陈树光
昆明理工大学设计研究院
摘要：耐火材料是一种耐热、耐压或耐化学侵蚀的材料，在高温下仍能保持强度和形状耐火材料是无机非金属材料，具有多孔的和异质的结构。它们通常由硅、铝、镁、钙和锆等多种无机非金属的氧化物组成。论文分析了耐火材料的生产工艺、性能，并结合案例探讨了影响耐火材料寿命的因素。
关键词：耐火材料；性能；使用寿命；应用及展望
国际标准中规定，耐火材料是指耐火度至少为1500 ℃的无机非金属材料；在中国，耐火材料是耐火度不低于1580 ℃的无机非金属材料。目前有些特殊的材料,如致密定形耐火制品(耐火浇注料)体积密度通常按国家标准GB/T 2997—2000进行测定,体积密度按YB/T 5200—1993进行测定。炼钢用的保护渣，其耐火度仅1200 ℃，但传统上也称之为耐火材料。耐火材料被用来制造炉、窑、垃圾焚化炉、核反应堆、坩埚、模具。在钢铁有色冶炼和金属铸造的炉体中大约70%的部位都在耐火材料。
1 耐火材料的生产工艺
普通无机非金属材料的生产是采用天然矿石作原料。经过粉碎、配料、混合等工序，成型（陶瓷、耐火材料等）或不成型（水泥、玻璃等），在高温下煅烧成多晶态（水泥、陶瓷等）或非晶态（玻璃、铸石等），再经过进一步的加工如粉磨(水泥)、上釉彩饰（陶瓷）、成型后退火(玻璃、铸石等)，得到粉状或块状的制品。
特种无机非金属材料的原料多采用高纯、微细的人工粉料。单晶体材料用焰融、提拉、水溶液、气相及高压合成等方法制造。多晶体材料用热压铸、等静压、轧膜、流延、喷射或蒸镀等方法成型后再煅烧，或用热压、高温等静压等烧结工艺，或用水热合成、超高压合成或熔体晶化等方法制造粉状、块状或薄膜状的制品。非晶态材料用高温熔融、熔体凝固、喷涂、拉丝或喷吹等方法制成块状、薄膜或纤维状的制品。
2 耐火材料性能
耐火材料一般应具有高的耐火度、高的荷重软化温度、良好的高温体积稳定性和抗热震性、一定的耐磨性以及优异的抗渣性。此外，还要求其外形规整，尺寸准确。对某些特殊领域使用的耐火材料，还要求其具有诸如透气性、导热性、导电性等特殊性能。
目前为止，还没有能同时满足上述所有性能要求的耐火材料，因此在使用耐火材料时，要根据使用条件来选择。
2.1 耐火材料结构性能
耐火材料的结构性能包括气孔率、吸水率、透气度、气孔孔径分布、体积密度、真密度等。它们是评价耐火材料质量的重要指标。耐火材料的结构性能与该材料所用原料和其制造工艺，包括原料的种类、配比、粒度和混合、成型、干燥及烧成条件等密切相关。
2.2 耐火材料气孔率
材料中气孔体积与材料总体积之比，有真气孔率，封闭气孔率和显气孔率之分，通常在我国耐火材料界中称气孔率即指显气孔率。耐火材料中的气孔大致可分为三类：闭口气孔、开口气孔、贯通气孔。通常，将上述3类气孔合并为两类， 即开口气孔(包括贯通气孔)和封闭气孔。
气孔率是多数耐火材料的基本技术指标，它几乎影响耐火制品的所有性能，尤其是强度、热导率、抗侵蚀性、抗热震性等。一般来说，气孔率增大，强度降低，热导率降低，抗侵蚀性降低。
耐火材料的气孔率受所有原料、工艺条件等多种因素影响。一般来说，选用致密的原料，按照最紧密堆积原理来采用合理的颗粒级配，选用合适的结合剂，物料充分混炼，高压成型，提高烧成温度和延长保温时间均有利于降低材料的气孔率。
2.3 耐火材料吸水率
吸水率是材料中全部开口气孔吸满水的质量与其干燥质量之比，以百分率表示，它实质上是反映制品中开口气孔量的一个技术指标，由于其测定简便，在生产中多用来鉴定原料煅烧质量。烧结良好的原料，其吸水率数值应较低。
2.4 耐火材料透气率透
透气度是材料在压差下允许气体通过的性能。透气度与贯通气孔的大小、数量、结构和状态有关，并随耐火制品成型时的加压方向而异。
致密定形耐火制品的透气度应按照国家标准GB/T 3000—1999 (等效采用国际标准ISO 8841—1991)进行测定。
