浅谈不定形耐火材料的应用与发展

浅谈不定形耐火材料的应用与发展摘要：近年来，不定形耐火材料的发展取得了很大的成就，其在市场上所占的份额有超过定形制品的趋势。

本文从不定形耐火材料的组成出发，简要介绍不定形耐火材料的应用现状，并对其今后的发展做了展望。

关键词：不定形耐火材料；组成；应用；发展Briefly talk about the applications and developmentof unshaped refractoryAbstract: Great achievements has been made in the development of unshaped refractory in recent years, 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1580℃的无机非金属材料，应用于热工窑炉等热工设备的结构材料，以及高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化和机械强度。

耐火材料按外观分类可分为耐火砖和不定形耐火材料[1]，耐火砖具有一定的形状，比如烧成砖、不烧砖、电熔砖（熔铸砖）和耐火隔热砖等；不定形耐火材料也称为散状料，它没有一定的形状，按所要求形状施工即可，比如浇注料、捣打料、投射料、喷射料、可塑料和耐火泥等。

耐火材料一般是用开然矿石，如铝矾土、硅石、菱镁矿等原料经加工后制造的，称为普通耐火材料；当前，优质耐火原料和人工合成材料日趋增加，开发了高级耐火材料；采用纯氧化物和难熔化合物制作的物特种耐火材料也得到了较大的发展。

耐火材料主要用于冶金工业，其消耗量点其总产量的60%～70%。

因此，耐火材料是冶金工业发展的重要基础，具有战略地位，耐火材料的发展是与冶金工业技术进步互为依存和相互促进的[2]。

2．不定形耐火材料的组成不定形耐火材料是由耐火骨料和粉料、结合或另掺外加剂以一定比例组成的混合料，能直接使用或加适当的液体调配后使用。

即该料是一种不经煅烧的新型耐火材料，其耐火度不低于1580℃[2]。

因此，不定形耐火材料的组成为：耐火骨料、耐火细粉、结合剂、外加剂。

2.1耐火骨料耐火骨料分为重骨料和轻骨料两大，一般系指粒径大于0.088mm的颗粒料。

它是不定形耐火材料组织结构中的主体材料，起骨架作用，决定其物理力学和高温使用性能，也是决定材料属性及其应用范围的重要依据，其用量一般为60%～73%。

常用的耐火骨料有高铝质（矾土熟料，刚玉）、黏土质（黏土熟料）、半硅质（硅质黏土，蜡石）、硅质（硅石）、镁质（镁砂）、和其他耐火骨料（碳化硅、铬渣、多孔熟料、页岩陶粒）等。

2.2耐火粉料耐火粉料也称为细粉，一般是系紧料么等于或小于0.088mm的颗粒料。

它是不定形耐火材料组织结构中的基质材料，一般在高温作用下起联结或胶结耐火骨料的作用，使之获得高温物理力学和使用性能，用量一般为15%～40%，并能直译骨料空隙和改善施工和易性，有些耐火粉料，如黏土和超微料等还是良好的结合剂。

不定形耐火材料中使用的粉料通常有SiO2微粉、Al2O3微粉和莫来石微粉、MgO微粉和镁铝尖晶石微粉、ZrO2微粉和ZrB2/ZrC微粉、Si3N4微和SiC 微粉等，常用的微粉制备方法有[3]：固相反应法、沉淀法、水热法、溶胶—凝胶法、化学气相沉积法、喷雾热分解法、微波等离子体法等。

2.3.结合剂不定形耐火材料在使用前未经过烧结，颗粒之间无普通烧结制品所具有的那种陶瓷结合或直接结合，因此，加入结合剂可使其粘结为一个整体，并使构筑物或制品具有一定的强度[4]。

