转炉炼钢用耐火材料综述

转炉炼钢用耐火材料综述

转炉是一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料进行炼钢的直立式圆筒形冶炼炉。根据炉衬耐火材料的性质，分为酸性转炉和碱性转炉两种。根据气体吹入炉内的部位，分为底吹、顶吹、侧吹和顶底复合吹炼转炉。

转炉炉衬

世界各国由于铁水成分及耐火材料资源不同，因而炉衬砖的选择也有所侧重。美国主要使用焦油结合镁砖、方镁石砖、焦油浸渍烧成方镁石砖，20世纪90年代以来也适用镁碳砖。法国主要使用白云石砖、镁白云石砖、白云石碳砖、沥青结合镁砖和镁碳砖。英国曾使用过焦油白云石砖、烧成白云石砖，1989年以后大量使用镁碳砖。俄罗斯多采用焦油白云石砖，少数工厂也使用焦油镁砖和方镁石尖晶石砖。日本是最早将镁碳砖用于转炉的国家，使用效果在世界上处于领先地位。中国转炉炉衬的发展经历了焦油结合白云石砖、焦油结合镁砖、镁白云石砖、高钙镁砖、镁白云石碳砖及镁碳砖等过程。综上所述，世界各国均逐渐采用镁碳砖取代其他砖种。由于镁碳砖具有抗热震性能好、抗侵蚀性能强，在高温下具有优良稳定性能、导热性好、耐磨损及由于有结合剂固化后形成的碳网络，将氧化镁颗粒紧密牢固的连接在一起而具有耐剥落性好的优点，加之喷补技术、溅渣护炉等技术的推广应用，90年代以来，炉衬寿命大幅度提高，吨钢消耗耐火材料一般不超过2kg 。

转炉内衬用砖

转炉内衬由绝热层、永久层和工作层组成。绝热层一般是用多晶耐火纤维砌筑，炉帽的绝热层也有用树脂镁砂打结而成；永久层各部位用砖也不完全一样，多用低档镁碳砖或焦油白云石砖、或烧结镁砖砌筑；工作层全部砌筑镁碳砖。

砌筑工作层的镁碳砖有普通型和高强度型，我国已制定了行业标准。根据砖中碳含量的不同可分为3类，而每类又按其理化指标分为3个牌号，即MT10A 、MT10B 、MT10C ；MT14A 、MT14B 、MT14C ；MT18A 、MT18B 、MT18C 等。

转炉的工作层与高温钢水、熔渣直接接触，受高温熔渣的化学侵蚀，受钢水、熔渣和炉气的冲刷，还受加废钢时的机械冲撞等作用，工作环境十分恶劣。在吹炼过程中，由于各部位的工作条件不同，内衬的蚀损状况和蚀损量也不一样。针对这一状况，视衬砖的损坏程度的差异，砌筑不同材质或同一材质不同级别的耐火砖，这就是所谓综合砌炉。容易损坏或不易修补的部位，砌筑高档镁碳砖；损坏较轻又容易修补部位，

可砌筑中档或低档镁碳砖。采用溅渣护炉技术后，在选用衬砖时还应考虑衬砖与熔渣的润湿性，若碳含量太高，熔渣与衬砖润湿性差，溅渣时熔渣不易黏附，对护炉不利。采用综合砌炉后，整个炉衬砖的蚀损程度比较均衡，可延长炉衬的整体使用寿命。

转炉出钢口用砖

出钢口受高温钢水冲蚀和温度急剧变化影响，损毁较为严重，因此应砌筑具有耐冲蚀性好、抗氧化性高的镁碳砖。一般都采用整体镁碳砖或组合砖，使用约200炉后就需更换。

更换出钢口有两种方式，一种是整体更换，一种是重新做出钢口。重新做出钢口时，首先清理原出钢口后，放一根钢管，钢管内径就是出钢口尺寸，然后在钢管外壁周围填以镁砂，并进行烧结。

