不定形耐火材料替代定型制品的工業(yè)應(yīng)用

馬超 唐山時創(chuàng)高溫材料股份有限公司

不定形耐火材料占據(jù)了全球市場的50%，尤其是澆注料和預(yù)制件的增長前景良好。在日本，作為全球化趨勢的一個指南，不定形耐火材料在2012年就已經(jīng)占據(jù)了耐火材料總產(chǎn)量的70%。

一、先進澆注料的開發(fā)

隨著適用于侵蝕環(huán)境的澆注料的開發(fā)成功，不定形耐火材料的生產(chǎn)和消耗取得了決定性的突破。通過引入新的組成，包括減少水泥加入量，加入微孔填充物，使用高效分散劑，不定形耐火材料的質(zhì)量得到大幅度的提升。這開創(chuàng)了不定形耐火材料新品種的快速開發(fā)，提升了材料的質(zhì)量并有利于施工的開展。

一種新型的結(jié)合方式是鈣鎂鋁酸鹽結(jié)合劑(CMA)，它將水合鋁酸鈣和大量鎂鋁尖晶石(MA)結(jié)合起來，這些鎂鋁尖晶石的晶粒尺寸與鋁鎂澆注料中的尖晶石的晶粒尺寸相近。設(shè)計這種結(jié)合是為了減少游離氧化鎂的含量和鋁鎂澆注料中硅灰的用量，這有利于增強澆注料的高溫力學(xué)性能、抗?jié)B透性和抗渣侵蝕性。

耐火澆注料的流變學(xué)行為首先受到亞微米顆粒的影響。高活性硅灰的引入，改善了混合物的物理性能，從而產(chǎn)生了一批新型的澆注料。對于含有鋁酸鈣水泥(CAC)的氧化鋁基混合物，在沒有加入硅灰的情況下，必須降低SiO2的含量，因為即使很少量的SiO2都會顯著地降低澆注料的高溫力學(xué)性能。如果加入了硅灰，則構(gòu)成了最細的基質(zhì)組成部分，就有可能使用活性氧化鋁，即使是在亞微米的粒徑范圍內(nèi)都可以得到單峰分布和多峰分布的粉末。耐火澆注料中另一個非常重要的成分是有效的分散劑。它們提高了澆注料的流動性，減少了加水量，因而提高了澆注料的密度、強度和抗渣滲透性。通過使用活性分散劑—有機聚合物，如聚丙烯酸酷、聚乙二醇、聚梭酸減水劑和聚乙二醇醚等，可以使混合物在很低的加水量時獲得高的流動性。通過將顆粒尺寸控制在亞微米范圍內(nèi)所獲得的分散良好的混合物的加水量只需約4%左右，這樣的混合物可以實現(xiàn)泵送和噴射施工。

為了減輕不定形耐火材料在干燥過程中的敏感性，可以在混合物中以0.05%的比例加入有機纖維，通常是聚丙烯。纖維有助于水沿毛細管上升至表面從而加速蒸發(fā)，纖維還可以減少澆注料發(fā)生爆裂的危險，加快不定形襯體干燥和加熱的速度。

在不定形澆注料中加入鋼纖維可以改善其熱震穩(wěn)定性，其原因是提高了材料的抗拉強度而避免產(chǎn)生嚴重的破裂。然而，由于在高溫下處于氧化氣氛中鋼會氧化，因此加入鋼纖維限制了澆注料的使用溫度和使用時間。

耐火骨料構(gòu)成了澆注料的框架。耐火骨料種類繁多，可以利用一種或多種耐火骨料的組合設(shè)計澆注料的配方，從而獲得所需的化學(xué)、礦物學(xué)和物理性能。可利用的澆注料的種類已經(jīng)大大擴展。除了鋁硅酸鹽和氧化鋁外，尖晶石、鎂砂(燒結(jié)或電熔)、荃青石、碳化硅、熔融石英、賽隆，以及最近出現(xiàn)的用在耐火澆注料中起保溫作用的致密的輕質(zhì)骨料六鋁酸鈣，現(xiàn)在都被經(jīng)常使用。

二、不定形耐火材料與定型制品在應(yīng)用上的對比

幾乎在所有的應(yīng)用領(lǐng)域，不定形耐火材料所占的份額都持續(xù)增加。然而，某些應(yīng)用領(lǐng)域仍專屬于定型制品。所謂的功能耐火材料就是典型的例子，在此領(lǐng)域定型耐火材料占統(tǒng)治地位。例如，功能耐火材料在連續(xù)鑄鋼過程中起到控制鋼流的作用。在其它的應(yīng)用領(lǐng)域，尚未開發(fā)出高質(zhì)量的不定形耐火材料，因此定型制品仍是首選。在大多數(shù)使用堿性耐火內(nèi)襯的場合(白云石磚、鎂磚、鎂碳磚、鎂鉻磚)，都會優(yōu)先使用定型耐火材料。這些材料屬于轉(zhuǎn)爐的內(nèi)襯，鋼包的渣線磚，電爐的爐墻，水泥回轉(zhuǎn)窯的燒成帶和過渡帶，冶煉有色金屬(銅、鉛、鋅等)的爐襯等。通常，傳統(tǒng)習(xí)慣起著決定性的作用，這就是為什么定型制品仍然用于按照傳統(tǒng)設(shè)計的爐子內(nèi)襯。

