這些年來, 隨著高溫工業(yè)的不斷推進(jìn), 如鐵水預(yù)處理、高爐長壽、高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐、爐外精煉和連續(xù)鑄造等系列新工藝新技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用,對耐火材料的性能提出了更高要求, 對耐火材料的研究也提出了挑戰(zhàn)。耐火材料是鋼鐵、水泥、玻璃、動力以及許多其他高溫操作工業(yè)的重要材料;其中以鋼鐵工業(yè)所使用的量為最大。在使用過程中, 耐火材料會受到各種作用而產(chǎn)生破壞, 比如:高溫下承受物料及爐體的重量, 操作過程中外界應(yīng)力,液體金屬、雜質(zhì)的侵蝕, 高溫流體及煙氣的沖刷, 環(huán)境氣氛的轉(zhuǎn)化及作用等等。這些作用會導(dǎo)致耐火材料熔融軟化、溶蝕磨損等損壞。為保證高溫設(shè)備的正常工作, 必須要求耐火材料具有抵抗高溫條件下機(jī)械、物理、化學(xué)等作用的能力, 能適應(yīng)多種操作條件的性質(zhì)。即要求耐火財力具備優(yōu)良的耐高溫性能, 一定的高溫力學(xué)性能, 良好的穩(wěn)定性和抗各種氣體液體固體侵蝕的性能。本文將主要論述耐火材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能、種類和應(yīng)用。 耐火材料是一種由多種不同的化學(xué)組成與礦物組成所構(gòu)成的非均質(zhì)體。耐火材料的化學(xué)組成由主副兩種成分組成, 主成分往往是高熔點(diǎn)的耐火氧化物及復(fù)合氧化物或者非氧化物的一種或幾種。主成分是耐火材料的主體, 其性質(zhì)與數(shù)量對耐火材料性能起著決定性作用。副成分主要是指那些添加成分, 是為了彌補(bǔ)主成分在性能上的不足而使用的。 耐火材料的礦物組成分為主晶相和基質(zhì)兩類。主晶相指構(gòu)成材料結(jié)構(gòu)的主體并且熔點(diǎn)較高的晶相, 其性質(zhì)和數(shù)量直接決定耐火財力的性能?；|(zhì)指在耐火材料主晶相間填充的結(jié)晶礦物和玻璃相, 它對材料的某些性能也有著決定性的影響。 耐火材料的結(jié)構(gòu)分為宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。宏觀結(jié)構(gòu)指氣孔的大小、分布和性質(zhì), 微結(jié)構(gòu)指各相的大小、含量、形態(tài)和分布。其中宏觀結(jié)構(gòu)包括氣孔率、吸水率、透氣度和體積密度。氣孔是影響耐火材料常溫和高溫性能的重要因素, 尤其是在高溫下會降低材料抵抗外界侵蝕的能力。吸水率反應(yīng)耐火材料中開口氣孔數(shù)量。體積密度指耐火材料的干燥質(zhì)量與總體積之比。透氣度則表明耐火材料允許氣體在一定壓差下通過的性能。 耐火材料性能是多種變量的最終結(jié)果, 這些變量包括混合料化學(xué)成分 (主要、次要和微量成分) 、原料、粒度、顯微結(jié)構(gòu)、溫度等。 耐火材料的力學(xué)性能指材料在多種條件作用下強(qiáng)度等力學(xué)性能, 包括耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、耐磨性、高溫蠕變性等性能, 表征材料抵抗由外力導(dǎo)致的各種應(yīng)力變形而不產(chǎn)生破壞的能力。 耐火材料通常在高溫下使用, 故其熱學(xué)性質(zhì)是其各種性質(zhì)中很重要的方面, 包括熱容、熱膨脹性及導(dǎo)熱性, 一般要求耐火材料具備較大的熱容, 較低的熱膨脹性, 較好的導(dǎo)熱性, 以避免材料在高溫下使用時發(fā)生體積變化、破裂等損壞。 耐火材料要求具有很好的使用性能, 如耐火度、高溫體積穩(wěn)定性、荷重軟化溫度、抗熱震性、抗渣性、抗氧化性和抗水化能力等。 耐火材料種類繁多, 應(yīng)用廣泛。自使用以來, 已陸續(xù)研制出使用于各種條件下的耐火材料。另一方面, 高溫工業(yè)的發(fā)展, 進(jìn)一步促進(jìn)了耐火材料的研究與使用。