复吹转炉底部供气用砖

底部供气砖用于从转炉底供入Ar 或N2或CO2，或三者与氧气的混合物。复吹时产生高温和强烈的搅拌作用，因此底部供气砖必须具有耐高温、耐侵蚀、耐冲刷、耐磨损和抗剥落性强的性能；从吹炼角度讲，要求气体通过供气砖产生的气泡要细小均匀；供气砖使用安全可靠，寿命尽可能与炉衬寿命同步。为此，镁碳砖仍然为最佳材料。

第一章 耐火材料的组成和性质

耐火材料在使用过程中，受到高温(一般为1000～1800℃) 下发生的物理，化学、机械等作用，容易熔融软化，或被熔蚀磨蚀，或产生崩裂损坏等现象，使操作中断，而且玷污物料。因此，要求耐火材料必须具有能适应各种操作条件的性质。

耐火材料的一般性质，包括化学矿物组成，组织结构，力学性质、热学性质和高温使用性质。其中有些是在常温下测定的性质，例如气孔率、体积密度，真密度和耐压强度等。根据这些性质，可以预知耐火材料在高温下的使用情况，另一些是在高温下测定的性质，例如耐火度、荷重软化点，热震稳定性，抗渣性，高温体积稳定性等．这些性质反映在一定温度下耐火材料所处的状态，或者反映在该温度下它与外界作用的关系。

耐火材料的质量取决于其性质，它是评价制品质量的标准，在生产中是制定和改进生产工艺，检查生产过程是否正确稳定的依据。正确合理地选用耐火材料，也是以其性质作为主要依据的。

近年来，在耐火材料原料和制品的检验方法和技术方面，虽经不断改进提高，由于实验室的实验条件与实际使用条件不完全符合(实验室实验为了缩短操作时间，求得操作方便，常采用加剧损坏的办法，恶化蚀损条件，将耐火材料本来在较低温度、一端受热和长时间工作的使用条件，改为实验室内高温、短期、整个试样受热的条件，有的甚至过分简化影响因素) ， 致使在实验室特定条件下的测试结果， 不能预示耐

火材料实际应用时的工作性能和推知其使用寿命。但是，现行的测试方法(除应不断研究改进外) 仍可以作为鉴定耐火材料质量的有效手段。通过测试，可以检验出厂产品质量和核对入厂材料是否合乎要求的规格，鉴定原料品质，控制生产过程，研究使用后的制品性质，寻求提高和改进质量的途径。在发展某一新型材料或试用一种新的原料时，也可按性能测试结果加以判断．然后经使用考验作出最终结论。

各国都有测试耐火材料性质的标准方法，如前苏联的FOCT ，美国的ASTM 标准，英国的PSI 方法，以及西德的DIN 和日本的JIS 等等。随着科学技术的发展和对耐火材料本身及其损坏机理认识的深化，检验项目不断增加，不断革新技术和改进方法，每隔一定时期对标准方法要加以修订。我国从1959年制定检验标准，到(YB)标准，再到(QB)检验标准，至今已经多次修订。这些检验标准方法．虽然是在实验室特定的实验条件下进行的，与实际使用条件不完全符合，但仍可作为鉴定耐火材料质量的有效手段。

第一节 耐火材料的化学矿物组成

耐火材料的若干性质，取决于其中的物相组成、分布及各相的特性，即取决于制品的化学矿物组成。对于既定的原料，即化学矿物组成一定时，可以采取适当的工艺方法，获得具有某种特性的物相组成(如晶型，晶粒大小、分布以及形成固溶体和玻璃相等) ，在一定限度内提高制品的工作性质。

一、化学组成

化学组成是耐火材料制品的基本特性。通常将耐火材料的化学组成按各成分含量和其作用分为两部分，即占绝对多量的基本成分一主成分和占少量的从属的副成分。副成分是原料中伴随的夹杂成分和工艺过程中特别加入的添加成分(加入物) 。

1．主成分 它是耐火制品中构成耐火基体的成分，是耐火材料的特性基础。它的性质和数量直接决定制品的性质。其主要成分可以是氧化物，也可以是元素或非氧化物的化合物。耐火材料按其主成分的化学性质又可分为三类。

