如何优化对耐火材料的使用

苗华梁

摘要：通过对耐火材料性能的分析和评价，从提高耐火材料的耐火性、荷重软化温度、重烧线变化率、抗热震性、抗渣性、抗酸性、抗碱性、抗氧化性、抗水化性和抗CO侵蚀性等多个方面对优化耐火材料的使用性能进行了探讨。

关键词：耐火材料；使用性能；优化

引用

耐火材料是高温技术的基础材料。它们与高温冶炼技术的发展密切相关，尤其是高温冶炼工业。它们相互依存，相互促进，共同发展。在一定条件下，相同材质的耐火材料的质量对高温技术的发展起着关键作用。提高耐火材料的各项指标，不仅能大大提高耐火材料的使用寿命，而且能提高耐火材料的使用性能。因此，在使用中必须优化耐火材料的性能。

一、耐火材料的性质

1.1物理性质

1.1.1结构性质

（1）吸水率：材料上所有的开口气孔吸收水的质量与材料干燥时的质量比即为材料本身的吸水率；通常情况下，会使用吸水率对原材料的煅烧质量进行判断，简单地说就是，原材料经过煅烧以后，煅烧越好，吸水率就会越低。

（2）气孔率：对于耐火材料而言，它的气孔一共可以分为三种，第一，开口气孔，其中一端处于封闭的状态，另一端与外界保持连通的状态，在遇到流体时，可以被填充；第二，贯通气孔，与材料的两侧是连通的，流体可以直接从气孔当中流过；第三，闭口气孔，这种气孔是处在封闭状态的，与外界没有接触。通常将这3类气孔合并为两类，即开口气孔（包括贯通气孔）和闭气孔。气孔率也随之分为3种，显气孔率（材料中所有开口气孔的体积与其总体积之比）、闭气孔率（材料中所有闭口气孔的体积与其总体积之比）和真气孔率（显气孔率和闭口气孔率的总和）。通常闭口气孔的体积很难直接测定，因此材料的气孔率常用显气孔率来表示。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。一般来说，气孔率增大，强度降低，热导率降低，抗侵蚀性降低。

（3）真密度：多孔材料质量和材料本身的真体积之比即为材料的真密度，能够将材质成分纯度很好地反映出来，可以以此为根据对材料使用中的变化加以预测和判断。测定方法为，第一，将试样进行研磨，使之成为粉末状，称量比重瓶质量，并在其中加入试样继续称量其质量，两者的差值m1即为干燥试样质量；第二，对试样及液体比重瓶m2进行称量，在比重瓶当中装满液体，获得质量m3，得出真密度计算公式，其中PL为试样温度下的液体密度，P为试样的真密度。

（4）体积密度：材料本身的干燥质量及其总体积比即为体积密度，该比值是对质量水平进行衡量的重要依据。

（5）透气度：制品在压差情况下允许气体通过的性能即为透气度，而制品透气度通常会受到气孔的结构、数量以及状态等性质的影响，通常透气度过高会导致热工炉窖自身的热损失被增加，所以说，制品透气度越低它的保温性能就越好，热损失越低。

1.1.2力学性质

（1）耐压强度：在一定温度下，材料单位面积不损坏情况下所能承受的最大负荷，具体可以将其分为高温耐压强度和常温耐压强度。（2）抗折强度：所谓抗折强度，主要是指，试样在长、宽、高一定时所能承受的极限弯曲应力，与耐压强度相同，抗折强度同样分为常温和高温两种抗折强度。（3）耐磨性：耐磨强度通常是指材料对气流或坚硬物体冲刷、摩擦和磨碎的抵抗能力，而材料的耐磨性则会受到自身构成、密度、强度和颗粒组合程度等因素的影响。（4）高温蠕变性：在高温恒定的情况下，制品受到施加作用随着时间的变化而产生的等温变化即为高温蠕变性。