耐火材料透气度直接影响其抗侵蚀介质如熔渣、钢液、铁水及各种气体(蒸汽)的侵蚀性，抗氧化性，透气功能等。对用于隔离火焰或高温气体或直接接触熔渣、熔融金属的制品，要求其具有很低的透气度;而有些功能材料，则又必须具有一定的透气度。
2.5 耐火材料气孔孔径
气孔孔径分布是耐火材料中不同孔径下的孔容积分布频率。耐火材料气孔孔径分布应按照YB/T 118—1997进行测定。耐火材料的孔径分布直接受原料、颗粒级配、粉料和微粉、结合剂、成型和烧成制度等的影响。气孔孔径分布对材料的抗侵蚀性、强度、热导率、抗热震性等有一定影响。
2.6 体积密度
体积密度是耐火材料的干燥质量与其总体积(固体、开口气孔和闭口气孔的体积总和)的比值，即材料单位体积的质量，用g/cm3或kg/m3表示。
体积密度是表示耐火材料的致密程度，是所有耐火原料和耐火制品质量标准中的基本指标之一。真密度是耐火材料中的固体质量与其真体积(固体部分的体积)的比值，用 g/cm3 或 kg/m3 表示。
材料的体积密度对其他许多性能都有显著的影响，如气孔率、强度、抗侵蚀性、荷重软化温度、耐磨性、抗热震性等。对轻质隔热材料，如隔热砖、轻质浇注料等，体积密度与其导热性和热容量也有密切的关系。一般来说，材料的体积密度高，对其强度、抗侵蚀性、耐磨性、荷重软化温度
4 耐火材料的热学性能和电学性能
耐火材料的热学性能包括热容、热膨胀性、热导率、温度传导性等。耐火材料的热学性能是衡量制品能否适应具体热过程需要的依据，是工业窑炉和高温设备进行结构设计时所需要的基本数据。耐火材料的热学性能与其制造所用原料、工艺，与其化学组成、矿物组成及显微结构等都密切相关。
比热容指常压下加热1kg物质使之升温1℃所需的热量(以kj计)。比热容是单位质量(1g或1kg第三阶 段从20世纪80年代开始至今，采用复合结合剂、超微粉及高效外 加剂，用髙纯矾土熟料、刚玉、莫来石、碳化硅和人工合成等原材料，配制成功低水泥系列耐火浇注料、新技术耐火浇注料和新施工 法材料等新品种，其特点是自结合、自烧结和自膨胀，性能显著提高，应用范围与烧成耐火砖基本相似，已进人各种 高温熔炼炉及其附属热工设备，并获得良好的使用效果。采用超微粉技术，开发低水泥系列耐火浇注料和新技术耐火浇注料等，并进人高温熔炼炉，是这个阶段的重要标志，也是今后的发展方向。
5 案例分析
5.1 影响水泥回转窑耐火材料使用寿命的因素
5.1.1 回转窑耐火材料内衬的作用
回转窑耐火材料内衬的作用如下：1）阻止高温物料、火焰及气流对筒体的直接损伤，保护窑筒体，避免窑筒体高温变形。2）阻止烧成过程中液相量熟料及CO、Cl2、SO2等有害物质直接侵蚀筒体。3）在煅烧过程中，熟料的烧成温度约为1450℃，但窑内烧成带燃烧气体的温度最高可达1700℃以上，窑内耐火材料起到隔热作用，降低筒体温度，阻止热量损失节约能源。4）具有蓄热保温的作用，耐火材料窑衬可以充当传热介质，从窑内高温气体中吸收热量，以传导及辐射方式把热量传给物料。5）耐火材料窑衬能够改善挂窑皮性能，阻止高温及有害物质对筒体的侵蚀，能够更好保护窑筒体。
影响回转窑耐火材料使用寿命的因素回转窑内可分为前窑口、下过渡带、烧成带、上过渡带、预分解带和后窑口等部位。根据不同部位的温度，需配置不同材质的耐火材料内衬。在生产过程中，耐火材料会受到来自窑筒体及物料向前运动的机械负荷、喷煤管煤粉燃烧和高温物料的热负荷、熟料及有害气体的化学侵蚀等；窑内耐火材料设计、质量、砌筑、烘炉以及来自物料的磨损等因素，都会导致耐火材料内衬过早损坏。
经过理论分析，结合实际生产经验，得出影响窑内耐火砖使用寿命的因素主要有化学侵蚀、热负荷、机械负荷三个方面因素。
5.1.2 影响窑内耐火材料寿命的因素?
