堿性耐火材料

耐火度高于1580℃的無(wú)機(jī)非金屬材料。耐火度指耐火材料錐形體試樣在沒(méi)有荷重情 況下，抵抗高溫作用而不軟化熔倒的攝氏溫度。耐火材料與高溫技術(shù)相伴出現(xiàn)，大致起源于青銅器時(shí)代中期。中國(guó)東漢時(shí)期已用粘土質(zhì)耐火材料做燒瓷器的窯材和匣缽。20世紀(jì)初，耐火材料向高純、高致密和超高溫制品方向發(fā)展，同時(shí)出現(xiàn)了完全不需燒成、能耗小的不定形耐火材料和耐火纖維?，F(xiàn)代，隨著原子能技術(shù)、空間技術(shù)、新能源技術(shù)的發(fā)展，具有耐高溫、抗腐蝕、抗熱振、耐沖刷等綜合優(yōu)良性能的耐火材料得到了應(yīng)用。

堿性耐火材料basic refractory以CaO、MgO堿土氧化物為主要成分的耐火材料。通常指鎂質(zhì)耐火材料、白云石質(zhì)耐火材料以及石灰質(zhì)耐火材料。

主要有以下幾類:

(1)強(qiáng)堿性的鎂磚、鎂炭磚、白云石磚及石灰質(zhì)耐火材料。

(2)弱堿性的鉻鎂質(zhì)耐火材料、鎂橄欖石質(zhì)耐火材料以及鎂鋁、鎂鉻等尖晶石耐火材料。

堿性耐火材料在高溫下對(duì)堿性爐渣、堿性熔劑抵抗力強(qiáng)，但對(duì)酸性爐渣、酸性熔劑或酸性耐火材料起化學(xué)反應(yīng)。主要用于堿性煉鋼爐和有色金屬冶煉爐，以及水泥窯等。

耐火材料種類繁多，通常按耐火度高低分為普通耐火材料(1580~1770℃)、高級(jí)耐火材料(1770~2000℃)和特級(jí)耐火材料(2000℃以上);

按化學(xué)特性分為酸性耐火材料、中性耐火材料和堿性耐火材料。

此外，還有用于特殊場(chǎng)合的耐火材料。

酸性耐火材料以氧化硅為主要成分，常用的有硅磚和粘土磚。硅磚是含氧化硅93%以上的硅質(zhì)制品，使用的原料有硅石、廢硅磚等，其抗酸性爐渣侵蝕能力強(qiáng)，荷重軟化溫度高，重復(fù)煅燒后體積不收縮，甚至略有膨脹;但其易受堿性渣的侵蝕，抗熱振性差。硅磚主要用于焦?fàn)t、玻璃熔窯、酸性煉鋼爐等熱工設(shè)備。粘土磚以耐火粘土為主要原料，含有30%~46%的氧化鋁，屬弱酸性耐火材料，抗熱振性好，對(duì)酸性爐渣有抗蝕性，應(yīng)用廣泛。

中性耐火材料以氧化鋁、氧化鉻或碳為主要成分。含氧化鋁95%以上的剛玉制品是一種用途較廣的優(yōu)質(zhì)耐火材料。以氧化鉻為主要成分的鉻磚對(duì)鋼渣的耐蝕性好，但抗熱振性較差，高溫荷重變形溫度較低。碳質(zhì)耐火材料有碳磚、石墨制品和碳化硅質(zhì)制品，其熱膨脹系數(shù)很低，導(dǎo)熱性高，耐熱振性能好，高溫強(qiáng)度高，抗酸堿和鹽的侵蝕，不受金屬和熔渣的潤(rùn)濕，質(zhì)輕。廣泛用作高溫爐襯材料，也用作 石油、化工的高壓釜內(nèi)襯。

堿性耐火材料以氧化鎂、氧化鈣為主要成分，常用的是鎂磚。含氧化鎂80%~85%以上的鎂磚，對(duì)堿性渣和鐵渣有很好的抵抗性，耐火度比粘土磚和硅磚高。主要用于平爐、吹氧轉(zhuǎn)爐、電爐、有色金屬冶煉設(shè)備以及一些高溫設(shè)備上。

在特殊場(chǎng)合應(yīng)用的耐火材料有高溫氧化物材料，如氧化鋁、氧化鑭、氧化鈹、氧化鈣、氧化鋯等，難熔化合物材料，如碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和硫化物等;高溫復(fù)合材料，主要有金屬陶瓷、高溫?zé)o機(jī)涂層和纖維增強(qiáng)陶瓷等。

