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1、 保温材料与节能技术 1 9 9 7 年第 6 期 姘 州，j 笺 ，训螂矗 。-i _ 薹 耐 材料 现状 稻 展趋 势 薯 蓦。：毒 垂簟：-0 ：一 至 量 0 善 善 重 i 塞 囊 囊 兰 善 等 ；：一 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 1 5 8 0 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
2、，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)的主要高温建筑材料和结构材料，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 1 5 8 0 能够承受炉、窑的荷t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-不致由于黪胀和收 缩使炉体变形或出现裂纹，影响炉体使用寿 命I 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 I 在使用过程中，材料能
3、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 乏 霉：7 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。耐火材料按耐火度可以分为普通(1 5 8 0 1 7 7 0)、高级(1 7 7 0 2 0 0 0 C)和 特 级(2 0 0 0 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。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
4、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2 8 0 0 刚 玉 2 0 5 0。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 愚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。在主品相间的荩它矿物(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
5、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-除采用纯窿高、烧结良好的镁砂外-还要提 11 0 n“一 一。维普资讯 http:/ 保温材料与节能技术 1 9 9 7 年第 6 期 高镁砂中C a O和 S iO z 的比值，以求得到熔 点高的基质矿物，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
6、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
7、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。只有根据不同工作条件、环境以及各种 1 2 耐火材料的
8、特点，正确选择，合理地使用耐 火材料，才能充分发挥它们的特性，取得最 佳使用效果。近一、二十年来，耐火材料的新 品种不 断出现。例如，直接结合碱性砖，它与传统低 熔点的硅酸盐结合的碱性砖有本质区别，由 于其主晶相问形成了直接结合网络，因此表 现出良好的抗侵蚀性、抗热震性和热稳定 性，同时高温机械强度也较高，已用于水泥 工业大型回转窑、各种大功率电炉和窑炉、冶金工业熔烘炉等 七十年代，为了适应超 高功率电炉热点部位的需要，日本开发了镁 碳砖，它是用成质镁砂和石墨为原料制成的 碳结合材料。因为碳砖中有一定量的石墨成 分，并形成良好的碳素结构，教具有抗侵蚀 性强、热震稳定性好的特点，用在超高功率 电