酸性耐火材料含有相当数量的游离二氧化硅(SiOD。酸性最强的耐火材料是硅质耐火材料，几乎由94~97％的游离硅氧(SiOO构成。粘土质耐火材料与硅质相比，游离硅氧(Si00的量较少，是弱酸性的。半硅质耐火材料居于其间。

中性耐火材料按其严密含意来说是碳质耐火材料，高铝质耐火材料(A120345％以上) 是偏酸而趋于中性的耐火材料，铬质耐火材料是偏碱而趋于中性的耐火材料。

碱性耐火材料含有相当数量的MeO 和CaO 等，镁质和白云石质耐火材料是强碱性的，铬镁系和镁橄榄石质耐火材料以及尖晶石耐火材料属于弱碱性耐火材料。

此种分类对了解耐火材料的化学性质，判断在使用中它们之间及耐火材料与接触物问化学作用情况有着重要意义。

2．杂质成分 耐火材料的原料绝大多数是天然矿物，在耐火材料(或原、料) 中含有一定量的杂质。这些杂质是某些能与耐火基体作用而使其耐火性能降低的氧化物或化合物，即通常称为熔剂的杂质。例如镁质耐火材料化学成分中的主成分是MgO ，其它氧化物成分均属于杂质成分。因杂质成分的熔剂作用使系统的共熔液相生成温度愈低，单位熔剂生成的液相量愈多．且随温度升高液相量增长速度愈快，粘度愈小，润湿性愈好，则杂质熔剂作用愈强。从表1-1中的数据可以看出，这些氧化物对SiOz 的熔剂作用强度按如下顺序增强

第二章 耐火材料生产基本工艺原理

第一节 耐火原料的加工

一、选矿与提纯

为适应现代工业的发展，采用高纯原料是制造高质量耐火材料的前提。

在国际上，从耐火材料的纯度看，杂质含量逐年下降。1954年，镁质耐火材料所含杂质为12％，而1980年，天然镁砂杂质含量普遍降至4％，海水镁砂降至1％以下。对于其它耐火材料，例如粘土砖和硅砖，同样应考虑提高纯度。

决定矿物资源利用价值的标准，可归纳为以下几点：贮量丰富，具备开采条件，可稳定地供应原矿，质量波动不大，杂质含量符合技术要求，技术经济指标合理。

但是，符合上述标准的天然矿床甚少，必须根据综合利用的原则进行选矽·处理，去粗取精，满足耐火原料之需要。

选矿是利用多种矿物的物理和化学性质的差别，将矿物集合体的原矿粉碎，并分离出多种矿物，加以富集的过程。现代非金属矿物的选矿方法有机械法、 物理—化学法、纯化学法、电气法等等。采用那种选矿方法，首先取决于矿物中各种矿物的物理性质，例如矿物的颗粒大小和形状、密度、滚动摩擦与滑动摩擦角、润湿性、电磁性质、溶解度以及加热时的性状等等。

按颗粒的粒度进行选矿，主要用于松散的小颗粒的或上状岩石，如砂，粘土，此时，可采用水淘洗或利用空气分离法进行选矿。

按颗粒的形状来选矿。它用于具有片状的或针状的结晶(如云母，石墨，石棉等) 矿物。这种形状的颗粒，大部分都通不过圃孔筛。

按照密度来进行选矿。它是由密度相差很大而颗粒大小相同的矿物构成的松散物料，经过淘洗或空气分离器，密度大的矿物降落在近处，而密度小的矿物则落在较远处。

浮选法选矿，是利用矿物被液体所润湿程度的差别来进行的。放入液体中的固体矿物，力图突破液体的表面层，而表面层由于表面张力的作用给予其反作用力。当矿物细磨后并轻放入液体中时，其中某些矿物可能不被液体润湿，浮在其表面上，而另一些矿物因被润湿而沉底。

重液选矿法亦称重介质选矿法，这是一种利用矿物的密度差，在重液中进行分离的方法。

70年代，日本在静电选矿方面取得了一定成就。根据H ．B 约翰逊的矿物分类，各种不同矿物对不同的电极极性，其导电性和飞散距离亦不相同。当电压为负时，导电的矿物称为正整流性矿物。电压为正时，导电的矿物称为负整流性矿物。不受极性影响的矿物称全整流性矿物。在相同整流性矿物中，临界电位各不相同，只有达到该矿物的临界电位后，才能导电。利用整流性和临界电压的不同，在静电选矿机上，可把不同矿物分离。