1.1.3热学性质

（1）热膨胀：在对材料进行加热的过程中，随着温度的升高材料体积会随之变大即为热膨胀。热膨胀情况能够将材料吸收热量以后自身热应力的大小和分布、进行变化反应出来。

（2）热容：热容即是材料所处环境每升高1K所吸收的热量，而材料在单位质量下，温度每升高1K时吸收的热量，对于炉体温度上升的设计、控制、冷却以及蓄热能力的计算而言，热容指标具有非常重要的作用。

（3）热导率：单位温度梯度在材料单位面积中的热流速率即为热导率，可以对材料导热特性加以表示。

（4）温度传导性：在对材料进行加热或冷却时，热量由高变低导致各部分温度呈现一致性的能力即为温度传导性。

1.2使用性质

（1）耐火度：不受荷载因素影响，在高温情况下不产生软化或熔融即为材料的耐火度，而构成材料的化学矿物以及矿物分布的情况会对材料的耐火度造成一定的影响，如果材料当中的杂质过多或构成成分缺乏均匀性，同样会降低材料的耐火度。（2）高温体积稳定性：在温度上升且承受恒定压负的情况下发生变形的温度，是材料同时面对荷载和高温的抵抗能力。

1.3高温蠕变及荷重软化温度

长期在高温条件下进行使用，材料尺寸和性能仍然可以保持稳定状态即为材料的高温体积稳定性，一般会使用重烧线进行表示。

二、优化耐火材料的使用性能

耐火材料的使用性能是指耐火材料在高温下使用时所具有的性能。包括耐火度、荷重软化温度、重烧线变化率、抗热震性、抗渣性、抗酸性、抗碱性、抗氧化性、抗水化性和抗CO侵蚀性等。

2.1提高耐火度

耐火度指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性能。耐火度是判定材料能否作为耐火材料使用的依据。国际标准化组织规定耐火度达到1500℃以上的无机非金属材料即为耐火材料。耐火度的意义与熔点不同。不能把耐火度作为耐火材料的使用温度。决定耐火度的基本因素是材料的化学矿物组成及其分布情况。各种杂质成分，特别是具有强熔剂作用的杂质成分，会严重降低制品的耐火度。

2.2提高荷重软化温度

耐火材料荷重软化温度是指耐火制品在持续升温条件下承受恒定载荷产生变形的温度。它表示了耐火制品同时抵抗高温和载荷两方面作用的能力，在一定程度上表明制品在其使用条件相仿情况下的结构强度。影响耐火制品荷重软化温度的因素主要是其化学矿物组成和显微结构。提高原料的纯度，减少低熔物或熔剂的含量，增加成型压力，制成高密度的砖坯，可以显著提高制品的荷重软化温度。

2.3控制重烧线变化率

重烧线变化率是指烧成的耐火制品再次加热到规定的温度，保温一定时间，冷却到室温后所产生的残余膨胀和收缩。正号“+”表示膨胀，负号“‐”表示收缩。重烧线变化率是评定耐火制品质量的一项重要指标。化学组成相同的制品重烧线变化产生的原因，主要是耐火制品在烧成过程中，由于温度不匀或时间不足等影响，使其烧成不充分，这种制品在长期使用中，受高温作用时，一些物理化学变化仍然会继续进行，从而使制品的体积发生膨胀或收缩。这种变化对热工窑炉的砌体有极大的破坏作用，因此必须加强制品生产中的烧成控制，使该项指标控制在标准之内甚至达到更小值。

2.4提高抗热震性

抗热震性是指耐火制品对温度迅速变化所产生损伤的抵抗性能。抗热震性也称为热震稳定性、抗温度急变性、耐急冷急热性等。耐火材料在使用过程中，经常会受到环境温度的急剧变化作用。例如，铸钢用盛钢桶衬砖在浇注过程中，转炉、平炉或电炉等炼钢时的加料、出钢或操作中炉温变化等，导致制品产生裂纹、剥落甚至崩溃。此种破坏作用限制了制品和窑炉的加热和冷却速度，限制了窑炉操作的强化，是制品、窑炉损坏较快的主要原因之一。影响耐火制品抗热震性指标的主要原因是制品的物理性质，如热膨胀性、热导率等。一般来说，耐火制品的热膨胀率越大，抗热震性越差；制品的热导率越高，抗热震性就越好。此外，耐火制品的组织结构、颗粒组成和制品形状等均对抗热震性有影响。

