探討耐火材料性質分類及其應用

劉根勝

摘 要：本文介紹了耐火材料的性質、耐火材料的分類以及耐火材料的應用。性質可按物理性質、熱學性質和使用性質分類。并闡述了耐火材料使用過程中的損毀機理，選用原則及其實際應用。

關鍵詞：耐火材料性質 耐火材料 類型 應用

1、耐火材料性質

1.1 耐火材料的物理性質

1.1.1結構性質。

1.1.1.1氣孔率。耐火材料中的氣孔可以分為三種：（1）開口氣孔，其中一段封閉，而另一端則與外界連通，可以被流體填充；（2）貫通氣孔，連通材料的兩側，流體可以通過；（3）閉口氣孔，封閉而不與外界接觸的氣孔，因為絕大多數氣孔為開口氣孔和貫通氣孔，對材料的使用性能有巨大的影響，因此以開口氣孔和貫通氣孔的體積之和占材料總體積的百分比作為氣孔率指標。

1.1.1.2吸水率。吸水率指材料中全部開口氣孔所吸收水的質量除以該材料干燥樣品的質量，常用來衡量原料煅燒的質量。原料煅燒質量越高，吸水率則越低；原料煅燒質量越差，吸水率則越高。

1.1.1.3真密度。真密度指多孔材料質量與其真體積（多孔材料中固體成分的體積）之比。能夠很好的反映材質成分的純度，憑此可以判斷及預測材料在使用過程中的變化。測定方法：首先，將試樣磨成粉末狀，稱量比重瓶和裝有試樣的比重瓶的質量，兩者之差為干燥試樣的質量M1。然后，稱量裝滿密度以給出的液體和試樣的比重瓶M2，選用同一液體裝滿洗凈并無試樣殘留的同一比重瓶，稱其質量M3。

1.1.1.4體積密度。體積密度指材料的干燥質量與總體積的比值，是衡量質量水平的重要指標。

1.1.1.5透氣度。透氣度指制品允許氣體在壓差下通過的性能。貫通氣孔的數量、結構、狀態和大小都會影響透氣度。一般情況下，透氣度過高會增大熱工窖爐的熱損失，因此制品的透氣度越小越好。

1.1.2力學性質。

（1）抗折強度抗折強度指長，寬，高一定的條形試樣在三點彎曲試驗裝置上能夠承載的最大彎曲應力，其可分為常溫抗折強度和高溫抗折強度。（2）耐壓強度耐壓強度指材料在一定的溫度下單位面積所能夠承受且不損壞的極限荷載，其同樣可分為常溫耐壓強度和高溫耐壓強度。（3）耐磨性耐磨性指材料抵抗堅硬的物體或氣流的磨碎，摩擦，沖刷的能力，其取決于礦物的組成、材料強度和密度、組織結構以及顆粒相結合的牢固性。（4）高溫蠕變性高溫蠕變性指制品在恒定不變的高溫條件下，施加在其上的作用根據時間的變化而發生等溫形變。

1.1.3熱學性質。

（1）熱容。熱容指溫度每上升1K時，材料所吸收的熱量；而比熱容則是指單位質量的材料在溫度每上升1K時，材料所吸收的熱量。該指標在冷卻、設計和控制爐體溫度上升，尤其在蓄熱能力計算中及其重要。 （2）熱膨脹。熱膨脹指材料在加熱過程中其體積隨溫度的不斷升高而變大的現象。該熱膨脹情況能夠反映吸收熱量后的熱應力分布及大小，微裂紋的生成，晶型的轉變與相變及抗熱震穩定性等。 （3）熱導率。熱導率指在單位溫度梯度下，通過材料單位面積（m2）的熱流速率。用來表示材料導熱特性的一個物理量。（4）溫度傳導性。溫度傳導性指材料在加熱和冷卻過程中，熱量從高處流向地處導致最終各個部分的溫度趨向一致的能力—既溫度的傳遞能力。

1.2 耐火材料的使用性質

（1）耐火度。耐火度指材料在不承受任何荷載時抵抗高溫作用而不熔融，也不軟化的性能。影響耐火度的基本因素包括材料的化學礦物組成以及該礦物的分布情況。大量的雜質和成分的不均勻都會導致耐火度的下降。

（2）荷重軟化溫度與高溫蠕變。荷重軟化溫度指材料在承受恒定不變的壓負荷以及一定升溫速度的加熱條件下產生變形的溫度，是材料對高溫和荷載同時作用的抵抗能力的重要指標。

