耐火材料的使用现状和发展趋势

耐火材料的应用现状和发展趋势

一、耐火材料的使用现状

1、使用现状

耐火材料是人类利用热能所不可缺少的材料，它广泛地用于钢铁及有色金属冶金工业、机械制造工业、建材工业、陶瓷、玻璃工业、化学及石油工业、电子工业及窑炉等工业。耐火材料一般是指耐火度在1580℃以上的无机非金属材料。它是粘土、硅土、菱镁石、高矾铝土等天然矿物或人造氧化物、硅化物、碳化物等作原料，经粉碎、成形、干燥、烧成等工序制成．也可直接用电熔法制成。根据使用要求，应具有一定的机械强度、耐急冷急热性能、耐化学侵蚀及抗渣等性能。耐火材料是各种热工设备(各种窑、炉)的主要耐高温材料和结构材料，在使用过程中它经受着高温、结构应力以及各种物理、化学和机械等作用，因此对耐火材料的基本要求是应具有足够高的不软化不熔融的温度，一般应不低于1580℃，能够承受炉、窑和操作过程中所产生的应力的作用，并在高温下不丧失结构强度-不发生软化变形、不断裂、不坍塌；在高温下体积稳定-不致由于膨胀和收缩使炉体变形或出现裂纹，影响炉体使用寿命；能经受住一定的温度急变或受热不均匀时由于热应力而崩裂破坏，即材料的热稳定性要好。在使用过程中，材料能在遭受液态熔液、气态及固态物质的化学侵蚀条件下使用，应具有一定的耐侵蚀能力I应具有足够的强度和抗磨性能以承受住高温高速流动的火焰、烟尘、液态金属，炉

渣冲刷以及金属的撞击作用。

2、耐火材料的分类：

耐火材料按耐火度可以分为普通(1 580～1 770℃)、高级(1 770 ～2000C )和特级(2000"C 以上)三类；按化学组成和化学性质可分为酸性、中性和碱性三类；按矿物组成分类，有硅砖、镁砖和高铝砖等等。不同性质的耐火材料．均有其典型特性。3、耐火材料的使用：

一般来说，为防止低熔物产生，提高其化学侵蚀能力，耐火材料应在其化学性质相近似的环境工作。耐火材料原料的微观组织结构，多是由微小质点组成的固态晶体．质点排列规则。固态物质熔化，是内部晶体结构遭到破坏的反映，其熔点高低，取决于晶体质点问结合力的强弱。结合力越强，熔点越高．反之亦然。由共价键、离子键结合的品体物质．质点间结合力强，故熔点高。如镁石2800℃．刚玉2050 ℃。耐火材料的性质，取决于内部矿物相及组织结构．矿相分结品相和玻璃相两种，主晶相是构成材料结构的生体．性质、数量及其间的结合状态，决定了材料的基本性能。在主晶相间的其它矿物(次品相)和玻璃相，称为结合相(亦称基质)．含量不多，但对材料使用性能起重要作用。如镁质耐火材料生品相是方镁石，从而决定了这类材料耐高温、抗碱侵蚀性强等基本性能。但若结合相以低熔物为生．则材料使用性能就会恶化。这是因为使用时，往往首先从材料内部结合相开始损坏所致。因此-在镁质耐火材料中-除采用纯度高、烧结良好的

SiO的比值，以求得到熔点高镁砂外，还要提高镁砂中CaO和

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的基质矿物，从而保证材料的优良性质。此外，化学成分相同的材料，由于制造工艺条件不同，也可形成不同矿物相，使材料性能相差很大耐火材料的组织结构分为微观结构和宏观结构两类。微观结构系指材料的显微晶体结构，它包括硅酸盐(陶瓷)结合和晶体直接结合两种类型，还包括晶粒大小、形状、分布状况等；宏观结构主要指制品中气孔的数量和形态，通常用气孔率、体积密度、比重等指标表示，它们与材料的热学、力学性质关系密切，是影响耐火材料使用性能的重要因素。耐火材料通常是一种非均质的脆性材料，因而其热冲击能力(热震稳定性)比金属材料要差。为了提高耐火材料的热力学性能，通常从减少热应力的产生，提高材料的缓冲能力和抵抗热应力的能力人手，并改进工艺条件来达到。例如，选用热膨胀率小，导热率高的原材料；降低材料热容量和弹性模量；减少各相中存在的热膨胀率差异。为了降低耐火材料的弹性模量，减少刚性(即增加柔性)，以提高对热应力的缓冲能力，在生产工艺中，往往适当增大粗颗粒原料的配比，保持材料内部良好的粒状组织结构，这样可以显著改善材料的抗热震性和热稳定性。但是，随之材料的致密度会有所降低。因此，不适当地追求致密度，往往会破坏材料内部的良好结构，使材料弹性变差，从而降低对热应力的缓冲能力。此外，耐火材料制品的形状和尺寸，对其抗热震性和热稳定性也有重要影响。这是因为形状复杂或尺寸过大的制品，往往导致内部温差过大或应力集