磁力选矿法是基于不同的矿物具有不同的导磁系数。例如，Fe 、Ni 、Co 及其化合物，

很容易被磁铁吸引，而有些物质则不被磁铁吸引。电磁选矿通常用来除掉耐火原料中的杂质(主要是铁质) 。 电渗选矿法的原理是利用悬浊液的质点(如粘土、高岭土) 带有电荷(一般为负电荷) ，电流通过悬浊液时，带电的微粒向带有相反电荷的电极移动，并沉积在其表面上。

化学方法提纯，是目前制备高纯原料的重要手段。它是利用一系列化学及物理化学反应，使矿物分离。例如，用海水或卤水制备高纯氧化镁。这种方法的缺点是反应过程复杂，成本高。

1．菱镁矿的选矿。在菱镁矿中，往往含有白云石和绿泥石，若要制备高纯镁质原料，则应选矿提纯。常用的选矿方法为重液选矿法、浮选法和化学法。

(1)重液选矿法。选矿前，先将天然菱镁矿石破碎成o ～120mm 的颗粒，过筛去掉0～8mm 颗粒，再分级成60~120mm和8~60mm二种颗粒，二者选矿流程相似。在重液选矿悬浮液中，含有15％废矿原料，选后可得到Mg045~46％、Si020．5～0．8％、Ca00．8～1．2％的精矿，精矿收得率为85~95％。选矿时重质悬浮液中含有Si02和FeO 杂质。

(2)浮选。菱镁矿及其杂质对浮选剂(主要为工业脂肪酸混合物) 有不同的附着性和润湿性。浮选前，矿石应破碎到

浮选时CaO 含量可下降3～6倍，而SiOz 下降到0．1～0．3％。精矿回收率为75~80％。浓缩时排出的主要部分是液体(到75％) ，而其余部分为干精矿，折算成灼烧基，浮选精矿MgO 含量可达到96．5％。对高纯原料而言，这样的含量就太低了，从而提出了化学选矿的办法。

(3)化学选矿法。众所周知，作为化学选矿法，最有前途的是氯化镁、镁的碳酸氢盐和铵盐的水化物。菱镁矿与盐酸的反应如下，

第三章 硅酸铝及刚玉质耐火材料

硅酸铝质耐火材料是以AhO, 和Si02为基本化学组成的耐火材料。根据制品的AlO 。含量，可以分为四大类：

半硅质制品，AlzOa 含量为15~30％，

粘土质制品：Al~03含量为30～46％，

高铝质制品：A1203含量为>46％(根据我国原料组成特点，一般为>48％) ，

刚玉质制品：AlzO ，含量为>90％的高铝质制品。

硅酸铝质耐火材料的基本特性主要取决于它们的化学矿物组成，制品中的矿物组成，因其A1203／Si 02比值不同而异。

半硅质制品中含有一定数量的酸性物质(石英变体) ，故呈半酸性，耐火性不高，在使用时略有膨胀，有利于保持砌体的整体性，减弱熔渣对砌缝的侵蚀作用。

粘土制品和三等高铝制品性能相近，其主晶相为莫来石，具有较好的高温性能，对使用条件有较大的适应性。

I等高铝制品为莫来石质制品，化学组成范围为65—75％Ah03，相当于莫来石矿物的组成。但因原料的组成分布不均匀，使部分Al~03未与SiO ：化合，而以刚玉形态单独存在。该类制品的高温性能显然要比粘土制品好得多。