2.5提高抗渣性

抗渣性指耐火材料在高温下抵抗炉渣侵蚀和冲刷作用的能力。熔渣侵蚀是耐火材料在使用过程中最常见的一种损坏形式，如各种炼钢炉炉衬、盛钢桶的工作衬、炼铁高炉从炉身下部到炉缸的炉衬、许多有色冶金炉衬、玻璃窑池的池壁以及水泥回转窑内衬等的损坏，多是由此种作用引起的。在实际使用中，约有50%损坏是由于熔渣侵蚀而引起的。

耐火材料的抗渣性能主要与耐火材料的化学矿物组成和组织结构有关，以及熔渣的性质和相互条件有关。采用高春耐火原料，改善产品的化学矿物成分，尽量减少低熔体和杂质的含量，提高产品中液相的温度和与外界的反应，是提高产品抗渣性能的有效途径。另外，注意耐火材料的选择，并尝试使用类似炉渣化学成分的耐火材料，以削弱其在界面上的反应强度。例如，应选择碱性耐火材料作为碱性冶金炉的衬里；或设法改变炉渣的成分，使其接近所用耐火材料的成分；也是提高耐火材料抗渣性能的方法之一。此外，在使用耐火材料时，还应注意的是，所用材料的化学性质应彼此相似，以防止或减轻高温下的界面损伤反应。

2.6提高抗碱性

耐碱性是耐火材料在高温条件下抗碱侵蚀的能力。耐火材料在使用过程中会被碱侵蚀。例如，在高炉冶炼过程中，碱矿物作为原料被引入基矿。这些碱矿物受到铝硅和碳耐火材料碱浓度的侵蚀，温度和水蒸气的影响，关系到高炉衬的使用寿命，提高了耐火材料的耐碱性，并能延长高炉的使用寿命。

2.7提高抗氧化性

抗氧化性是指含碳耐火材料在高温氧化气氛下抵抗氧化的能力。含碳耐火材料优良的抗渣及抗热震性使其在冶金行业上的应用越来越广泛。但是碳在高温下易氧化，这是含碳耐火材料损坏的重要原因。要提高含碳耐火材料的抗氧化性，可选择抗氧化能力强的炭素材料；改善制品的结构特征，增强制品致密程度，降低气孔率；使用微量添加剂，如Si、Al、Mg、Zr、SiC、B4C等。

2.8提高抗水化性

抗水化性是碱性耐火材料在大气中抵抗水化的能力。它是表征碱性耐火材料是否烧结良好的重要指标之一。碱性耐火材料烧结不良时，其中的CaO、MgO，特别是CaO，在大气中极易吸潮水化，生成氢氧化物，使制品疏松损坏。其化学反应式如下：

CaO+H2O→Ca（OH）2

MgO+H2O→Mg（OH）2

提高碱性耐火材料的抗水化性，通常采用下列3种方法：（1）提高烧成温度使其死烧；（2）使CaO、MgO生成稳定的化合物；（3）加保护层减少与大气接触。其目的是使制品能较长时间的存放，而不致水化损坏。

2.9提高抗CO侵蚀性

抗CO侵蚀性是耐火材料在CO气氛中抵抗开裂或崩解的能力。耐火制品在400～600℃下遇到强烈的CO气氛时，由于CO分解，游离C就会沉积在制品上铁点的周围，使制品崩解损坏。高炉冶炼过程中，炉身400～600℃的部位，由于上述原因而使耐火制品开裂和组织结构疏松，是高炉炉衬损毁的重要因素之一。降低耐火制品的显气孔率及氧化铁含量，可以增强其抵抗CO的侵蚀能力。

结束语

总之，为了优化耐火材料的性能，有必要从多方面进行分析，充分考虑耐火材料的特点和使用条件。只有这样才能科学合理地利用耐火材料。

参考文献：

[1]赵威俊。CaO耐火材料的抗水化研究进展2016.2

[2]陈幼良。强化耐火材料管理，优化耐火材料使用2017.12