耐火材料知識
耐火材料
耐火度不低于1580℃的一類(lèi)無(wú)機非金屬材料。耐火度是指耐火材料錐形體試樣在沒(méi)有荷重情況下,抵抗高溫作用而不軟化熔倒的攝氏溫度。耐火材料廣泛用于冶金、化工、石油、機械制造、硅酸鹽、動(dòng)力等工業(yè)領(lǐng)域,在冶金工業(yè)中用量最大,占總產(chǎn)量的50%~60%。
耐火材料 - 發(fā)展
中國在4000多年前就使用雜質(zhì)少的粘土,燒成陶器,并已能鑄造青銅器。東漢時(shí)期(公元25~220)已用粘土質(zhì)耐火材料做燒瓷器的窯材和匣缽。20世紀初,耐火材料向高純、高致密和超高溫制品方向發(fā)展,同時(shí)發(fā)展了完全不需燒成、能耗小的不定形耐火材料和高耐火纖維(用于1600℃以上的工業(yè)窯爐)。前者如氧化鋁質(zhì)耐火混凝土,常用于大型化工廠(chǎng)合成氨生產(chǎn)裝置的二段轉化爐內壁,效果良好。50年代以來(lái),原子能技術(shù)、空間技術(shù)、新能源開(kāi)發(fā)技術(shù)等的迅速發(fā)展,要求使用耐高溫、抗腐蝕、耐熱震、耐沖刷等具有綜合優(yōu)良性能的特種耐火材料,例如熔點(diǎn)高于2000℃的氧化物、難熔化合物和高溫復合耐火材料等。
耐火材料 - 分類(lèi)
分為普通和特種耐火材料兩大類(lèi)。普通耐火材料按化學(xué)特性分為酸性、 中性和堿性。特種耐火材料按組成分為高溫氧化物、難熔化合物和高溫復合材料此外,按照耐火度強弱可分為普通耐火制品(1580~1770℃)、高級耐火制品(1770~2000℃)和特級耐火制品(2000℃以上)。按照制品的外形可分為塊狀(標準磚、異形磚等)、特種形狀(坩堝、匣缽、管子等)、纖維狀(硅酸鋁質(zhì)、氧化鋯質(zhì)和碳化硼質(zhì)等)和不定形狀(耐火泥、澆灌料和搗打料等)。按照燒結工藝分為燒結制品、熔鑄制品、熔融噴吹制品等。
耐火材料 - 主要品種
在普通和特種耐火材料中,常用的品種主要有以下幾種:
酸性耐火材料
用量較大的有硅磚和粘土磚。硅磚是含93%以上SiO2的硅質(zhì)制品,使用的原料有硅石、廢硅磚等。硅磚抗酸性爐渣侵蝕能力強,但易受堿性渣的侵蝕,它的荷重軟化溫度很高,接近其耐火度,重復煅燒后體積不收縮,甚至略有膨脹,但是抗熱震性差。硅磚主要用于焦爐、玻璃熔窯、酸性煉鋼爐等熱工設備。粘土磚中含30%~46%氧化鋁,它以耐火粘土為主要原料,耐火度1580~1770℃,抗熱震性好,屬于弱酸性耐火材料,對酸性爐渣有抗蝕性,用途廣泛,是目前生產(chǎn)量最大的一類(lèi)耐火材料。
中性耐火材料高鋁質(zhì)制品中的主晶相是莫來(lái)石和剛玉,剛玉的含量隨著(zhù)氧化鋁含量的增加而增高,含氧化鋁95%以上的剛玉制品是一種用途較廣的優(yōu)質(zhì)耐火材料。鉻磚主要以鉻礦為原料制成的,主晶相是鉻鐵礦。它對鋼渣的耐蝕性好,但抗熱震性差,高溫荷重變形溫度較低。用鉻礦和鎂砂按不同比例制成的鉻鎂磚抗熱震性好,主要用作堿性平爐頂磚。
碳質(zhì)制品是另一類(lèi)中性耐火材料,根據含碳原料的成分和制品的礦物組成,分為碳磚、石墨制品和碳化硅質(zhì)制品三類(lèi)。碳磚是用高品位的石油焦為原料,加焦油、瀝青作粘合劑,在1300℃隔絕空氣條件下燒成。石墨制品(除天然石墨外)用碳質(zhì)材料在電爐中經(jīng)2500~2800℃石墨化處理制得。碳化硅制品則以碳化硅為原料,加粘土、氧化硅等粘結劑在1350~1400℃燒成。也可以將碳化硅加硅粉在電爐中氮氣氛下制成氮化硅-碳化硅制品。