中，在热冲击力作用下容易损坏这也是设计和选用耐火材料以及砖型时应当考虑的问题。由此可见，满足各种使用条件的“全能型耐火材料”是没有的。

二、耐火材料发展趋势

近年来，世界耐火材料工业发生了重大变化。一方面，由于用户工业的技术进步、工艺和设备改变（如电炉炼钢增加）以及耐火材料自身的改进，耐火材料消耗量逐年下降；过去20年间，平均每年吨钢耐火材料的单耗下降约5公斤。预测未来5年平均每年吨钢耐火材料的单耗将以0.5～1.0公斤左右的幅度下降，到2005年，我国钢铁工业吨钢耐火材料的单消耗将下降到28公斤。以1.3亿吨钢产量计算，2005年，我国钢铁工业用耐火材料的市场容量将从近两年的400多万吨下降到360余万吨。另一方面，全球化趋势明显，竞争激烈使耐火材料品种多样化，性能和质量明显提高，耐火材料企业为用户的服务意识和能力加强。许多缺乏竞争力、没有现代企业管理意识的中小企业纷纷破产，兼并重组风起云涌。发达国家生产耐火材料的成本远高于发展中国家，同时由于环保要求更严格，迫使他们只生产高附加值产品或出口技术，而将大宗产品、劳动密集型产品转移到发展中国家生产。中国由于有得天独厚的原材料优势和劳动力成本优势、无疑机会更多一些。我国宣布从2004年1月份开始对大多数耐火原料出口取消退税，产成品出口也将降低退税幅度。这意味着重要原料出口进一步受到限制，对依赖进口我国耐火原料和产品的一些发达国家的耐火材料工业产生将会产生重要影响。为了降低成本，他们势必把

工厂搬到中国来，这对中国耐火材料工业的发展也将是一个重要的机会。此外，通讯和运输的便捷、国际市场的变化、电子商务的增多等，也给耐火材料工业的发展带来了良好的机遇。因此，耐火原材料目前和今后的研发及创新，应该把握以下几个方面的机遇：1、长寿、低耗的钢包系统用耐材；2、高效连铸连轧系统用耐材；3、炉外精炼系统用耐材；4、高性能不定形耐火材料；5、适应新施工方法的耐材；

6、水泥、有色、石化和陶瓷等工业关键设备和关键部位用耐材；

7、有利于环保和生态的耐火材料等。

未来耐火原料将以高纯为主，天然精选和人工合成并用。开发利用“三石”原料，即红柱石、硅线石、蓝晶石原料，可以改善铝硅系耐火材料的显微结构和热力学性能。由于“三石”在高温下相变为莫来石，而莫来石膨胀系数较小，有利于提高材料的抗热震性。在材料中添加红柱石能相变形成热应力扩散的无数细微空隙，使得耐火材料内的应力得到释放，从而提高了抗热震性。而硅线石完全莫来石化的温度较高，有利于提高高温抗蠕变性。此外，因莫来石化伴随产生的体积膨胀效应也对高温抗蠕变有利。优质合成耐火原料的开发，发达国家的天然原料使用量在减少，而高纯合成原料用量在不断增加，其原因是大量使用合成原料的不定形耐火材料比例在增加，而大量使用天然原料的粘土砖、高铝砖、锆英石砖的产量在减少。

另外，由于对耐火材料使用寿命延长有更高的要求，故应大量使用能满足此种要求的高纯合成原料。有代表性的几种合成原料如下：1、莫来石基熟料。用高岭土和工业氧化铝做原料，经湿法研磨、真