氧化鈣在建筑材料中的應(yīng)用:一種以氧化鈣為主要成分的氣 硬性無(wú)機(jī)膠凝材料。

石灰是用石灰石、白云石、白堊、貝殼等碳酸鈣含量高的原料，經(jīng)900~1100℃煅燒而成。石灰是人類最早應(yīng)用的膠凝材料。公元前8世紀(jì)古希臘人已用于建筑，中國(guó)也在公元前7世紀(jì)開(kāi)始使用石灰。至今石灰仍然是用途廣泛的建筑材料。石灰有生石灰和熟石灰(即消石灰)，按其氧化鎂含量(以 5%為限)又可分為鈣質(zhì)石灰和鎂質(zhì)石灰。由于其原料分布廣，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，在土木工程中應(yīng)用廣泛。

原始的石灰生產(chǎn)工藝是將石灰石與燃料(木材)分層鋪放，引火煅燒一周即得?，F(xiàn)代則采用機(jī)械化、半機(jī)械化立窯以及回轉(zhuǎn)窯、沸騰爐等設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。煅燒時(shí)間也相應(yīng)地縮短，用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)石灰僅需2~4小時(shí)，比用立窯生產(chǎn)可提高生產(chǎn)效率5倍以上。近年來(lái)，又出現(xiàn)了橫流式、雙斜坡式及燒油環(huán)行立窯和帶預(yù)熱器的短回轉(zhuǎn)窯等節(jié)能效果顯著的工藝和設(shè)備，燃料也擴(kuò)大為煤、焦炭、重油或液化氣等。

凡是以碳酸鈣為主要成分的天然巖石，如石灰?guī)r、白堊、白云質(zhì)石灰?guī)r等，都可用來(lái)生產(chǎn)石灰。將主要成分為碳酸鈣的天然巖石，在適當(dāng)溫度下煅燒，排除分解出的二氧化碳后，所得的以氧化鈣(CaO)為主要成分的產(chǎn)品即為石灰，又稱生石灰。

在實(shí)際生產(chǎn)中，為加快分解，煅燒溫度常提高到1000~1100 氧化鈣

℃。由于石灰石原料的尺寸大或煅燒時(shí)窯中溫度分布不勻等原因，石灰中常含有欠火石灰和過(guò)火石灰。欠火石灰中的碳酸鈣未完全分解，使用時(shí)缺乏粘結(jié)力。過(guò)火石灰結(jié)構(gòu)密實(shí)，表面常包覆一層熔融物，熟化很慢。由于生產(chǎn)原料中常含有碳酸鎂(MgCO3)，因此生石灰中還含有次要成分氧化鎂(MgO)，根據(jù)氧化鎂含量的多少，生石灰分為鈣質(zhì)石灰(MgO≤5%)和鎂質(zhì)石灰(MgO>5%)。

生石灰呈白色或灰色塊狀，為便于使用，塊狀生石灰常需加工成生石灰粉、消石灰粉或石灰膏。生石灰粉是由塊狀生石灰磨細(xì)而得到的細(xì)粉，其主要成分是CaO;消石灰粉是塊狀生石灰用適量水熟化而得到的粉末，又稱熟石灰，其主要成分是Ca(OH)2;石灰膏是塊狀生石灰用較多的水(約為生石灰體積的3-4倍)熟化而得到的膏狀物.也稱石灰漿。其主要成分也是Ca(OH)2。