(1)机械负荷对耐火材料使用寿命的影响
回转窑的机械负荷主要是水泥熟料在煅烧过程中，筒体、耐火材料、物料、含尘气体相对运动并传热，窑衬受到相对运动而产生的机械负荷以及来自物料的重力和磨蚀作用。当窑内耐火材料所承受的机械负荷超过自身强度时，会导致耐火材料损坏。产生机械负荷的因素主要有以下三个原因：(1）筒体扭曲及变形。由于回转窑内耐火材料、窑内物料和筒体自身重量累加重量过大，在重力以及热负荷作用下，或因局部高温导致筒体局部发生凹凸形变。筒体的圆形截面会变成椭圆形，当窑运转时，筒体变形处会对耐火材料产生机械负荷，且椭圆度愈大所产生的机械负荷也愈大。由椭圆度变化产生的剪切应力作用在每环砖上，故造成砖剥落，一般情况下，剥片厚度均匀、坚硬.
(2）回转窑的轴线偏移\
回转窑是由轮带、托轮、托辊支撑的，各断面圆中心点的连线，应在一条直线上。但在窑筒体安装及部分筒体切割更换后，或者窑体经过一段时间运行后且窑内热工制度不稳定，在热负荷和荷重的作用下，窑体的轴线会产生偏移。再经长时间的运转，轮带和托辊的磨损、托辊出现的外偏和内偏，各个支撑点的荷重会发生不同变化，特别是当支撑点的荷重过大时，轮带及托辊表面会异常剥离或裂缝，这又将进一步加剧窑体轴线偏移；轴线偏移结果将导致耐火材料受到挤压变形造成破损或脱落，就会导致耐火砖损坏后出形状深浅不一
(3）砌筑质量。由于施工因素，造成耐火砖砌筑过松及扭曲错台，在回转窑运转过程中，窑筒体与耐火砖冷面产生相对运动，砖衬推力过大，会导致耐火砖扭斜错位和砖层裂、掉角、甚至掉砖
5.1.3 热应力膨胀引起的耐火砖损坏
热负荷对耐火材料使用寿命的影响热负荷是指窑内衬在烘炉温升过程中，耐火材料因受高温产生的热膨胀，造成相邻耐火材料之间相互挤压。使其不能完全自由膨胀而产生的挤压应力大于耐火砖的强度时，就会导致耐火砖热面剥落，热应力是窑内耐火砖剥落、破损的重要原因之一。以镁铁砖或镁铝尖晶石砖为例，l400℃时的膨胀率按1.6%计算，长198 mm的耐火砖其膨胀量可达3.16 mm，如此大的膨胀，需要正确地预留好环缝（膨胀缝），预留过大可能会导致耐火砖出现抽签、掉砖现象，预留过小产生的热应力无处释放，会导致耐火砖产生剥落现象，从而严重缩短耐火砖的使用寿命
5.1.4 化学侵蚀对耐火材料使用寿命的影响
化学侵蚀对耐火材料侵蚀在任何窑炉上都存在，是影响窑炉的使用寿命重要因素之一，并且侵蚀机理较多而复杂。(1）煅烧温度过高或波动在回转窑内物料逐步转化为水泥熟料，烧成带熟料的液相量约在25%～30%，转化成的熟料物相主要包含C3S、C2S、C3A和C4AF等，高温下液相熟料会与耐火砖表面发生化学反应，并且耐火材料还会受到碱盐等有害物质和部分有害气体的渗透侵蚀。
5.1.5 冷窑制度不合理造成耐火材料整层剥落
若煅烧温度过高，熟料液相量升高，熟料与耐火材料的化学反应会加剧，导致熟料与耐火材料热端的反应层加深，因反应层与砖的内部结构存在差异，发生了质的变化，如窑内温度突然发生较大波动或停窑冷却时，耐火材料变质层会造成的剥落开裂。所以为了保证耐火砖的使用寿命，应稳定生产操作，制定合理的操作制度
5.2 影响铜冶炼耐火材料的使用寿命
在铜冶炼过程中炉衬主要使用的耐火材料90%都是直接结合镁铬砖和半再结合镁铬砖镁铬砖它的主要成分是氧化镁（MgO）和氧化铬（Cr2O3），以镁铝尖晶石和尖晶石为主要矿物成分的耐火制品。