结合剂一般分为两类：有机结合剂和无机结合剂。

有机结合剂都是由有机物组成，多为暂时性结合剂，有水溶性结合剂和非水溶性结合剂之分。

水溶性结合剂不与耐火材料产生化学反应，并具有相当的保水性，因而不会使混合料的工艺生质随时间而波动。

这些结合剂中有些是良好的表面活性物质，具有稀释或改善混合料可塑性作用，使施工方便。

这类结合剂通常有糊精、粉状羧甲基纤维素、粉状及液状木质素磺酸类材料，聚乙酸乙烯基乳状液等。

非水溶性结合剂主要是热塑性树脂，常被用于颗粒易水化的制品中，常用的这类结合剂有硬沥青类，石蜡、聚丙烯类和尿脘树脂等。

无机结合剂在不定形耐火材料中使用最为广泛，它是在常温下皆可起结合作用的永久性结合剂。

常用的有水泥结合剂、硅酸盐结合剂、磷酸盐结合剂、氯化盐结合剂和硫酸盐结合剂等。

2.4外加剂外加剂[5]是指不定形耐火材料中除耐火的瘠性料（粒状和粉状料）和耐火粘土等塑性料以及结合剂等主要原料以外，在配制过程中掺入的用以改善不定形耐火材料性能的物质。

外加剂的用量均不大，一般不超过结合剂用量的5%。

根据外加剂的一种或多种功能定义，并根据其主要功能命名。

不定形耐火材料中常用的外加剂有减水剂、调凝剂（促凝剂、早强剂和缓凝剂）、加气剂、膨胀剂、缓蚀剂。

有时也用其他外加剂。

3．不定形耐火材料的应用现状3.1在冶金工业中的应用耐火材料主要应用在冶金工业，下面以钢包永久层为例，简单介绍不定形耐火材料的使用情况。

钢包从外到内的结构依次为铁壳、保温层、永久层和工作层。

久永层内侧与高温工作层接触，外侧紧贴高铝喷吹毡（隔热层）及钢质包壁，永久层耐火材料的厚度一般为70～110mm，使用时承受1000～1650℃的温差。

传统工艺采用高铝T-3砖砌筑钢包永久层，即在隔热层(高铝喷吹毡)外平砌或侧砌一层高铝砖，因其工艺繁琐、维护频繁、砖缝易渗钢、寿命低、成本高，故已逐步被不定型耐火材料所取代，而采用了轻质浇注料模具整体打结工艺。

其工艺过程分阶段进行：（1）先安装好座砖模具，在包底和包壁紧贴钢壳铺一层高铝喷吹毡，再用搅拌均匀的轻质浇注料打结包底永久层；（2）包底浇注料凝固后，将包壁打结模具逐次放人包内并固定好(要求模具与周围间隙均匀)，然后把搅拌好的轻质浇注料注入模具与钢外壳的间隙内(切忌高铝喷吹毡剥落或卷进浇注料中)，再用振动棒将浇注料振动均匀、密实；（3）静放8～12h，模具脱出，烘烤器烘烤12h后砌筑工作层。

该工艺优点是工艺简单、维护方便、成本低，是现阶段国内钢厂广泛应用的方法；缺点是仍存在座模、振动、脱模、烘烤等繁琐工序，砌筑工艺及材料须进一步优化。

实践发现，永久层若等包砌筑好后一起整体烘烤，则在干燥过程中会因永久层与工作层的形变不一致而产生缝隙，并导致“钻钢”[6]。

3.2在水泥生产中的应用水泥生产过程中用到耐火材料的地方主要有有回转窑和预分解窑。

下面以预分解窑为例，介绍不定形耐火材料在水泥生产中的使用情况。

在预分解窑炉中，不定型耐火材料既要承受窑内硫、碱、氯等有害成分的侵蚀，又要达到高强耐磨的要求，同时必须具备较好的热震稳定性。

由于原燃材料各异，不同的设计院设计的窑型不同，对于这种消耗性材料，各家企业都需选取一种最适合本窑的不定型耐火材料。

耐火材料的选取影响因素很多，除了价格因素外，通常需要考虑较长的使用寿命；较好的保温效果；较简易的砌筑方式和较快的砌筑速度；维修速度。

耐火喷涂料在水泥厂的应用时间并不长，但是却越来越得到水泥厂的认可。

主要原因如下：（1）施工工期短，施工成本低，在不规则、复杂、狭小的窑炉部位，由于无需安装模具，施工方便。

（2）整体性能好，耐磨损，导热系数小，节能效果好。

由于施工时耐火材料的应力点不同，作用力是垂直于炉窑筒体的表面，结合度与形态附合于炉体曲线，形成的衬里无空洞和气泡现象，复合衬自成一体，故其整体性能好，使用寿命长。