I等高铝制品为莫来石—刚玉质或刚玉—莫来石质制品。刚玉的化学稳定性和耐火性比莫来石高，因此，刚玉含量越多，制品的耐火性越高。但刚玉的热膨胀系数比莫来石大得多

A120,含量在90％以上的高铝制品为刚玉制品。其主晶相为刚玉。对各种炉渣的侵蚀抵抗能力远比其他硅酸铝质制品强，为一种用途广泛的优质高级耐火材料。

硅酸铝质耐火材料目前广泛应用于冶金、机械制造、石油化工、动力、以及轻工等工业生产领域所用的热工没备的内衬结构材料。

第一节 与硅酸铝质耐火材料有关的物系

硅酸铝质耐火材料属于A120，一Si02系统内的不；同组份比例的耐火材料系列。其主要组份是Alz O~与Si02，还含有少量起熔剂作用的杂质成分，有TiO ：、1％20：、CaO 、MgO 、R20等。随着材料中的化学组份的数量变化，其相组成也发生变化。这种关系可以从A120, 一SiO2系统平衡图及其它有关物系平衡图中显示出来。

一、A1203一S102二元系

Ah03一SiOz 系统平衡图是硅酸铝质耐火材料最重要的相图(图3-1) 。

从图中看出，二元化合物莫来石组成不是固定的，其Ah03含量波动于／2～78％之间，相当于化学式A3S2～A2S 之间的化学组成。因此，在硅酸盐中常见的莫来石相应地视作为A3S2—A2S 问的固溶体，或为A 3S2与刚玉之间形成的同溶体(习惯上：以A3S2表示) 。实验表

第四章 硅质耐火材料

硅质耐火材料是以二氧化硅为主要成分的耐火制品，包括硅砖，特种硅砖、石英玻璃及其制品。 硅质制品属于酸性耐火材料，对酸性炉渣抵抗力强，但受碱性渣强烈侵蚀，易被含AIz03、KzO ，Naz O 等氧化物作用而破坏，对CaO ，FeO 、Fe203等氧化物有良好的抵抗性。其中典型的产品硅砖具有荷重变形温度高，波动在1640～1680~C间，接近鳞石英，方石英的熔点(1670℃，1713℃) ，残余膨胀保证了砌筑体有良好的气密性和结构强度。最大的缺点是热稳震定性低，其次是耐火度不高，这限制了广泛应用。 硅砖主要用于焦炉，玻璃熔窑，酸性炼钢炉以及其它热工设备。

第一节 硅砖生产的物理化学原理

一，SiO ：的同质多昌转变

SiO：在常压下有七个变体和一个非晶型变体，即6—石英，o —石英，y —鳞石英，卜鳞石英，o —鳞石英，" —方石英，o —方石英和石英玻璃。上述各变体间的转变可分为两类；

第一类是石英，鳞石英、方石英之间的转变，属重建型转变。由于所需活化能大，转变温度高而缓慢，转变温度通常是由晶体表面逐渐向内部进行，并伴随有较大的体积效应。有矿化剂存在时可显著加速转变，无矿化剂时实际上不能转变。有时可通过激冷使高温中稳定的晶型在室沮下也能存在。

第二类是上述变体的亚种a 、b ，y 型的转变，属于位移型转变。由于它们在结构上差别很小，因此转变是在一个确定温度下一定要发生的，转变快，而且是可逆的。并伴随有比重建型转变小的体积效应。 SiOa的各种变体性质列于表4-1。

由下图可以看出，。—石英在870~C较慢地转变为。—鳞石英。研究表明，此种慢转变必须在长时间缓慢加热，原料经细粉碎，有强的助熔矿化剂(如钨酸钠Na2WoOD 存在的条件下才能实现。这表明鳞石英的生成和存在必须有杂质离子(或矿化剂) 存在。在纯SiO ．, 系统中，只有石英和方石英两种变体，其转变过程如图中虚线所示，转变温度为1050(C，在分析实际问题时，应用哪种转变过程要视具体条件而定。由于Si02各种变体的晶体结构不同，其密度不同，它们在转变过程中有体积效应产生。在完全转变时体积变化值如表4-2所示。从中看出快速转变时所发生的体积变化比慢速转变时所发生的体积变化小，其中以鳞石英型转变时体积变化较小，方石英型较大。