9、炉的关键部位取得了成功。为适应大型 陶瓷玻璃熔窑、冶金熔 炼 炉、化工等各种工业炉的发展，还相继开发 了一批高纯铅质耐火材料系列，主要包括刚 玉砖、莫来石砖、高铅石墨锆质砖和碳化硅 质耐火材料系列，如氮化硅结合碳化硅砖 等。不定型耐火材料是一种不经高温烧成 的散状耐火材料。它包括浇注料、捣打料、可 塑料、喷补料、涂抹料、投射料、压人料、火泥 等品种，是耐火材料中新形成的一个重要分 支，被喻为第二代耐火材料。不定型耐火材料具有生产工艺简单，节 约能源，产品性能优良，能够任意造型，可机 械化施工，衬里整体性好和使用寿命高等优 点，因此发展迅速 特别是最近十多年来，各 个工业部门的新技术、薪工艺、新
10、设备不断 涌现，促进了工业窑炉的变革，推动了耐火 材料的发展，其 品种结构也发生 了质的变 化。在耐火材料工业中，定型耐火材料的产 量逐年下降，不定型耐火材料的产量不断增 加。在发达国家其比例已接近各占一半，在 我国，不定型耐火材料的比例也从 1 9 7 0年 维普资讯 http:/ 保温材料与节能技术 1 9 9 7 年第 6 期 的 1 5 增加到 1 9 9 0 年的 1 5 ，增长了9 倍。但其比例与发达国家相比仍然很低，应 加速发展 国外经验证明，不定型耐火材料产量约 占耐火材料总产量的 5 0 时，才处于饱和 状态。就其品种而言，耐火烧注料和耐火喷 涂料是今后的主要发展方向。我国不
11、定型耐 火材料的产量到本世纪末预计将达到 1 7 5 万吨，即占耐火材料总产量的2 8 。耐火纤维是六十年代初发展起来的既 耐高温又隔热的纤维状的耐火材料。它具有 重量轻、热稳定性好、导热率低、热容小、耐 机械震动，吸音好等无可替代的优良品质。由于它富于弹性、可以加工成毯、毡、板、纸、带等，可广泛的应用于冶金、石化、机械、电 子、建筑、轻工等行业。国内耐火纤维的生 产、应用从湿法制小块毡、千法制连续卷毯、针刺毯、直到目前广泛使用的针刺毯折迭组 合块等。国内耐火纤维应用技术的主要特点是：1 在 1 0 0 0 以下工业窑炉应用技术成 熟，经济效益显著。使耐火纤维成为各工业 部门 1 0 0 0
12、以下窑炉常规的节能措施，以 冶金系统为例：耐火、焦化、炼铁、炼钢、轧钢 及机修等各生产环节 1 0 0 0-C=以下工业窑炉 应用耐火纤维的复盖率已达 6 3 ，新建 1 0 0 0 C 以下问歇式炉大多采用节能型全纤 维炉，传统层铺式纤维炉村已被不同结构的 组件式纤维炉衬所取代。2 高铝(5 5 A l zO，)纤维制品在火焰炉 内使用温度更低，含锆纤维制品的批量生产 及成功应用，解决了 l 2 0 0 1 3 0 0 高温窑 炉所需材质，并较采用多晶纤维制品、混合 纤维制品造价低，纤维炉村结构强度高。3 随着耐火纤维应用范围的扩大，高强 度 抗风蚀硬质纤维壁衬应用 日益广泛，而 硬质制品必
13、须采用真空成型工艺生产，尤其 是对真空成型生产加入的结台剂、集料、添 加剂，对不同硬质纤维制品其加入的品种、配比都不相同。不仅要求生产硬板，并能生 产硬质异型制品。如烧嘴砖、看火孔、炉门 等。4 7 2 A l 0 多晶莫来 石纤 维、8 0 、9 5 A l 多晶氧化铝纤维，自产品问世以 来，已在冶金 石化、电瓷行业 1 3 0 0 以上 窑炉陆续取得成功应用炉例和经验，由于多 晶纤维生产技术投工艺限制，目前仅能提供 散状多晶纤维叠条。组件容重为 1 0 0 公斤 立方米，纤维叠 条组件通过粘结剂贴于耐火砖壁 此外，甩 高铝纤维按一定比例与多晶氧化铝纤维(或 多晶莫来石纤维)混配纤维制品。用
14、作 1 2 5 0 1 3 0 0 C高温窑炉壁衬。5 耐火纤维应用配套件是推进耐火纤 维应用技术发展的主要条件，大型窑炉纤维 壁衬，已由不同结构的纤维组件炉衬取代了 传统的层铺式纤维炉村，这一发展趋势促进 了耐火纤维应用配套件的发展，并出现了 一 些耐火纤维应用配套专业生产 6 耐火纤维喷涂技术及喷溶炉衬是国 际八十年代末九十年代初开发的耐火纤维 应用新技术，它具有施工快、炉衬无接缝、绝 热性能好等优点 目前北京、河南三门峡、上 海、鞍山等地均引进了国外耐火纤维喷涂设 备-并在石化、冶盘系统工业窑炉上取得了 成功的应用炉倒。耐火纤维喷涂是通过专用 纤维喷涂设备制作高性能的耐火保温层的 先进施
