耐火材料在冶金中的應用探討

朱曉晨 吳晗

摘 要：簡要介紹耐火材料的性質及分類，探討耐火材料在冶金行業的廣泛應用，分析不同材料在冶金中的優良表現，推測耐火材料的發展方向，為日后耐火材料的發展應用提供一些參考依據。

關鍵詞：耐火材料;冶金;應用

在傳統工業生產的冶金工業中，許多環節都是在高溫下進行，耐火材料因此成為了冶金工業生產中必不可少的重要組成部分。耐火材料的應用及發展與高溫工業的發展革新密切相關，是高溫技術廣泛應用的基礎。本文對耐火材料進行了簡單的介紹，并對其在冶金工業中的應用進行了分析論述。

一 耐火材料的性質分類

（一）耐火材料的性質

⑴物理性質。物理性質分為結構性質、力學性質和熱學性質。

①結構性質。結構性質包括吸水率、氣孔率、真密度、體積密度及透氣度。

吸水率指材料所有氣孔吸收水后的質量與干燥時的質量比，可判斷煅燒質量，質量越好，吸水率就越低。氣孔率指貫通及開口兩種氣孔在材料體積中所占比重。真密度是多孔耐火材料與材料本身的真體積之比，可反映材料的純度高低。體積密度指材料干燥質量與自身總體積比值，可衡量判斷材料的質量水平。透氣度是制品在壓差情況下允許氣體通過的性能，受材料貫通氣孔的影響，透氣度越低，熱工爐窖的熱損失就越低，材料質量越好。

②力學性質。力學性質包括抗折強度、耐壓強度、耐磨性及高溫蠕變性。

抗折強度指三維一定的材料所能承受的壓力極限。耐壓強度指材料在一定溫度下單位面積所能承受的荷載極限。抗折抗壓都分常溫和高溫兩種強度。耐磨性指材料對堅硬物體及氣流的沖刷、摩擦的抵抗能力，由組織結構、強度密度等性質決定。高溫蠕變性指材料在恒定高溫下隨時間變化而產生的等溫形變。

③熱學性質。熱學性質包括熱容、熱膨脹、熱導率及溫度傳導性。

熱容指材料在溫度每上升1K時所吸收的熱量。熱膨脹指材料體積隨溫度升高而變大的現象，反映抗熱震穩定性等。熱導率指材料在單位溫度梯度下單位面積的熱流速率，反映導熱性。溫度傳導性指材料的溫度傳遞能力。

⑵使用性質。使用性質分為耐火度、荷重軟化溫度與高溫蠕變以及高溫體積穩定性。

（二）耐火材料的分類

耐火材料按化學性質分類，可分為酸性、堿性、中性三種耐火材料;也可按生產方式分類為手工型、機壓成型、熔鑄澆注型耐火材料;還可按供貨形態劃分為定形與不定形耐火材料，區別在于在高溫條件下其特定形狀是否發生改變。

二 耐火材料在冶金中的應用

（一）耐火材料在鋼鐵工業中的應用

⑴耐火材料在高爐上的應用

作為冶煉鋼鐵的常見設備，高爐過去常采用磷酸高鋁質耐火材料與高鋁水泥混合修砌而成，如今多使用樹脂結合劑與鋁碳不燒磚混合或是玉-SiC系澆注料砌筑小型及大型高爐[1]。澆注型耐火材料的使用，使高爐的使用壽命有所延長，工作效率也有所提高。

⑵耐火材料在鋼包上的應用

隨著煉鋼過程中出鋼溫度的提高以及鋼包中鋼液的存放時間變長，不定形耐火材料漸漸取代了定形耐火材料的使用。鋼包采用不定形耐火材料，方便了工廠自動化施工的進行，節省生產時間和勞動力的同時降低生產成本，經濟效益提高。不定形耐火材料在檢測維修也更加方便省力，且目前鋼包常采用的Al2O3澆注型耐火材料有著良好的抗腐蝕性及結構剝落少的優點，大大延長了鋼包的使用壽命。

⑶耐火材料在加熱爐上的應用

加熱爐用于鋼坯加熱，其內溫度最高可達1400攝氏度，多由澆注型或可塑型耐火材料筑成。加熱爐的體積較大，對耐火材料的要求相對較高，要滿足施工方便、流動性好、高溫性能好等特點，其性能需求遠高于一般的澆注型耐火材料。大多加熱爐采用粘土與澆注型耐火材料相結合的修筑方法，使用壽命可長達兩年，效果優良。也有部分工廠采用抗侵蝕性能及耐磨性能均表現良好的高鋁質超低水泥澆筑材料，發現其壽命大幅提高的同時還減少了耐火材料的消耗量。

