最新不定形耐火材料的新进展18-44

不定形耐火材料的新进展18-44

不定形耐火材料的新进展

王守业1)曹喜营1,2)李再耕1)王战民1,2)张三华1)李少飞1)

1) 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司河南省特种耐火材料重点实验室河南洛阳471039

2) 北京科技大学材料科学与工程学院北京 100083

1 概述[1]

近几年來，随着耐火材料所服务的钢铁等高温工业的快速发展，耐火材料行业进步很快，见图 1和图2。尤其是不定形耐火材料由于其具有工艺简单，施工方便，整体性好，节能降耗等优点，越来越得到大家的广泛关注和认可。目前我国不定形耐火材料的产量已达到耐火材料总产量的三分之一以上，与不定形耐火材料相关的新技术、新工艺、新方法和新装备也不断涌现。当前，受世界范围内金融危机的影响，耐火材料相关行业发展速度有所放缓。但从长远看，我国是一个发展中国家，具有很强的内部需求，尤其是我国陆续推出的产业振兴规划等一系列经济刺激措施的实施，可以预计这些行业在今后仍将得到平稳健康的发展。

图 1 中国粗钢产量(单位：万t)及增速（单位：%）走势

图2 2004年～2008年全国耐火材料行业产成品变化趋势图

2 原料

2.1 矾土基原料的均化、提纯和开发[2, 3, 4]

我国有丰富的矾土资源，建国以来，国家先后在原山西阳泉高铝矾土矿、贵州贵阳耐火材料厂、河南渑池煅烧厂依托当地铝土矿资源，建立了高铝耐火原料生产基地。但目前矾土生产仍以煅烧天然块料为主，品种单一，质量波动大，资源利用差，能耗比较高，污染较严重，产品附加值低。在目前铝矾土资源日益匮乏的情况下，需要重视耐火原料的研究，采取均化、提纯等技术路线，开发优质合成新材料，使天然原料的品位、质量发生质的提升，提高原料附加值和资源的利用率。

2.1.1 矾土均化

国内外的均化料生产一般采用湿法均化工艺，即采用的是湿法制粉、真空挤泥成型、干燥、烧结的生产工艺。该工艺尽管比较成熟，但存在着工艺流程长、能耗高、消耗大量水资源等缺点。为克服湿法工艺的缺点，新型的半干法均化工艺应运而生。新型半干法工艺简单地说就是干法制粉、半干法造粒、成型、烧结制备均化料的工艺。图3为湿法和新型半干法工艺流程的示意图。表 1为干法工艺均化料的理化指标。

图 3

矾土原料的均化工艺（左图为湿法工艺，右图为半干法工艺）

表 1

干法工艺均化料的理化指标

牌 号 化学组成（w ）／% 体积密度／

（g·cm －

3）

吸水率

／% Al 2O 3 SiO 2 Fe 2O 3 M85 85～85.5 ≤9 ≤1.5 ≥3.1 ≤2.0 M86 86～86.5 ≤8 ≤1.5 ≥3.2 ≤2.0 M87 87～87.5 ≤7 ≤1.5 ≥3.3 ≤1.5 M88 88～88.5 ≤6 ≤1.5 ≥3.4 ≤1.2 M90

90～91

≤5

≤1.5

≥3.5

≤1.0

2.1.2 矾土基电熔尖晶石和矾土基电熔锆刚玉尖晶石

矾土基原料的开发和应用除已经成熟的矾土基莫来石和矾土基刚玉外，矾土基电熔尖晶石、矾土基电熔锆刚玉尖晶石、矾土基MgAlON和矾土基β-SiAlON等也逐渐投入试生产和应用。

矾土基电熔尖晶石和矾土基电熔锆刚玉尖晶石的合成工艺见图4和图5，理化指标见表 2和表3。矾土基电熔尖晶石主要用于制砖和浇注料，替代氧化物基高纯尖晶石，在钢包和电炉顶上使用效果很好。矾土基电熔锆刚玉尖晶石主要矿相为刚玉、尖晶石和单斜锆，具有抗侵蚀性和抗热震性好的特点，主要用于制作高档浇注料和预制件，如钢包衬、电炉顶和透气砖等。

图 4 矾土基电熔尖晶石的合成工艺

图 5 矾土基电熔锆刚玉尖晶石的合成工艺

表 2 矾土基电熔尖晶石的理化指标（和氧化铝基电熔尖晶石对比）

项目

化学组成（w）／% 体积密度／

（g·cm－3）Al2O3MgO SiO2TiO2Fe2O3CaO K2O+Na2O

矾土基68.70 29.53 0.51 0.77 <0.01 0.44 0.025 3.43

氧化铝基69.38 29.03 0.23 0.04 0.26 痕量0.30 3.39

表 3 矾土基电熔锆刚玉尖晶石的化学组成（w） %

Al2O3MgO ZrO2

68.70 29.53 0.51

69.38 29.03 0.23

2.1.3 矾土基MgAlON

矾土基MgAlON是一种新型陶瓷材料和高级耐火材料，其主要特点为：

●高熔点（2000℃以上)；

●优良的力学性能（AlON陶瓷常温强度≥300MPa，1200℃高温强度≥260MPa，努氏

硬度为16.5～19.5 GPa）；

●优良的抗热震性能，热导率高；

●对金属熔液及熔渣不润湿，具有良好的抗侵蚀性能；

●用矾土作原料，成本低。但是，用矾土合成的粉体在约720℃开始氧化，而用氧化

物合成的MgAlON粉体在约900℃开始氧化）。

2.1.4 矾土基β-SiAlON

SiAlON是一种性能优异的耐火材料，它以Si3N4为基，由Al、O部分置换Si3N4中的Si、N后形成的一种固溶体。SiAlON的主要特点为：

●具有氮化硅的六方晶系结构，晶体比β-Si3N4晶体粗大，形貌多呈颗粒状和柱状（β-

Si3N4晶体大多呈纤维状）；

●β-SiAlON是SiAlON系列中高温性能最佳的固溶体；

●因其具有六方晶系结构，所以高温机械强度高；

●其膨胀系数为2×10-6 ℃-1, 略低于β-Si3N4的（3.5×10-6 ℃-1），抗热震性优良；