鋼包是煉鋼工業(yè)中不可缺少的重要設(shè)備，作為鋼包內(nèi)襯的耐火材料，發(fā)生了幾次大的變化。以前是采用傳統(tǒng)的經(jīng)燒結(jié)而成的粘土磚和三等高鋁磚，這種耐火材料在使用過(guò)程中顯示出較差的耐剝落性和耐侵蝕性，使用壽命低，平均只有10次，經(jīng)處理也只能達(dá)到20次左右。隨著煉鋼技術(shù)的發(fā)展，鋼水護(hù)外精煉對(duì)鋼包內(nèi)襯耐火材料要求的提高，在20世紀(jì)即年代初，曾經(jīng)推廣應(yīng)用整體澆注鎂鋁質(zhì)盛鋼桶內(nèi)襯材質(zhì)。這種內(nèi)襯整體性好，顯著提高了使用壽命，但存在烘烤鋼包時(shí)間長(zhǎng)，有較嚴(yán)重的掉渣現(xiàn)象，對(duì)于中小型鋼廠多數(shù)沒(méi)有專用設(shè)備的情況下，拆包困難。為了彌補(bǔ)這方面的不足，繼而成功的應(yīng)用鋁鎂不燒磚。該襯磚筑砌容易，烘烤時(shí)間短和易拆包，但仍存在易戮渣和耐剝落性差的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，為了克服鋁鎂不燒磚鋼包內(nèi)襯容易貓?jiān)膯?wèn)題，在即年代后期又研制了鋁鎂碳不燒磚，取代鋁鎂不燒磚。該材質(zhì)綜合了鋁鎂材料和含碳材料的性能。鋁鎂碳不燒磚具有的主要優(yōu)點(diǎn)是:沒(méi)有磚縫熔損，具有較好的抗渣能力和抗熱振性，克服了鋼水和渣的滲透引起的結(jié)構(gòu)剝落現(xiàn)象，使用壽命明顯提高等。該制品由于是不燒或低溫?zé)?，?jié)約能源，降低了成本，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，引起了人們的注意。

早在60年代，已經(jīng)開(kāi)發(fā)鎂鋁尖晶石磚，但未投放市場(chǎng)。為了解決鉻在生產(chǎn)和使用中的問(wèn)題，日本在70年代推出了含尖晶石鎂磚。即往鎂砂中添加燒結(jié)尖晶石，并在隧道窯中高溫(1900C)燒成鎂尖晶石磚.以尖晶石替代氧化鉻和氧化鐵。那年代各種鎂鋁尖晶石磚紛紛問(wèn)世，但其使用壽命不如鉻鎂磚。在弄清了損毀的原因后，此種磚的性能有了根本的改進(jìn)，從而可以和鉻鎂磚相匹敵。

尖晶石(鎂鋁尖晶石)結(jié)合的鎂質(zhì)制品的優(yōu)異性能，如抗渣性，抗剝落性及抗蠕變性能早已為人們所知。前蘇聯(lián)自1942年起已有研究，1964年已有產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，但是歐洲直到20世紀(jì)70年代末才對(duì)這種制品表現(xiàn)出較大的興趣，日本在1976年就開(kāi)始在水泥工業(yè)中使用鎂鋁尖晶石磚。近年來(lái)，國(guó)際上對(duì)鎂鋁尖晶石及制品的研究日益增多。

中國(guó)在20世紀(jì)勸年代開(kāi)始用礬土和菱鎂礦(或輕燒MgO)合成鎂鋁尖晶石原料的研究。近年來(lái)，還開(kāi)展了一系列制取鎂鋁尖晶石結(jié)合鎂質(zhì)制品工藝的研究，取得了不少成就，但是性能優(yōu)異的高純制品卻一直苦于高的燒成很度而受到限制。國(guó)內(nèi)有人用活性尖晶石粉.把國(guó)外的超高溫?zé)晒に?1 850c)降到1 660C。但是對(duì)于一般以煤為燃料的普通耐火窯爐而言，仍是難以做到的。為此，國(guó)內(nèi)的耐火材料專家及學(xué)者將自制活性鎂鋁膠作為結(jié)合劑，研究了用活性鎂鋁膠作結(jié)合劑的高純鎂磚及尖晶石結(jié)合鎂磚的性能，利用鎂鋁膠的活性，使這兩種性能優(yōu)異的制品在1 550℃燒成，為在普通耐火廠的窯滬中燒制這類高級(jí)制品提供了可能。