⑷耐火材料在中間包上的應用

隨著連續鑄鋼工業的快速發展，連鑄系統對耐火材料的材質需求變高，主要表現為高級化、多樣化。連鑄系統中，中間包所需要的耐火材料占了整個系統所需耐火材料的90%左右，其壽命及質量直接決定著連鑄系統所消耗的成本高低及產品的質量好壞。近年來，隨著連鑄中間包的功能逐漸增加，其體積也逐漸變大，永久襯以外的工作襯也在往噴涂方向發展，開始使用可將非金屬雜物去除的陶瓷過濾器中間包。

⑸耐火材料在熱風爐上的應用

熱風爐在為高爐供給熱風的過程中長期處于高溫環境，其砌筑過程中也常使用耐火材料。熱風爐的砌筑過程中，球頂工作的施工作業難度極大，僅采用球頂轉，無法達到預期的施工效果。將砌筑材料更換為不定形耐火材料混合少量磷酸鹽混凝土，并噴涂耐酸材料，可使熱風爐內襯形成一個整體，保證使用效果。

⑹耐火材料在其余窯上的應用

耐火材料在煉鋼轉爐上也有著一定時間的應用歷史[2]。MgO-C不燒磚的質量不斷改進并廣泛應用于煉鋼轉爐的砌筑中，加上火焰噴補修補技術的不斷改善，電爐煉鋼的產鋼量在鋼鐵冶煉行業總產鋼量中所占的比例也在不斷的增加。

（二）耐火材料在有色冶金中的應用

耐火材料在煉鋁、煉銅及練鋅等有色冶金生產中同樣應用廣泛[3]。

在煉鋁過程中，煉鋁反射爐由以往的磚砌式結構變為了現在的整體結構，許多部分都用到了耐火材料。酸鹽結合的可塑材料用于爐缸熱面直接接觸，隔熱磚、陶瓷纖維與隔熱澆注型耐火材料混合組成爐缸下部側面熱面，爐頂則采用輕質、致密澆注料及搗打料等耐火材料混合澆筑而成。同時，電解煉鋁時，承受急熱急冷的盛鋁桶也應使用耐火材料，工作襯選用輕質高鋁磚與澆注料，且為了避免鋁液長期放置后凝固，采用隔熱澆注材料，保證保溫效果;非工作襯則為氧化鋁空心球澆注材料。

煉銅時，為了抵抗CuO爐渣的強侵蝕性，粗煉爐多由堿性耐火材料筑成，如反射爐、轉爐、閃速爐等。而精煉爐其溫度相對較低，爐渣量也有所下降，對高溫及抗侵蝕性的要求降低，對耐火材料的選擇范圍也有所增大，澆注料、可塑料、噴涂料等均可用于砌筑。

煉鋅相比其他有色金屬冶煉則涉及到低溫操作，其選用的耐火材料多為優質粘土磚，且為了解決鋅蒸氣和含硫氣體的存在問題，還需優質不滲透的耐火材料作為蒸餾爐內襯。回轉爐中，強酸堿和高溫的影響決定了其內襯應噴涂耐火材料，以延長使用壽命。

三 結語

隨著冶金工業的不斷發展革新，耐火材料也在不斷滿足冶金工業的需求而不斷發展，性能提升，種類增加。在此過程中，過去常用的可塑料、搗打料及投射料因其勞動力耗費大、施工效率低而產量大大減少，而質量更高、施工更方便的澆注料、噴補料明顯產量增加。可以推測，今后耐火材料的發展應用方向是高效澆注料的開發;全干振動料、噴補料及高性能涂料的研發;噴補施工和修補的機械化、自動化等，朝著高純度、高強度、高密度、高質量的方向發展。

參考文獻：

[1]陳洋，鄧承繼，余超，等.鎂鈣碳耐火材料的研究進展[J].中國陶瓷工業，2018， 25（2）：19-23.

[2]郭童雙，鄧承繼，祝洪喜，等.耐火材料的氣孔特性與物理性能相關性的研究進展[J].陶瓷學報，2018，39（3）：9-15.

[3]馮啟超.耐火材料性質分類及其應用[J].科技資訊，2018，16（3）：108-109.