15、工技术，它与其它方法获得的耐火纤 维炉衬、保温层相 比具有下列优点：1 施工简单方便，大大提高了施工速 度。平均每小时可喷涂3 0 0 k g 的纤维棉，并 且衬里施工后即可投入生产，减少了近4 5 的烘炉时问，可获得 良好的经济效益；2 衬里无接缝，提高了衬里的严密性；3 散状纤维棉在喷涂中形成的三维网 状结构，可有效地避免纤维制品在高温下的 定向收缩，有效地降低加热炉外壁温度，解 决加热炉操作中热烟气的申气问题，并提高 一1 3 维普资讯 http:/ 保温材料与节能技术 1 9 9 7 年第 6期 了纤维衬里的强度 4 特别适合于复杂异形炉墙的衬里，如 拐角处，前后墙穿管处等。采用折叠块
16、或小 块毡在这种部位施工困难，常常引起串烟漏 气 而采用纤维喷涂方式则非常方便；5 炉衬外观光洁平整美观；6 耐火纤维喷沫衬里可以经受较强的 气流冲击和振动；7 耐火纤维喷涂衬里易于修补；8 耐火纤维喷涂衬里的导热系数同其 它类型的耐火纤维衬里相似，但 由于其严密 性较好，保 温钉又全部埋在纤维层内而无直 接热桥，因而炉墙表面散热损失较其它的耐 火纤维为小，提高了加热炉的热效率。随着空问技术、核能及电子技术的发 展，在传统 陶瓷和耐火材料的基础上，近十 余年来，又开发出一种特殊的耐火材料一 高温陶瓷材料，它是无机非金属材料的一个 新分支。这类材料是 随着 I 9 8 1年美 国“哥 伦比亚”号
17、航天飞机成功着陆而名声太振 的 当航天飞机重返大气层时，由于速度极*X-*X-X-*不会燃烧的绝热材料 俄罗斯研制成功一种质轻、强度高、对 生态环境无害的绝热材料。它是用玄武岩、石英、高岭土的矿物纤维以及无机牯台剂制 造的 它不会燃烧，不会产生毒化作用。采甩由矿物纤维制造绝热材料的工艺 不仅能制造出绝热板材，还能制造出异型绝 热材料一一绝热管、绝热法兰盘以及由几层 绝热板聚合而成的复合板材 多层复合板材的特点在于预先为每一 层确定了一个耐热的温度范围，如玄武岩纤 维制成的那一层可达 7 0 0 C，高岭土纤维制 成的那一层可达 1 3 0 0 c。至于整个多层复 合体所能耐受的温度范围，在绝热
18、材料的体 积和总量稍有增加的条件下，还将扩大。(黄爱群)】4 一 快，机身与空气分子激烈摩擦所产生的热量 可达三千多度 这时任何金属都会熔化。“哥 伦比亚”号飞机多次延期起飞原因就是机身 蒙皮耐火材料不过关。后来在飞机机身铺上 了三万块新研制的耐高温的陶瓷片，才使“哥伦比亚”号通过了高温的严酷考验。高温 陶瓷材料熔点高达四千多度，井有良好的化 学及热震稳定性以及传统耐火材料所没有 的特殊性能(为高温持久强度及电子学性能 等)。它包括一些高熔点的氧化物材料(如氧 化铝、氧化镁、氧化锆、氧化钙等)和非氧化 物材料(如氮化物、硅化物、硼化物、碳化物、硫化物等)。这类材料是基于门捷列夫元素 周期表中I
19、V、V、族金属熔点高，并能与原 子半径不大的 B、N、c、S i、s等元素形成高 强度难熔化台物的理论研制成功的。总之，随着科学技术的发展，耐火材料 正在发生着飞跃，它已突破传统“筑炉材料”的范畴，在现代化工业技术领域不断拓宽自 己的领域，为新型材料的发展作出自己的贡 献。英国采用矿棉板作为防火 保护材料的建筑开始增多 近几年在英国建筑领域中，尽管喷涂防 火施工仍占有主要地位，但是采用矿物棉板 的防火施工已开始在越来越多的建筑上推 广应用 例如，曼彻斯特的皇家交易所及维 克多 2 0 0 0 竞技场 伦敦的圣托马斯医院，H e a t u o n 候机楼及爱丁堡的G y l e 购物中心 等。矿棉板防火保护材料的主要特点是：容 重轻；成本低；工厂化制造；干法施工并且可 用装饰布或铝箔贴面。据统计，目前主要有 七种矿棉板固定施工方式，可提供 0 5 至4 小时不等的耐火极限 目前，矿棉板防火材 料归类在权成的u L防火手册中的 3 0 0系 列。(周立鸣)维普资讯 http:/