3.1 鋁硅系耐火材料
主要由Al2O3和SiO2組成的耐火材料。廣泛于冶金、石油化工、機(jī)械制造、動力及輕工業(yè)等領(lǐng)域所用熱工設(shè)備內(nèi)襯結(jié)構(gòu)材料。
是化學(xué)性質(zhì)呈堿性的耐火材料, 一般指以氧化鎂、氧化鎂與氧化鈣或氧化鈣為主要成分的耐火材料。其主要用于玻璃和水泥工業(yè)用爐、有色金屬冶煉爐和堿性煉鋼爐等熱工設(shè)備中。 由碳或碳的化合物制成的, 以含不同形態(tài)的碳為主要組分的耐火制品。廣泛應(yīng)用于電爐、轉(zhuǎn)爐、高爐鐵水預(yù)處理、連續(xù)鑄鋼及爐外精煉等領(lǐng)域。 以氧化鋯、鋯英石為主要原料的耐火材料, 具有較高的熔融溫度, 耐熔體、爐渣和液體的侵蝕, 化學(xué)穩(wěn)定性好, 良好的熱震性能。 非氧化物多為難熔化合物, 包括金屬難熔化合物、非金屬難熔化合物、金屬間互相結(jié)合的金屬化合物。非氧化物兼具多種不同的性能, 熔點(diǎn)高、硬度大、較高的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性好。 指氣孔率高, 體積密度小具有隔熱性能, 對熱可起屏蔽作用的材料;除了主要用在高于環(huán)境溫度條件下防止熱的流出損失外, 還用于低于環(huán)境溫度的條件下以防止熱的流入。 由骨料、細(xì)粉和結(jié)合劑混合而成的耐火材料, 無固定外形, 呈松散狀或漿狀、泥膏狀。其生產(chǎn)工藝簡單且周期短, 節(jié)約能源, 使用性能好, 廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、能源、化工、建筑等工業(yè)的各種窯爐和熱工設(shè)備中。 耐火材料是高溫工業(yè)必備材料, 是高溫窯爐及熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料和元部件材料, 是發(fā)展石油化工、鋼鐵、有色金屬、機(jī)械、電力、建筑等工業(yè)的基礎(chǔ)材料。尤其是冶金工業(yè)對耐火材料使用很多。根據(jù)市場銷售人員的評估, 世界耐火材料產(chǎn)量的70%以上被冶金企業(yè)所消耗, 冶金設(shè)備用耐火材料除了生產(chǎn)量大之外,還具有品種和相組成繁多、用途廣泛等特點(diǎn)。一百多年來, 在鋼鐵發(fā)展過程中, 每一次重大進(jìn)展都有賴于耐火材料的研究和新品種的開發(fā)。目前, 耐火材料已幾乎應(yīng)用于世界各行各業(yè), 對其生產(chǎn)發(fā)展都起著至關(guān)重要的作用, 有些甚至起著決定性作用。耐火材料的使用關(guān)系到生產(chǎn)過程能否順利進(jìn)行, 還在生產(chǎn)成本中占有重要比重。因此, 無論從技術(shù)角度還是經(jīng)濟(jì)角度考慮, 正確選擇以及合理使用耐火材料, 都將具有重要意義。
耐火材料的發(fā)展有著悠久的歷史。耐火材料作為高溫技術(shù)的基礎(chǔ)材料, 其與高溫技術(shù)尤其是高溫冶煉工業(yè)的發(fā)展關(guān)系密切, 相互融合, 相互依存, 相互促進(jìn), 共同發(fā)展。一定條件下, 耐火材料的質(zhì)量和性能對高溫工業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵性作用。隨著能源消耗的急劇增長, 供需矛盾的日益緊張, 工業(yè)窯爐節(jié)能已成為生產(chǎn)發(fā)展的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié), 耐火材料的發(fā)展也必須滿足節(jié)能的要求。新形勢下, 研究開發(fā)新型優(yōu)質(zhì)的耐火材料, 對國家經(jīng)濟(jì)軍事航空發(fā)展, 人民生活水平提高都顯得尤為重要。
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