有關冶金行業中不定型耐火材料的應用與發展探析

高巖

（福建三鋼冶金建設有限公司，福建 三明 365000）

0 引言

隨著冶煉技術和鋼鐵工業的迅速發展，冶金用耐火材料在技術方面也實現了全新變革，擺脫了對天然原料和原始制品群等的高度依賴，逐步走向了以人工合成材料為主的精細產品。不定型耐火材料因便于機械化、自動化生產且可通過修補來延長使用壽命，相比定型耐火材料而言優勢明顯，已經逐步成為了冶金工業生產中的一個要素，在海外工業發達國家，其冶金行業的不定型耐火材料使用率高達50%以上。目前，世界諸國在新一代不定型耐火材料的研究上不斷深入，極大地促進了整個冶金工業的可持續發展。本文在此分析和探究不定型耐火材料在冶金行業中的應用和發展具有一定意義。

1 不定型耐火材料定義及其特點

不定型耐火材料也稱之為散狀耐火材料（Bulk Refract ories），它由骨料、細粉、結合劑以及外加劑按一定比例混合而成，不定形狀、不經燒制，可供直接使用的新型耐火材料。通常骨料為大于0.088mm的顆粒物，構成整個不定型耐火材料的骨架，用量占比60%～73%，包括粗骨料（＞5mm）、細骨料（＜5mm）；細粉為小于0.088mm顆粒，是整個材料中的基質部分，起高溫下聯結或膠結耐火骨料的作用，占比15%～40%；結合劑在一定條件下，通過水合、化學、聚合、凝聚等作用使伴合物獲得強度；外加劑是強化結合劑作用和提高基質性能的材料，包括有促凝劑、緩凝劑、減水劑、抑制劑、快干劑等[1]。

相比定型耐火材料，不定型耐火材料沒有復雜的燒成工序，制作所需的原材料易于獲得、價格低廉、制作工藝簡單；可塑性非常強，不定型耐火材料的耐火度和化學穩定性可以達到同類耐火磚的水平，便于預制成塊，在冶煉生產中易于生成各種復雜形狀的制品，而且利于筑爐施工機械化；使用也較為方便，可以直接使用或調配后使用。但由于其在低溫環境下耗時長，中溫強度較低，高溫長期使用易剝落等缺點，所以對使用時的烘烤技術要求較高。同時它的體積穩定性不夠好、氣孔率較高、耐腐蝕能力一般、質量上也可能出現波動，雖然便于使用，可是使用后拆卸不太方便，現場須配備專用施工設備等。

2 不定型耐火材料在冶金行業中的應用優勢

作為當今冶金工業中的主要耐火材料，不定型耐火材料具有自身獨特的應用優勢，主要體現在以下幾個方面：

2.1 較高的耐火度

耐火材料的基本屬性是高溫下不軟化和形變，不同的耐火材料其荷重軟化的溫度條件也不相同，為保證熱工設備在最高使用溫度下其結構強度不被破壞，維持較長使用壽命，必須選擇耐火度高于熱工設備最高溫度的材料。高溫窯爐是冶金工業中的常用設備，冶煉作業中對高溫窯爐的內襯耐火度有很高要求，不定型耐火材料的耐火度一般在1500℃以上，這就可以很好地滿足高爐的使用工況要求，可以延長其使用壽命，也可以提升冶煉制品性能。

2.2 較小的能耗量

一般的定型耐火材料都需要經過特殊的燒成工藝進行處理，這個燒成過程非常復雜且需要消耗大量的能源，帶來較大生產成本。不定型耐火材料的最大優勢在于省去了燒成環節，可以避免大量的能源浪費，在同樣工況下其能源耗費比傳統的耐火磚平均低15～20倍左右，可以實現較好的經濟性，也是現代冶金行業廣泛選用的重要原因。

2.3 較高的冶金效率

去除了燒成環節的不定型耐火材料，不僅可以很好地降低能源資源消耗量，而且也簡化了冶煉工藝流程，可以極大地節省冶煉時間，提高冶金生產效率。從生產操作實踐來看，使用不定型耐火材料一般要比耐火磚的生產效率高3～5倍。

2.4 較優的完整性

由于不定形耐火材料的體積比普通耐火材料要小得多，因而更容易進行運輸，滿足大批量轉運的條件，可降低運輸成本。此外，不定型耐火材料極強的可塑性可以被構筑成任意造型，而且內部結構緊密，凝結性能較強，使用不定型耐火材料的高溫窯爐爐襯是一個整體結構，如此以來在冶煉過程中不易受到高溫破壞，這樣就能大大使高高溫窯爐的使用壽命，一般可比傳統耐火磚提高30%～150%，而且由于其整體性的原因，高溫爐的密封性能也比可定性耐火材料要好很多，從而在整體上降低能源消耗。