（3）养护时间短，维修速度快。

养护时间的减少主要由喷涂耐火材料的特性决定，因其含有一定比例的快干剂。

此高科技产品的应用，既解决了凝固及强度增加的速度，又能使喷涂料在升温过程中不爆裂。

本公司在几次对窑门罩的浇注料改喷涂料抢修中，选用浙江锦诚耐火材料公司的JC-M46高强莫来石喷涂料，每次均是一旦喷涂完成，关上窑门，即可点火升温，而且不必考虑耐火喷涂料的养护和烘烤，快速升温，符合工艺条件时，即可恢复生产。

（4）对于窑炉的关键部位喷涂，喷涂厚度控制简单。

例如分解炉的缩口、烟室斜坡、月亮门的喷涂施工中，以往需要对耐火材料的施工尺寸进行反复测算，对制模要求较高，过大或者过小均会影响生产。

由于尺寸控制不佳，以往就有很多厂家因此而返工，浪费了大量的人力物力和时间，采用喷涂施工后，就不存在此类问题。

故喷涂料在除窑口及喷煤管以外，还有很大的应用空间[7]。

3.3在热电联产工程中的应用循环流化床锅炉用耐火材料，应具有高强度，耐磨性好，抗渣性好，热稳定性好，热导率高的性能。

在以前，习惯用铬质耐火材料，但由于国内此高品质的铬矿砂资源缺乏，因而无法普遍使用，就目前用于锅炉上的耐火材料有高温高铝质、高铝磷酸盐、可塑料、SiC高铝质涂抹料及SiC捣打料。

前两种价格适宜，性能一般，使用寿命较短。

而后两种价格则稍高，但该材料性能好，寿命长，使用效果也比较理想。

液态排渣炉及旋风炉不宜选用高铝质可塑料或者捣打料。

这种材料抗渣性耐磨性差。

在使用中会产生裂缝和剥落，其寿命也短，修补较频繁。

因而选用SiC捣打料比较适宜，且SiC使用寿命长。

目前用于循环流化床锅炉炉衬和大型锅炉烟道集箱的耐火耐磨料主要以刚玉质系列，SiC质系列浇注料为主．这些材料热稳定特性好、耐磨性好，使用效果也比较明显，但价格稍贵。

随着耐火材料的不断开发与发展，就目前国内而言，耐火材料基本能满足各种锅炉的使用要求。

但材料的正确选择，施工性能，使用寿命及价格还有待于改进和探讨，特别是新型耐火耐磨材料更急待于研究与开发[8]。

3.4在其他热工窑炉中的应用可以说，只要有高温的地方，就会有耐火材料的使用。

不定形耐火材料在其他热工窑炉中的使用也非常方范，比如气体悬浮焙烧炉（GSC）、蓄热式加热炉等。

气体悬浮焙烧炉是以旋风筒为主体的大型热炉窑，它除了有对耐火材料要求不太高的低温旋风筒外，还有三个中温旋风筒，两个高温旋风筒，而其工艺特点决定了对耐火材料有以下要求：(1)耐火度要高：根据主炉温度高的特点，要求耐火材料在1200℃时具有不易熔化的特点，所选择耐火材料的耐火度必须达到1400℃以上，才能在带负荷时满足GSC要求；(2)高温结构强度要大：GSC主要由直径大小不同的圆柱形带锥体旋风筒组成，内衬既受砌筑体的荷重力也受热应力的作用，因此要求内村材料有较高的结构强度(即抗压强度)和抗蠕变能力；(3)热震稳定性要好：GSC在操作过程中，由于负荷的频繁变化或由于煤气中断、物料供应不上和其他机械故障而导致紧急停炉，造成温度迅速降低并引起各旋风筒温度分布不均匀，内衬内部会产生热应力而导致破裂和剥落。