近來，不定形耐火材料不僅用來制造新的不定形耐火內(nèi)襯，而且被大量地用作修補和維護服役中的耐火內(nèi)襯。不定形耐火材料有多種施工方法，包括有振動和無振動(自流料)的澆注、噴補、搗打和壓入。一些施工方式已經(jīng)成為并且將持續(xù)成為不定形耐火材料的主要施工方式。按照傳統(tǒng)方法，不定形耐火材料被用作傳統(tǒng)電弧爐的爐底(堿性耐火材料)、炮泥、高爐出鐵溝和一些修補和維護的材料。在某些場合，形狀復(fù)雜的制品已經(jīng)被不定形耐火材料所替代，因而產(chǎn)生了復(fù)合內(nèi)襯。垃圾焚燒爐就是一個例子。

不定形耐火材料實際上是形成了無接縫的內(nèi)襯，在使用時已經(jīng)是確定的形狀。有關(guān)澆注料的擴展應(yīng)用的一個典型例子是鋼包上所使用的不定形耐火材料內(nèi)襯的發(fā)展。原則上，鋼包內(nèi)襯可以分為不定形耐火材料或定型制品，材質(zhì)為高鋁質(zhì)(中性)或堿性。用澆注料制得的不定形內(nèi)襯主要局限于高鋁質(zhì)材料，定型制品可以是中性或堿性材料。已經(jīng)進行了大量工作以努力開發(fā)堿性澆注料，但至今為止還沒有在鋼包上成功使用堿性澆注料的報道。主要的問題是鎂砂易于水化，必須選擇新的結(jié)合劑。在定型制品中，針對鎂磚的某些負面性能如熱膨脹率高、抗渣侵蝕性差等，在組分中加入了碳。鎂質(zhì)澆注料中碳的有效加入量還沒有合理地確定，這是一個制約MgO-C澆注料廣泛和成功運用的因素。然而，隨著高性能的低水泥和超低水泥澆注料的開發(fā)，不定形內(nèi)襯已經(jīng)在鋼包上取得了越來越重要的地位。高鋁質(zhì)澆注料以及包襯更換技術(shù)已成為一種廣泛使用的技術(shù)。在新砌筑好的鋼包服役一次后，包襯內(nèi)表面可以使用機械化方法進行清除，在損壞的表面上可以澆注一層新的澆注料。這個程序可以重復(fù)進行好多次。與最初的砌筑全新包襯技術(shù)相比，實行包襯更換技術(shù)的鋼包材料的消耗量為40%~50%，這意味著這項技術(shù)可以節(jié)約50%~60%的爐襯材料。與磚襯相比，不定形耐火材料作為內(nèi)襯的好處可以歸納如下：減少砌筑的人力和時間，提高鋼包的利用率。由于減少服役中的鋼包數(shù)量，因此降低了耐火材料的消耗和費用。

不定形耐火材料在窯爐的維護中起著重要作用，這是因為可以在最短的停工期內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模的修補，在某些情況下甚至可以在操作過程中實現(xiàn)修補。對內(nèi)襯的系統(tǒng)修補可以使窯爐的使用壽命得到延長。對吹氧轉(zhuǎn)爐的堿性內(nèi)襯的修補即是一例。使用堿性混合物料進行有規(guī)律的噴射，同時精確控制渣的生成，濺渣護爐可以使內(nèi)襯的壽命提高到20000爐次以上，而噸鋼耐火材料的消耗可以降低至lkg以下。

三、結(jié)束語

當(dāng)選擇使用不定形耐火材料內(nèi)襯還是傳統(tǒng)的磚襯時，不定形耐火材料的快速施工(使用新的結(jié)合劑)以及干燥和加熱時間的縮短所帶來的優(yōu)勢將起到重要作用。在很多情況下，原材料占據(jù)了最終產(chǎn)品價格的最大部分(可達60%)，因為原料對產(chǎn)品的性能有著巨大的影響，這就排除了使用廉價原材料的可能性。從這個觀點出發(fā)，由于原料在不定形耐火材料中占有主要地位，所以不定形耐火材料的使用會帶來無可非議的經(jīng)濟效益。持續(xù)改進質(zhì)量和施工快速化、簡單化最終都會讓使用更經(jīng)濟化。可以認為，不定形耐火材料和定型耐火材料的不同比例將會持續(xù)增長。新型不定形耐火材料的深入研發(fā)和施工砌筑技術(shù)的創(chuàng)新，以及預(yù)制件技術(shù)都會維持這種趨勢。