碳質(zhì)制品的熱膨脹系數很低,導熱性高,耐熱震性能好,高溫強度高。在高溫下長(cháng)期使用也不軟化,不受任何酸堿的侵蝕,有良好的抗鹽性能,也不受金屬和熔渣的潤濕,質(zhì)輕,是優(yōu)質(zhì)的耐高溫材料。缺點(diǎn)是在高溫下易氧化,不宜在氧化氣氛中使用。碳質(zhì)制品廣泛用于高溫爐爐襯(爐底、爐缸、爐身下部等)、熔煉有色金屬爐的襯里。石墨制品可以做反應槽和石油化工的高壓釜內襯。碳化硅與石墨制品還可以制成熔煉銅同金和輕合金用的坩堝。
堿性耐火材料
以鎂質(zhì)制品為代表。它含氧化鎂80%~85%以上, 以方鎂石為主晶相。生產(chǎn)鎂磚的主要原料有菱鎂礦、海水鎂砂由海水中提取的氫氧化鎂經(jīng)高溫煅燒而成)等。對堿性渣和鐵渣有很好的抵抗性。純氧化鎂的熔點(diǎn)高達2800℃,因此,鎂磚的耐火度較粘土磚和硅磚都高。20世紀50年代中期以來(lái),由于采用了吹氧轉爐煉鋼和采用堿性平爐爐頂,堿性耐火材料的產(chǎn)量逐漸增加,粘土磚和硅磚的生產(chǎn)則在減少。堿性耐火材料主要用于平爐、吹氧轉爐、電爐、有色金屬冶煉以及一些高溫熱工設備。
氧化物材料
如氧化鋁、氧化鑭、氧化鈹、氧化鈣、氧化鋯、氧化鈾、氧化鎂、氧化鈰和氧化釷等熔點(diǎn)在2050~3050℃。
難熔化合物材料
如碳化物(碳化硅、碳化鈦、碳化鉭等)、氮化物(氮化硼、氮化硅等)、硼化物(硼化鋯、硼化鈦、硼化鉿等)、硅化物(二硅化鉬等)和硫化物(硫化釷、硫化鈰等)。它們的熔點(diǎn)為2000~3887℃,其中最難熔的是碳化物。
高溫復合材料
如金屬陶瓷、高溫無(wú)機涂層和纖維增強陶瓷等。
耐火材料 - 生產(chǎn)工藝
根據制品的致密程度和外形不同,有燒結法、熔鑄法和熔融噴吹法等。
燒結法是將部分原料預燒成熟料,破碎和篩分,再按一定配比與生料混合,經(jīng)過(guò)成型、干燥和燒成。原料預燒的目的是將其中的水分、有機雜質(zhì)、硫酸鹽類(lèi)分解的氣體燒除,以減少制品的燒成收縮,保證制品外形尺寸的準確性。原料在破碎和研磨后還需要經(jīng)過(guò)篩分,因為坯料由不同粒度的粉料進(jìn)行級配,可以保證最緊密堆積而獲得致密的坯體。
為了使各種生料和熟料的成分和顆粒均勻化,要進(jìn)行混煉,同時(shí)加入結合劑,以增強坯料結合強度。如硅酸鋁質(zhì)坯料加入結合粘土,鎂質(zhì)坯料加入亞硫酸紙漿廢液,硅質(zhì)坯料加入石灰乳等。根據坯料含水量的多少,可以采用半干法成型(約含5%水分),可塑法成型(約含 15%水分)和注漿法成型(約含40%水分)。然后進(jìn)行干燥和燒成。熔鑄法是將原料經(jīng)過(guò)配料混勻和細磨等工序,在高溫熔化,直接澆鑄,經(jīng)冷卻結晶、退火成為制品。如熔鑄莫來(lái)石磚、剛玉磚和鎂磚等。它們的坯體致密,機械強度高、高溫結構強度大,抗渣性好,使用范圍不斷在擴大。熔融噴吹法是將配料熔化后,以高壓空氣或過(guò)熱蒸汽進(jìn)行噴吹,使之分散成纖維或空心球的方法。制品主要用作輕質(zhì)耐火、隔熱材料。此外,還可制成粉狀或粒狀不定形耐火材料,臨用時(shí)以焦油、瀝青、水泥、磷酸鹽、硫酸鹽或氯化鹽等結合劑膠結,不經(jīng)成型和燒結而直接使用。
耐火材料 - 主要成分
酸性耐火材料以氧化硅為主要成分,常用的有硅磚和粘土磚。硅磚是含氧化硅93%以上的硅質(zhì)制品,使用的原料有硅石、廢硅磚等,其抗酸性爐渣侵蝕能力強,荷重軟化溫度高,重復煅燒后體積不收縮,甚至略有膨脹;但其易受堿性渣的侵蝕,抗熱振性差。硅磚主要用于焦爐、玻璃熔窯、酸性煉鋼爐等熱工設備。粘土磚以耐火粘土為主要原料,含有30%~46%的氧化鋁,屬弱酸性耐火材料,抗熱振性好,對酸性爐渣有抗蝕性,應用廣泛。
中性耐火材料以氧化鋁、氧化鉻或碳為主要成分。含氧化鋁95%以上的剛玉制品是一種用途較廣的優(yōu)質(zhì)耐火材料。以氧化鉻為主要成分的鉻磚對鋼渣的耐蝕性好,但抗熱振性較差,高溫荷重變形溫度較低。碳質(zhì)耐火材料有碳磚、石墨制品和碳化硅質(zhì)制品,其熱膨脹系數很低,導熱性高,耐熱振性能好,高溫強度高,抗酸堿和鹽的侵蝕,不受金屬和熔渣的潤濕,質(zhì)輕。廣泛用作高溫爐襯材料,也用作石油、化工的高壓釜內襯。