（3）高溫體積穩定性。高溫體積穩定性指材料經過高溫下長期的使用，其尺寸仍保持穩定的性能，通常用重燒線表示。

2、耐火材料分類

2.1按化學性質分類。按化學性質，可以分為以下三類：

（1）酸性耐火材料。一般是以二氧化硅為主要成分的耐火材料。高溫條件下，容易和含堿化合物、高鋁耐火材料、堿性渣以及堿性耐火材料發生化學反應。

（2）堿性耐火材料。一般是以氧化鈣和氧化鎂為主要成分的耐火材料。高溫條件下，容易和酸性耐火材料、酸性渣、酸性溶液以及氧化鋁發生化學反應。

（3）中性耐火材料。高溫條件下，很難和酸、堿性耐火材料以及堿性溶劑或堿性渣發生很明顯的化學反應。

2.2按生產方式分類。可以分成手工成型耐火材料、機壓成型耐火材料、熔鑄以及澆注型耐火材料等。

2.3按供貨形態分類。按供給形態，可以分為以下兩類：

（1）定形耐火材料。指有特定形狀不發生變化的耐火及保溫制品。根據總氣孔率，可以分為致密定形制品和保溫定形制品。前者氣孔率小于45%，后者氣孔率大于45%。

（2）不定形耐火材料。指細粉、粗骨料、添加物及結合劑組成的混合料，特定條件下還可以加入少許的有機、無機纖維材料以及金屬。

3、耐火材料應用

3.1 使用過程中的損壞機理

（1）溫度劇烈變化作用。由于劇烈的溫度波動而產生巨大的內應力，使得磚砌體開始開裂、剝落、嚴重變形甚至發生傾倒。

（2）單純熔融作用。材料承受高溫熱負荷導致的重燒線變化，使得砌筑體失穩。有時由于操作不當使得溫度過高，會導致局部發生軟化甚至發生熔融，形成熔滴，最終致使砌體倒塌。

（3）氣相的沉積作用。生產過程中CO的分解和鋅、鉛的分解及堿金屬氧化揮發沉積在材料氣孔和砌縫內，造成龜裂、變形和化學侵蝕。

（4）渣蝕作用由含塵腐蝕性氣體、熔渣和金屬液等不利成分的物理化學作用而引起的侵蝕。

（5）機械沖擊和磨損作用爐窖內物料進行運動以及使用過程中物理化學變化對爐襯產生巨大的機械沖擊和磨損作用，嚴重破壞爐窖。

3.2選用耐火材料的基本原則

（1）掌握爐窖特點。根據爐窖的結構、工作特性及運動條件并且分析材料損壞的原因，以選用耐火材料。準確的了解和掌握材料各部位的溫度變化情況，仔細觀察材料以防受到各種破壞性作用，例如：高溫熔融金屬侵蝕。

（2）掌握材料特點。熟悉材料的化學組成及物理、工作性能，以便充分發揮材料的特性。

（3）保證爐窖的整體壽命使爐子各部位的材料合理配合，以避免材料之間的互相損毀的同時，還要采取措施保證整體壽命。

（4）經濟合理化。在滿足上述的基本原則條件下，盡可能地解決資源和成本。可以選用價格和運輸費低的材料，同時大力發展回收利用。

3.3耐火材料運用

（1）鋼鐵冶金中的應用。耐火材料抵抗磨損、侵蝕等各種不良作用，改善爐襯系統。因此，高爐煉鐵、熱風爐、鐵水預處理、轉爐煉鋼、電弧爐、感應爐、路外精煉以及連續鑄鋼等都利用了耐火材料以提高產量，質量以及降低風險和可能性損失。

（2）有色冶金中的應用。同時，耐火材料也越來越多地被引入到有色金屬冶煉過程當中。主要的運用有鋁冶煉，銅、鎳冶煉和鉛、鋅火法冶煉。

（3）其他窖爐中的應用。除了在冶金方面的應用，耐火材料在其他窖爐中也起著重要的作用，例如：礦熱電爐、加熱爐、焦爐及水泥工業等。

4、總結

不管是在傳統的工業中，例如建材和冶金工業，還是在現在技術中，例如航天技術，很多過程都需要在高溫下進行。這就使得耐火材料起到越來越重要的作用。隨著經濟的發展和科學技術的不斷進步，耐火材料的作用進一步顯現出來。

參考文獻

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