從而在整體上降低能源消耗。

3 不定型耐火材料在冶金行業(yè)中的具體應(yīng)用

3.1 高爐上的不定型耐火材料應(yīng)用

作為冶金工業(yè)中的一種重要設(shè)備，傳統(tǒng)高爐以鋼板作爐殼，殼內(nèi)砌耐火磚內(nèi)襯，一般采用高鋁水泥、磷酸高鋁質(zhì)耐火材料澆注料預(yù)制塊吊裝砌筑，現(xiàn)代高爐主要使用樹脂結(jié)合劑鋁碳不燒磚來(lái)砌筑。大型高爐的水冷壁采用SiC澆注料，爐底墊層及周邊磚縫使用氮化硅材料填充，爐墻使用澆注料耐火材料已經(jīng)成為行業(yè)的普遍特征，可以實(shí)現(xiàn)較好效果，比如日本福山鋼管廠2號(hào)高爐上使用的Al2O3材料，連續(xù)6年都未見大面積剝落現(xiàn)象。當(dāng)前，Al2O3-SiC-C（ASC）質(zhì)和莫來(lái)石SiC-C質(zhì)是國(guó)內(nèi)外高爐出鐵溝上普遍使用的不定型耐火材料[2]。日本高爐多采用“ASC”澆注料，西方工業(yè)強(qiáng)國(guó)一般SiC-C質(zhì)搗打料，我們國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)以SiC鋼玉為主。

3.2 鋼包上的不定型耐火材料應(yīng)用

鋼包用耐火材料因出鋼溫度的升高以及鋼包中鋼液存留時(shí)間的延長(zhǎng)，原來(lái)使用的定型耐火材料開始逐漸被不定型耐火材料代替?；阡摪牟欢ㄐ翁卣?，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，有助于提高產(chǎn)能和生產(chǎn)效益。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示，鋼包側(cè)墻的不定型，可以節(jié)省約40%的維修工時(shí)；當(dāng)鋼包完全采用不定形時(shí)，省力效果可達(dá)70%及以上[3]。目前很多鋼鐵企業(yè)的鋼包都采用Al2O3-尖晶石澆注料作為耐火材料，這種材料具有較好的抗腐蝕性能，高溫下結(jié)構(gòu)影響小，可延長(zhǎng)熱工設(shè)備的使用壽命長(zhǎng)。但其使用性能仍會(huì)受出鋼溫度和鋼水停留時(shí)間的影響，為解決這一技術(shù)難題，先后誕生了日本研發(fā)的Al2O3-MgO澆注料，鋁鎂碳質(zhì)耐火澆注料及鎂質(zhì)耐火材料，這些新材料的強(qiáng)度和抗?jié)B透性都得到較大提升，在鋼包上的使用效果也更好。

3.3 加熱爐上的不定型耐火材料應(yīng)用

加熱爐用于高溫加熱鋼坯，因最高溫度高達(dá)1400℃左右，其爐頂和爐襯可使用澆注料或可塑料來(lái)構(gòu)筑[4]。一般大型步進(jìn)式加熱爐的內(nèi)襯可以采用可塑性耐火材料來(lái)制作，平均使用壽命可達(dá)到12～15年左右，而高速線材車間的步進(jìn)式加熱爐，由于爐體較大，耐火度要求較高，可以采用粘土結(jié)構(gòu)澆注料，該材料不僅便于機(jī)械施工，而且脫模后無(wú)蜂窩狀，具有良好的流動(dòng)性，可很好地滿足熱工設(shè)備的作業(yè)環(huán)境要求。

4 冶金行業(yè)中不定型耐火材料的發(fā)展趨勢(shì)

不定形耐火材料在整個(gè)耐火材料中所占的比例，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家耐火材料行業(yè)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。當(dāng)今世界工業(yè)強(qiáng)國(guó)都對(duì)新型不定型耐火材料的研發(fā)工作高度重視，推動(dòng)著冶金行業(yè)耐火材料朝著高性能澆注料、全干振動(dòng)料以及火焰噴補(bǔ)料等方向發(fā)展，表明不定型耐火材料在未來(lái)市場(chǎng)具有更廣闊的應(yīng)用前景。

4.1 材質(zhì)發(fā)展方向

首先，以往的不定型耐火制品主要選用中性、酸性氧化物等材料，制成的不定型耐火材料的耐熱和抗腐蝕性能已經(jīng)無(wú)法滿足更高要求的冶金工藝，而以堿性氧化物材料、氧化物與非氧化物復(fù)合材料為主的不定型耐火材料可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，這也是當(dāng)前的冶金用不定型耐火材料的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。比如以高檔氧化鋁纖維和耐火填料為主要成分的料漿狀涂抹料，擁有更強(qiáng)的抗風(fēng)蝕性能、耐高溫性能、防開裂性能及抗燒蝕性和抗堿化學(xué)侵蝕性等；最高可抗80m/s的熱氣流，可耐1700℃高溫，且高溫環(huán)境下長(zhǎng)期使用無(wú)裂紋；可熱修補(bǔ)，使用時(shí)無(wú)需降溫，適合大面積噴涂[5]。

其次，現(xiàn)代不定型耐火制品更多地運(yùn)用到了優(yōu)質(zhì)的人工合成耐火材質(zhì)。目前，不定型耐火材料也逐步由單一耐火澆注料發(fā)展為耐火壓注料，并在可塑料、搗打料、投射料等傳統(tǒng)類型上出現(xiàn)澆注料、噴補(bǔ)料等新型材料。如以優(yōu)質(zhì)輕骨料、耐火粉料、結(jié)合劑、外加劑配制而成輕質(zhì)澆注料，具有更低的導(dǎo)熱系數(shù)，更強(qiáng)的保溫性，更好的抗熱震性，可廣泛用于工業(yè)窯爐和熱工設(shè)備的保溫部位。耐火材料的不斷研發(fā)創(chuàng)新，進(jìn)一步提高了冶金作業(yè)效率和工業(yè)經(jīng)濟(jì)性。

4.2 結(jié)合方式發(fā)展方向

不定型耐火材料通常是由連續(xù)結(jié)合相和不連續(xù)集料相共同構(gòu)成，因集料相顆粒的強(qiáng)度相比結(jié)合相更大，所以結(jié)合相是影響不定型耐火材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵要素，直接體現(xiàn)為結(jié)合劑的性能。首先，冶金工業(yè)中不定型耐火材料的結(jié)合方式，經(jīng)歷了從水和結(jié)合、化學(xué)結(jié)合、水和結(jié)合+凝聚結(jié)合，再到聚合結(jié)合，并朝著凝聚集合的方向發(fā)展，遵循著高雜質(zhì)—低雜質(zhì)—無(wú)雜質(zhì)的發(fā)展路線，結(jié)合劑的純度越來(lái)越高[6]。其次，近年來(lái)隨著高爐技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)不定型耐火材料的性能也提出了更高技術(shù)要求，為降低高爐損害，提高冶金效益，不定型耐火材料的結(jié)合方式也開始由高水份、低水份轉(zhuǎn)向無(wú)水份，逐漸向高密度方向發(fā)展，進(jìn)一步提高冶金行業(yè)中不定型耐火材料整體性能。

5 結(jié)語(yǔ)

不定型耐火材料具有定型耐火材料所不具備的特殊優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代冶金工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要依托，雖然目前仍存在一定缺陷，但其總體發(fā)展呈上升趨勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，新型不定型耐火材料經(jīng)過(guò)開發(fā)創(chuàng)新，它必將推動(dòng)整個(gè)冶金行業(yè)的深化發(fā)展。