普通镁铬砖是以烧结镁砂和耐火级铬矿为原料制成的。耐火颗粒之间的空隙与硅酸盐结合。体积密度高，导热系数低，保温性能好；耐火材料类别允许直接接触火，适用于各种环境；炉衬整体性好，使用寿命长，操作方便，成型灵活；产品规格：标准型、标准型、异型、异型砖；价格也是非常昂贵，这就要求炉型整体性结构设计规范标准，耐材尺寸，外观必须规范正负偏差0.5mm~0.1mm之间（国内耐材厂家无法做到）只能靠国外购进,因此为君衡炉体内耐材的蚀损达到最佳的使用寿命在整座冶炼炉中通常采用综合砌筑（不同部位砌筑不同的耐材）也就是说耐火材料的实际使用效果就是优化炉体设计的重要依据。
5.2.1 炉衬主要损毁的反应机理
耐材组分与熔渣反应引起化学溶蚀；溶体渗漏导致耐材产生裂纹和结构剥落；炉内气氛引起材料结构疏松；烟气冲刷和机械性磨损也会加速耐材的侵蚀；炉内温度急速变化频繁不稳定也会导致耐材的烧损及剥落。
综上所述，应该分析出耐材经常受损的部位，导致什么原因引起如何加以改进等，建议工矿企业根据炉体重点损毁部位做好两个维护（1）该部位砌筑时用高端耐冲刷的直接再结合镁烙砖 （2）加强该部位的炉壁降温工作
5.2.2 铜冶炼炉底耐材的使用规格及砌筑流程
炉底通常也称沉淀池该区域的使用温度低且容易结成“炉结层”所以对耐材得以起到保护作用基本不会受损，铜冶炼炉底层厚度为132cm。自下而上分别2cm的硅酸铝纤维板，26cm（230x114x65）厚高强度轻质黏土砖砌筑四层，26cm（230x114x65厚的高铝砖砌筑四层，32.5cm（230x114x65）厚的直接结合镁铬砖砌筑五层，45.5cm（230x114x65高的半直接结合镁铬砖砌筑七层。
5.2.3 铜冶炼炉沉淀池侧壁耐材的侵蚀情况
沉电池侧壁高度自下而上依次为冰铜区 渣线区 气流区。为保护侧壁耐材不受过多侵蚀从而延长使用寿命，因此在熔池四周设有立式铜板水套，在气流区设有2~3层水平铜水套，渣线区（常有2个渣口）侵蚀严重必须选用抗渣线 抗冲刷强的优质‘电熔直接再结合镁铬砖’，冰铜区设有6~7个冰铜口四周采用电熔再结合镁铬砖外其它采用半再结合镁铬砖。
6 耐火材料的前景展望
价格优势。国内耐火材料无论是定型耐材还是致密性耐材（浇注料）性价比都比国外有明显优势。1）高铝磷酸盐砖国内1200~1400元/吨之间（根据包装）国外进口1900~2100元/吨/之间（根据包装） 2）铬刚玉砖 铝铬砖 国内12000~14000元/吨之间，国外18000~21000元/之间 3）电熔砖 6000~6500元/吨之间，国外9000~11000元/吨之间，4）直接结合镁铬砖4950~6000元/之间，国外9000~11000元/之间。5）镁铬砖半再结合3200~3500元/之间，国外5000~6000元/之间………等等。
运输成本。由于是国内运输耐材吨成本明显比进口耐材有价格上的优势（海关 税收 交通工具）。
服务优势。在国内订货周期比国外时间快 产品价格合理，现场技术指导和沟通直接方便。
不足之处。国内耐材质量不如国外稳定（当然并不是崇洋媚外）具体表现在， 1）产品同批次 同厂之间尤其是各个厂家同一牌号产品质量不稳定。2）高端耐材产品杂质含量偏高（fe si ca ）主要原因是对原料的处理和纯度不够重视。3）外观尺寸和外形质量参差不齐 出厂前没能做人真的修饰这给砌筑带来很大难度增加人工成本。4）产品不能根据炉体或者窑体不同部位生产出耐磨抗冲刷的耐火材料，都是一个模具同一批原料成批生产（国外就可以定制生产）。5）包装粗糙运输途中和上下车容易发生破损。
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