堿性耐火材料以氧化鎂、氧化鈣為主要成分,常用的是鎂磚。含氧化鎂80%~85%以上的鎂磚,對堿性渣和鐵渣有很好的抵抗性,耐火度比粘土磚和硅磚高。主要用于平爐、吹氧轉爐、電爐、有色金屬冶煉設備以及一些高溫設備上。
在特殊場(chǎng)合應用的耐火材料有高溫氧化物材料,如氧化鋁、氧化鑭、氧化鈹、氧化鈣、氧化鋯等,難熔化合物材料,如碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和硫化物等;高溫復合材料,主要有金屬陶瓷、高溫無(wú)機涂層和纖維增強陶瓷等。
耐火材料 - 散狀耐火材料
散狀耐火材料(不定形耐火材料):不定形耐火材料是由合理級配的粒狀和粉狀料與結合劑共同組成的不經(jīng)成型和燒成而直接供使用的耐火材料。通常,對構成此種材料的粒狀料稱(chēng)骨料,對粉狀料稱(chēng)摻合料,對結合劑稱(chēng)膠結劑。這類(lèi)材料無(wú)固定的外形,可制成漿狀、泥膏狀和松散狀,因而也通稱(chēng)為散狀耐火材料。用此種耐火材料可構成無(wú)接縫的整體構筑物,故還稱(chēng)為整體耐火材料。
不定形耐火材料是由合理級配的粒狀和粉狀料與結合劑共同組成的不經(jīng)成型和燒成而直接供使用的耐火材料。通常,對構成此種材料的粒狀料稱(chēng)骨料,對粉狀料稱(chēng)摻合料,對結合劑稱(chēng)膠結劑。這類(lèi)材料無(wú)固定的外形,可制成漿狀、泥膏狀和松散狀,因而也通稱(chēng)為散狀耐火材料。用此種耐火材料可構成無(wú)接縫的整體構筑物,故還稱(chēng)為整體耐火材料。
不定形耐火材料的基本組成是粒狀和粉狀的耐火物料。依其使用要求,可由各種材質(zhì)制成。為了使這些耐火物料結合為整體,除極少數特殊情況外,一般皆加入適當品種和數量的結合劑。為改進(jìn)其可塑性或減少用水量,可加入少量適當增塑減水劑,為滿(mǎn)足其他特殊要求,還可分別加入少量適當其他外加劑。
耐火材料 - 在中國的發(fā)展
古代、中世紀、文藝復興時(shí)代的耐火材料,工業(yè)革命前后高爐、焦爐、熱風(fēng)爐用耐火材料,近代后期新型耐火材料及其制造工藝,現代耐火材料制造技術(shù)及主要技術(shù)進(jìn)步,以及對末來(lái)耐火材料發(fā)展的展望,耐火材料與高溫技術(shù)相伴出現,大致起源于青銅器時(shí)代中期。中國東漢時(shí)期已用粘土質(zhì)耐火材料做燒瓷器的窯材和匣缽。20世紀初,耐火材料向高純、高致密和超高溫制品方向發(fā)展,同時(shí)出現了完全不需燒成、能耗小的不定形耐火材料和耐火纖維?,F代,隨著(zhù)原子能技術(shù)、空間技術(shù)、新能源技術(shù)的發(fā)展,具有耐高溫、抗腐蝕、抗熱振、耐沖刷等綜合優(yōu)良性能的耐火材料得到了應用。
在中國有許多工廠(chǎng)生產(chǎn)耐火材料產(chǎn)品。中國有豐富的資源,也正因為這方面的原因,各大外國投資商也來(lái)到國內一展身手,展露頭角。在中國的東北部,是耐火材料供應商極其豐茂的地區,導致其他國外投資商對其的出口低價(jià)格產(chǎn)生了質(zhì)疑,從而在2003年由歐盟提出對中國耐火材料新產(chǎn)品的反傾銷(xiāo),限制了產(chǎn)品對歐盟的出口。2006年中國為保護原材料資源的大量流失,對部分行業(yè)進(jìn)行了減免出品退稅,以此極大地限制產(chǎn)品的出口。但這并不能在很大程度上限制一些國外的品牌銷(xiāo)售,因為它們擁有幾十甚至上百年的銷(xiāo)售生產(chǎn)經(jīng)驗,并極大地占有了市場(chǎng),也創(chuàng )立了它們在各大洲的品牌效應。