从Si02系统状态图来看，方石英的熔点1723~C，鳞石英是1670℃，而石英是1600℃，但鳞石英具有较高的体积稳定性。硅砖中鳞石英具有矛头状双晶相互交错的网络状结构，因而使砖具有较高的荷重软化点及机械强度。当硅砖中有残余石英存在时，由于在使用中它会继续进行晶型转变，体积膨胀较大，易引起砖体结构松散。综上所述，一般希望烧成后硅砖中含大量鳞石英，方石英次之，而残余石英愈少愈好。在硅砖生产巾石英的转变程度

用密度衡量，硅砖的密度一般应小于2．38g ／cm3，优质硅砖的密度在2．32—2．36g ／cm 3之间。

二、矿化剂的作用及影响矿化作用的因素

矿化剂的作用是加速石英在烧成时转变为低密度的变体(鳞石英和方石英) 而不显著降低其耐火度。它还能防止砖坯烧成时因发生急剧膨胀而产生的松散和开裂。

石英转变为鳞石英或方石英时，在矿化剂很少或几乎没有时，a —石英就形成a —方石英，这种转变称为“干转化”。在干转化时，由于砖体的不均匀的体积膨胀很大，而又无液相缓冲应力，因而引起制品结构松散和开裂，不可能制得良好性能的制品。

当有足够数量矿化剂存在时，a —石英在573℃转变为a —石英，在1200„㈠¨℃温度

第五章 氧化镁一氧化钙系耐火材料

主要组分为氧化钙、氧化镁或二者兼有的耐火材料均属氧化镁一氧化钙系耐火材料，一般包括以下几类。

Mgo含量在80％以上，以方镁石为主晶相的耐火材料为镁质耐火材料，品种分为冶金镁砂和镁质制品两大类。依化学组成和用途的不同，冶金镁砂有普通冶金镁砂和马丁砂。制品有普通镁砖、镁硅砖、镁铝砖和镁钙砖。

石灰耐火材料主要矿物为氧化钙，CaO 含量一般在95％以上，目前较少生产。

以天然白云石为主要原料制作的耐火材料属白云石质耐火材料，其主要矿物成分为氧化钙和方镁石。它包括镁化白云石(MgO 70～80％) 、白云石和钙质白云石耐火材料。

自70年代尤其是80年代以来，为了提高耐火材料的性能，以适应冶炼新技术和延长冶金炉寿命的要求，往往在配料中引进了碳素材料而形成了Mgo —GaO —C 系耐火材料，如镁碳砖，白云石碳砖、镁化白云石碳砖等。

氧化镁一氧化钙系耐火材料属碱性耐火材料，其显著特点是耐火度高，抗碱性渣和铁渣侵蚀的能力强，是一种重要的高级耐火材料，它广泛地用于氧气转炉、电炉、平炉、钢包、炉外精炼以及有色熔炼等。由于耐火氧化物中CaO 不与钢水作用，为了提高钢水的洁净度，也为了均衡转炉炉衬寿命及其经济合理性，近年来，除大力发展镁碳砖外，更加重视镁化白云石碳砖，自云石碳砖的生产和使用。

第一节 镁质耐火材料

一，与模质耐火材料有关的物系

1．MgO —C 的氧化还原反应 方镁石属离子晶体，离子间的静电引力大，晶格能高(940千卡／克分子) ，其熔点高达2800℃，但是在熔点之前，于1800℃便产生MSO 的升华现象。各种耐火氧化物在还原条件下的热力学稳定性决定了MgO —C 问的氧化还原反应，因而影响其高温下的稳定性。图5-1曲线表明，MSO 的稳定性随温度的提高而下降， 而CO 则随温度的提高变得更加稳定。当Mgo 和CO 共处一系并在二者曲线交点以上温度时，由于△G

Pa(1个大气压) ，在平衡状态下，金

属镁蒸气压力约为980。665Pa(o，01个大气压) 。在此压力条件下，MgO 线和CO 线在1600℃相交。从热力学看，在碱性氧气转炉炼钢条件下，转炉炉衬工作面上必然发生MgO —C 还原反应，反应直至碳或MGO 中之一组份消失或CO 和Me 蒸气压力达到并保持平衡压力为止。表5-1列出这个反应在不同压力下的最低反应温度，在这个温度以上AC