中國(guó)某些大型鋼鐵企業(yè)的耐火材料研究者及專家近期研制并應(yīng)用了鎂鋁尖晶石不燒磚。通過(guò)活性石灰回磚窯的生產(chǎn)實(shí)際，研制開(kāi)發(fā)了鎂鋁尖晶石不燒磚。使用表明，研制的鎂鋁尖晶石不燒磚在活性石灰回轉(zhuǎn)窯的燒成使用壽命達(dá)1年以上。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，直接結(jié)合鎂鉻磚由干具有優(yōu)良的抗渣性和耐侵蝕性，被普遺用于大型堿性回轉(zhuǎn)窯。但隨著環(huán)保問(wèn)題的日益嚴(yán)重，鎂鉻制品在使用后產(chǎn)生的六價(jià)鉻已成為世界公認(rèn)的問(wèn)題，為此，研究耐剝落性好，熱膨脹率低，組織脫化少及耐侵蝕的鎂鋁系耐火材料，作為鎂鉻系耐火材料最佳替代材料應(yīng)用于堿性回轉(zhuǎn)窯。自20世紀(jì)初不定形耐火材料出現(xiàn)之后，就逐步在冶金行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。今天，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的不定型耐火產(chǎn)量幾乎占耐火材料總量的一半。目前鋼鐵行業(yè)應(yīng)用范圍最廣，使用最最大的耐火材料是鎂鋁系不定型耐材，約占不定型耐材生產(chǎn)總量的85%，被廣泛應(yīng)用在轉(zhuǎn)爐、鋼包、鐵包、加熱爐及高爐，幾乎遍及所有冶金熱工設(shè)備。

鎂鋁尖晶石(MgO·Al2O3 )具有較高的熔點(diǎn)、熱膨脹小、熱應(yīng)力低、熱振穩(wěn)定性好，同時(shí)它具有較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，對(duì)堿性熔渣具有較強(qiáng)的抵抗能力，是鋁鎂不燒磚得以使用的核心點(diǎn)，是提高壽命的關(guān)鍵物質(zhì)之一。由于近年來(lái)人工合成鎂鋁尖晶石技術(shù)的逐步成熟，使用合成好的尖晶石材料直接生產(chǎn)鋼包磚成為可能，可使其特性顯著提高。

鎂鋁尖晶石的質(zhì)量是關(guān)系到鎂鋁尖晶石磚能否達(dá)到合適效果的關(guān)鍵問(wèn)題之一。通過(guò)試驗(yàn)室的試驗(yàn)篩選和有關(guān)資料的介紹，富鎂尖晶石在20%一30%其抗侵蝕性、抗結(jié)構(gòu)剝落性和抗熱振性能都比較好。但鋼包在生產(chǎn)操作過(guò)程中各種條件因素比較多，要求鎂鋁尖晶石加人量應(yīng)在30%一40%較為合理。因此在制磚過(guò)程中，除加人生產(chǎn)好的人工尖晶石外，還必須加人電熔鎂鈔粉和剛玉粉，使之在使用過(guò)程中再生成二次尖晶石.從而提高磚體墓質(zhì)部分的性能，為控制原料有害雜質(zhì)特別是低熔點(diǎn)物Na20和K2O含量，原料的選用需特別注憊。

鎂鋁尖晶石(也稱尖晶石)的化學(xué)式為MgO-Al2O3,含Mg0為28.3%,Al2O3為71.7%。尖晶石僅是Mg0-Al2O3二元系統(tǒng)相圖中的一個(gè)中間化合物，其熔點(diǎn)為2 135 C.Bartha指出，鎂鋁尖晶石與鎂鉻尖晶石相比，主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)還原性氣氛如游離CO2，游離SO2/SO3及游離K2O/Na2O的抗蝕性強(qiáng)，以及具有較好的熱穩(wěn)定性與耐磨性。目前工業(yè)生產(chǎn)和使用的大部分尖晶石耐火材料Al2O3含量約在8%一15%之間。

氧化鎂含量在90%以上、以方鎂石為主晶相的堿性耐火材料。一般可分為燒結(jié)鎂磚(又稱燒成鎂磚)和化學(xué)結(jié)合鎂磚(又稱不燒鎂磚)兩大類。純度和燒成溫度高的鎂磚，由于方鎂石晶粒直接接觸，稱為直接結(jié)合鎂磚;用電熔鎂砂為原料制成的磚稱為電熔再結(jié)合鎂磚。

鎂磚有較高的耐火度，很好的耐堿性渣性能，荷重軟化開(kāi)始溫度高，但抗熱震性能差。燒結(jié)鎂磚以制磚鎂磚為原料，經(jīng)粉碎、配料、混練、成型后，在1550~1600℃的高溫下燒成，高純制品的燒成溫度在1750℃以上。不澆鎂磚是在鎂砂中加入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)結(jié)合劑，經(jīng)混煉、成型、干燥而制成。主要用于煉鋼堿性平爐、電爐爐底和爐墻，氧氣轉(zhuǎn)爐的永久襯，有色金屬冶煉爐，高溫隧道窯，煅燒鎂磚和水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯，加熱爐的爐底和爐墻，玻璃窯蓄熱室格子磚等。