探讨耐火材料性质分类及其应用

刘根胜

摘 要：本文介绍了耐火材料的性质、耐火材料的分类以及耐火材料的应用。性质可按物理性质、热学性质和使用性质分类。并阐述了耐火材料使用过程中的损毁机理，选用原则及其实际应用。

关键词：耐火材料性质 耐火材料 类型 应用

1、耐火材料性质

1.1 耐火材料的物理性质

1.1.1结构性质。

1.1.1.1气孔率。耐火材料中的气孔可以分为三种：（1）开口气孔，其中一段封闭，而另一端则与外界连通，可以被流体填充；（2）贯通气孔，连通材料的两侧，流体可以通过；（3）闭口气孔，封闭而不与外界接触的气孔，因为绝大多数气孔为开口气孔和贯通气孔，对材料的使用性能有巨大的影响，因此以开口气孔和贯通气孔的体积之和占材料总体积的百分比作为气孔率指标。

1.1.1.2吸水率。吸水率指材料中全部开口气孔所吸收水的质量除以该材料干燥样品的质量，常用来衡量原料煅烧的质量。原料煅烧质量越高，吸水率则越低；原料煅烧质量越差，吸水率则越高。

1.1.1.3真密度。真密度指多孔材料质量与其真体积（多孔材料中固体成分的体积）之比。能够很好的反映材质成分的纯度，凭此可以判断及预测材料在使用过程中的变化。测定方法：首先，将试样磨成粉末状，称量比重瓶和装有试样的比重瓶的质量，两者之差为干燥试样的质量M1。然后，称量装满密度以给出的液体和试样的比重瓶M2，选用同一液体装满洗净并无试样残留的同一比重瓶，称其质量M3。

1.1.1.4体积密度。体积密度指材料的干燥质量与总体积的比值，是衡量质量水平的重要指标。

1.1.1.5透气度。透气度指制品允许气体在压差下通过的性能。贯通气孔的数量、结构、状态和大小都会影响透气度。一般情况下，透气度过高会增大热工窖炉的热损失，因此制品的透气度越小越好。

1.1.2力学性质。

（1）抗折强度抗折强度指长，宽，高一定的条形试样在三点弯曲试验装置上能够承载的最大弯曲应力，其可分为常温抗折强度和高温抗折强度。（2）耐压强度耐压强度指材料在一定的温度下单位面积所能够承受且不损坏的极限荷载，其同样可分为常温耐压强度和高温耐压强度。（3）耐磨性耐磨性指材料抵抗坚硬的物体或气流的磨碎，摩擦，冲刷的能力，其取决于矿物的组成、材料强度和密度、组织结构以及颗粒相结合的牢固性。（4）高温蠕变性高温蠕变性指制品在恒定不变的高温条件下，施加在其上的作用根据时间的变化而发生等温形变。

1.1.3热学性质。

（1）热容。热容指温度每上升1K时，材料所吸收的热量；而比热容则是指单位质量的材料在温度每上升1K时，材料所吸收的热量。该指标在冷却、设计和控制炉体温度上升，尤其在蓄热能力计算中及其重要。 （2）热膨胀。热膨胀指材料在加热过程中其体积随温度的不断升高而变大的现象。该热膨胀情况能够反映吸收热量后的热应力分布及大小，微裂纹的生成，晶型的转变与相变及抗热震稳定性等。 （3）热导率。热导率指在单位温度梯度下，通过材料单位面积（m2）的热流速率。用来表示材料导热特性的一个物理量。（4）温度传导性。温度传导性指材料在加热和冷却过程中，热量从高处流向地处导致最终各个部分的温度趋向一致的能力—既温度的传递能力。

1.2 耐火材料的使用性质

（1）耐火度。耐火度指材料在不承受任何荷载时抵抗高温作用而不熔融，也不软化的性能。影响耐火度的基本因素包括材料的化学矿物组成以及该矿物的分布情况。大量的杂质和成分的不均勻都会导致耐火度的下降。

（2）荷重软化温度与高温蠕变。荷重软化温度指材料在承受恒定不变的压负荷以及一定升温速度的加热条件下产生变形的温度，是材料对高温和荷载同时作用的抵抗能力的重要指标。