转炉炉衬中，MgO 被C 还原，消耗转炉炉衬中的MgO 和C ，引起炉衬解体。需要采取措施限制这一氧化还原反应的进行或减弱其程度。如降低MsO 的蒸气压，改变碳的性质，增大气体扩散阻力，实行炉衬渣层保护，降低温度等。

2．MgO —FeO 系 由图5-2可见．氧化镁与氧化亚铁形成连续固溶体，二者反应速度很快，在1200℃即开始显著进行。MGO 吸收大量的FeO 而不生成液相，如二元混合物中，FeO 为50％时，开始出现液相的温度约为1850℃。

3．MgO-Fe,O3系 该二元系中有一化合物铁酸镁(Mgo．Fez03) ，分解温度为1720℃。铁酸镁在方镁石中的溶解度随温度的升高而增加。由图5-3可以看出，即使bigO 吸收大量的FezOa 后耐火度仍很高，所以镁质耐火材料对含铁炉渣有良好的抵抗力。这是其它耐火材料无法相比的，也是炼钢工业日益广泛应用镁质耐火材料的重要原因。

4．MGO —R203系 将YigO —Fe20：、MSO —Ah03，MgO —Cr203系统相图高MgO 部分合并示于图5-4。三个二元系统的固化温度分别为1720℃、1995℃和2350℃。三种倍半氧

第六章 尖晶石耐火材料

从广义上讲， 尖晶石指的是相同结构的一类矿物， 化学通式可表示为AO ．R203(或ARIO ：) ，其中A 代表二价元素离子，可以是Mgz+，Fe+等，R 为三价元素，可以是AP+、Fe3+Cr3+等。它们大部分都以同晶型固溶体的形式存在。根据尖晶石组成的不同，单位晶格边长介于8．1～8．55入。镁铝尖晶石点阵最窄，铁尖晶石的点阵间隔最宽， 铬尖晶石点阵间隔居中。所有尖晶石借品格膨胀形成固溶体。

尖晶石耐火材料按其所用的原料及其组成可分为铬砖，铬镁砖，镁铬砖、镁铝尖品石耐火材料。这是一类重要的中性或弱碱性耐火材料，广泛地用于高温工业窑炉、平炉、电炉，钢包、炉外精炼、水泥回转窑、玻璃窑蓄热室、炼钢炉等。

第一节 铬尖晶石质耐火材料

这类耐火材料包括铬砖、铬镁砖和镁铬砖，并以铬尖晶石(或其固溶体) 和力·镁石为主要矿物组成。铬砖主要是以铬矿为原料制成的。铬镁砖和镁铬砖是以烧结镁砂和铬矿为主要原料按适当比例制成的高级耐火制品，其配比无明确的规定。一般把铬铁矿加入量小于50％的称为镁铬砖，50％或大于50％的称为铬镁砖。

一、铬矿

铬矿或铬铁矿是一种在化学和物理性质方面变化很大的矿石。它通常含有铬矿颗粒和脉石矿物。其特征是脉石包围着馅矿颗粒，并占据着它们当中的缝隙。脉石通常为镁的硅酸盐，如蛇纹石、叶状蛇纹石、橄榄石和镁橄榄石等。MgO ／Si02一般小于2。铬铁矿中的含镁硅酸盐能显著地降低制品的耐火性能。在作用时吸收铁的氧化物生成低熔点的铁橄榄石(FezSiO)。Fe2．,SiO4的熔点仅为1100℃。

铬矿中的铁虽能以Fe2+和Fe3+两种形式存在，然而FeO 却是普遍存在的形式。含铁量高的铬矿在加热到适当温度时迅速氧化得到过量的R,03。在铬镁砖烧成过程中，Fe2+开始氧化，在更高的温度下，窑内氧分压降低时，发生还原。三氧化二铁固溶体的还原会引起很大的体积膨胀，使砖质脆多孔。当铁的氧化物含量一定时，还原产生的体积增大随着Cr ：O ，含量的提高而加大，随着A1203含量的提高而减小。 在物理性质方面，铬矿是从非常松软易碎变化到非常坚硬结实的岩石。这说明其中晶体尺寸、晶体破坏程度以及杂质含量与分布的变化很大。铬矿的密度取决于尖晶石组成和所含杂质的性质，大约在3．s0～4．05g ／cm3之间。