3 不定型耐火材料在冶金行業中的具體應用

3.1 高爐上的不定型耐火材料應用

作為冶金工業中的一種重要設備，傳統高爐以鋼板作爐殼，殼內砌耐火磚內襯，一般采用高鋁水泥、磷酸高鋁質耐火材料澆注料預制塊吊裝砌筑，現代高爐主要使用樹脂結合劑鋁碳不燒磚來砌筑。大型高爐的水冷壁采用SiC澆注料，爐底墊層及周邊磚縫使用氮化硅材料填充，爐墻使用澆注料耐火材料已經成為行業的普遍特征，可以實現較好效果，比如日本福山鋼管廠2號高爐上使用的Al2O3材料，連續6年都未見大面積剝落現象。當前，Al2O3-SiC-C（ASC）質和莫來石SiC-C質是國內外高爐出鐵溝上普遍使用的不定型耐火材料[2]。日本高爐多采用“ASC”澆注料，西方工業強國一般SiC-C質搗打料，我們國內冶金行業以SiC鋼玉為主。

3.2 鋼包上的不定型耐火材料應用

鋼包用耐火材料因出鋼溫度的升高以及鋼包中鋼液存留時間的延長，原來使用的定型耐火材料開始逐漸被不定型耐火材料代替。基于鋼包的不定形特征，可以實現生產自動化，有助于提高產能和生產效益。實踐經驗顯示，鋼包側墻的不定型，可以節省約40%的維修工時；當鋼包完全采用不定形時，省力效果可達70%及以上[3]。目前很多鋼鐵企業的鋼包都采用Al2O3-尖晶石澆注料作為耐火材料，這種材料具有較好的抗腐蝕性能，高溫下結構影響小，可延長熱工設備的使用壽命長。但其使用性能仍會受出鋼溫度和鋼水停留時間的影響，為解決這一技術難題，先后誕生了日本研發的Al2O3-MgO澆注料，鋁鎂碳質耐火澆注料及鎂質耐火材料，這些新材料的強度和抗滲透性都得到較大提升，在鋼包上的使用效果也更好。

3.3 加熱爐上的不定型耐火材料應用

加熱爐用于高溫加熱鋼坯，因最高溫度高達1400℃左右，其爐頂和爐襯可使用澆注料或可塑料來構筑[4]。一般大型步進式加熱爐的內襯可以采用可塑性耐火材料來制作，平均使用壽命可達到12～15年左右，而高速線材車間的步進式加熱爐，由于爐體較大，耐火度要求較高，可以采用粘土結構澆注料，該材料不僅便于機械施工，而且脫模后無蜂窩狀，具有良好的流動性，可很好地滿足熱工設備的作業環境要求。

4 冶金行業中不定型耐火材料的發展趨勢

不定形耐火材料在整個耐火材料中所占的比例，已經成為衡量一個國家耐火材料行業技術發展水平的重要標志。當今世界工業強國都對新型不定型耐火材料的研發工作高度重視，推動著冶金行業耐火材料朝著高性能澆注料、全干振動料以及火焰噴補料等方向發展，表明不定型耐火材料在未來市場具有更廣闊的應用前景。

4.1 材質發展方向

首先，以往的不定型耐火制品主要選用中性、酸性氧化物等材料，制成的不定型耐火材料的耐熱和抗腐蝕性能已經無法滿足更高要求的冶金工藝，而以堿性氧化物材料、氧化物與非氧化物復合材料為主的不定型耐火材料可以很好地解決這個問題，這也是當前的冶金用不定型耐火材料的一個發展趨勢。比如以高檔氧化鋁纖維和耐火填料為主要成分的料漿狀涂抹料，擁有更強的抗風蝕性能、耐高溫性能、防開裂性能及抗燒蝕性和抗堿化學侵蝕性等；最高可抗80m/s的熱氣流，可耐1700℃高溫，且高溫環境下長期使用無裂紋；可熱修補，使用時無需降溫，適合大面積噴涂[5]。

其次，現代不定型耐火制品更多地運用到了優質的人工合成耐火材質。目前，不定型耐火材料也逐步由單一耐火澆注料發展為耐火壓注料，并在可塑料、搗打料、投射料等傳統類型上出現澆注料、噴補料等新型材料。如以優質輕骨料、耐火粉料、結合劑、外加劑配制而成輕質澆注料，具有更低的導熱系數，更強的保溫性，更好的抗熱震性，可廣泛用于工業窯爐和熱工設備的保溫部位。耐火材料的不斷研發創新，進一步提高了冶金作業效率和工業經濟性。

4.2 結合方式發展方向

不定型耐火材料通常是由連續結合相和不連續集料相共同構成，因集料相顆粒的強度相比結合相更大，所以結合相是影響不定型耐火材料的結構強度的關鍵要素，直接體現為結合劑的性能。首先，冶金工業中不定型耐火材料的結合方式，經歷了從水和結合、化學結合、水和結合+凝聚結合，再到聚合結合，并朝著凝聚集合的方向發展，遵循著高雜質—低雜質—無雜質的發展路線，結合劑的純度越來越高[6]。其次，近年來隨著高爐技術的進步，對不定型耐火材料的性能也提出了更高技術要求，為降低高爐損害，提高冶金效益，不定型耐火材料的結合方式也開始由高水份、低水份轉向無水份，逐漸向高密度方向發展，進一步提高冶金行業中不定型耐火材料整體性能。

5 結語

不定型耐火材料具有定型耐火材料所不具備的特殊優勢，是現代冶金工業高質量發展的重要依托，雖然目前仍存在一定缺陷，但其總體發展呈上升趨勢。隨著技術的不斷進步和完善，新型不定型耐火材料經過開發創新，它必將推動整個冶金行業的深化發展。