（3）高温体积稳定性。高温体积稳定性指材料经过高温下长期的使用，其尺寸仍保持稳定的性能，通常用重烧线表示。

2、耐火材料分类

2.1按化学性质分类。按化学性质，可以分为以下三类：

（1）酸性耐火材料。一般是以二氧化硅为主要成分的耐火材料。高温条件下，容易和含碱化合物、高铝耐火材料、碱性渣以及碱性耐火材料发生化学反应。

（2）碱性耐火材料。一般是以氧化钙和氧化镁为主要成分的耐火材料。高温条件下，容易和酸性耐火材料、酸性渣、酸性溶液以及氧化铝发生化学反应。

（3）中性耐火材料。高温条件下，很难和酸、碱性耐火材料以及碱性溶剂或碱性渣发生很明显的化学反应。

2.2按生产方式分类。可以分成手工成型耐火材料、机压成型耐火材料、熔铸以及浇注型耐火材料等。

2.3按供货形态分类。按供给形态，可以分为以下两类：

（1）定形耐火材料。指有特定形状不发生变化的耐火及保温制品。根据总气孔率，可以分为致密定形制品和保温定形制品。前者气孔率小于45%，后者气孔率大于45%。

（2）不定形耐火材料。指细粉、粗骨料、添加物及结合剂组成的混合料，特定条件下还可以加入少许的有机、无机纤维材料以及金属。

3、耐火材料应用

3.1 使用过程中的损坏机理

（1）温度剧烈变化作用。由于剧烈的温度波动而产生巨大的内应力，使得砖砌体开始开裂、剥落、严重变形甚至发生倾倒。

（2）单纯熔融作用。材料承受高温热负荷导致的重烧线变化，使得砌筑体失稳。有时由于操作不当使得温度过高，会导致局部发生软化甚至发生熔融，形成熔滴，最终致使砌体倒塌。

（3）气相的沉积作用。生产过程中CO的分解和锌、铅的分解及碱金属氧化挥发沉积在材料气孔和砌缝内，造成龟裂、变形和化学侵蚀。

（4）渣蚀作用由含尘腐蚀性气体、熔渣和金属液等不利成分的物理化学作用而引起的侵蚀。

（5）机械冲击和磨损作用炉窖内物料进行运动以及使用过程中物理化学变化对炉衬产生巨大的机械冲击和磨损作用，严重破坏炉窖。

3.2选用耐火材料的基本原则

（1）掌握炉窖特点。根据炉窖的结构、工作特性及运动条件并且分析材料损坏的原因，以选用耐火材料。准确的了解和掌握材料各部位的温度变化情况，仔细观察材料以防受到各种破坏性作用，例如：高温熔融金属侵蚀。

（2）掌握材料特点。熟悉材料的化学组成及物理、工作性能，以便充分发挥材料的特性。

（3）保证炉窖的整体寿命使炉子各部位的材料合理配合，以避免材料之间的互相损毁的同时，还要采取措施保证整体寿命。

（4）经济合理化。在满足上述的基本原则条件下，尽可能地解决资源和成本。可以选用价格和运输费低的材料，同时大力发展回收利用。

3.3耐火材料运用

（1）钢铁冶金中的应用。耐火材料抵抗磨损、侵蚀等各种不良作用，改善炉衬系统。因此，高炉炼铁、热风炉、铁水预处理、转炉炼钢、电弧炉、感应炉、路外精炼以及连续铸钢等都利用了耐火材料以提高产量，质量以及降低风险和可能性损失。

（2）有色冶金中的應用。同时，耐火材料也越来越多地被引入到有色金属冶炼过程当中。主要的运用有铝冶炼，铜、镍冶炼和铅、锌火法冶炼。

（3）其他窖炉中的应用。除了在冶金方面的应用，耐火材料在其他窖炉中也起着重要的作用，例如：矿热电炉、加热炉、焦炉及水泥工业等。

4、总结

不管是在传统的工业中，例如建材和冶金工业，还是在现在技术中，例如航天技术，很多过程都需要在高温下进行。这就使得耐火材料起到越来越重要的作用。随着经济的发展和科学技术的不断进步，耐火材料的作用进一步显现出来。

参考文献

[1]李楠，顾华志，赵惠忠[M].北京，冶金工业出版社，2010，1—5.

[2]宋希文，安胜利[M].北京，化学工业出版社，2009，212—245.