二、铬矿制品的生产原理

蛇纹石能强烈地降低尖晶石的耐火度。必须把蛇纹石转化为高耐火的镁橄榄石。为此配料巾需加入氧化镁。为了增加制品中镁橄榄石的含量，可以加入钝橄榄岩，发生以下反应：

必须预计到与氧化铁结合为铁酸镁消耗的氧化镁量。

在物料中氧化镁过剩的情况下，反应最终产物是耐火的。但是限于物料均匀分布的情况和各个反应进行快慢的差异。在烧成过程中非耐火的Fe203将蓄积，特别是在升温速度很快时。

生产铬质耐火材料的配料通常是由铬矿、苛性镁砂或再加入钝橄榄者组成。铬铁矿可用来直接制砖。将铬铁矿细磨碎后与5％的轻烧镁石细粉配合，经成型、干燥后在1550℃下烧成即制得铬砖。

铬砖的历史与镁砖一样长，由于它们对炼钢渣显示惰性以及和其它耐火材料的相容性而被广泛使用。普遍用作隔层砖。但是铬砖对热震很敏感。高温荷重变形温度也很低，因而出现了由铬矿和镁砂以不同比例组成的砖。

三、铬镁砖和镁铬砖生产及其厚理

1．工艺原理 铬镁砖和镁铬砖是由铬矿和镁砂组成的碱性耐火材料。制造这种砖所发生物理化学变化与烧制铬质制品基本相同。此外还应考虑以下几点：

(1)铬矿和镁砂配比对铬镁质耐火材料性质的影响，图6-1表明，当铬矿与镁砂配比为50：50时，制品具有最高的热震稳定性，随着铬矿或镁砂比例的增大或减小，热震稳定性都降低。当铬矿含量过高时，制品在1650'(2下抵抗铁氧化物作用的能力会显著降低。铬矿厘粒能与Fe304形成固溶体，引起体积的急剧膨胀，致使制品产生爆胀现象。配料中铬矿的含量越高，爆胀现象越严重。

配料中镁砂含量的提高，能增强制品的抗渣能力，目前镁铬质平炉顶的发展趋势是提高配料中的镁砂含量。

(2)墓质矿物组成对制品性能的影响。铬镁质(或镁铬质) 制品的主要矿物组成是方镁石和尖晶石。墓质部分系由硅酸盐组成。硅酸盐基质中主要矿物为2MS 、Cbis 和3CM2S 等。除2MS 外，CMS 和3CM2S 部是低熔点矿物，因此应限制原料中的CaO 含量，并使砖中

第七章 含锆耐火材料

第一节 锆英石质耐火材料

锆英石质耐火材料是以天然锆英石砂(zrSiO)为原料制得的耐火制品。它属于酸性耐火材料，其抗渣性强，热膨胀率较小，热导率随温度升高而降低，荷重软化点高，耐磨强度大，热震稳定性好，已成为各种工业领域中的重要材料。近年来，随着冶金工业中连铸和真空脱气技术的发展，此种耐火制品应用愈来愈广泛。

锆英石质耐火材料有以单一锆英石烧结制成的锆英石砖，还有以锆英石为主要原料，加入适当的烧结剂(最常用的是耐火粘土) 制成的锆质砖。为了改善锆英石砖的性能，还有加入其它成分(如高铝矾土、电熔刚王或氧化铬等) 的特殊锆英石砖。

一、锆英石原料的性质

锆英石(ZrSi04)的理论组成为ZrOz67．2％，Si0232，8％。经常含有0．5～3．0％HfO 、0～2％TiO ：和微量稀土氧化物，因而带有微量的放射性。锆英石的产地国外有澳大利亚、美国、印度、斯里兰卡等。澳大利亚是世界上最大产出国。我国广东，山东，台湾各省沿海一带都有锆英石的砂积矿床。其化学成分见表? 叫。

铬英石在高温下加热发生分解。分解温度随锆英石的纯度，研究方法和试验条件的不同而异，其范围为1540~2000~C。根据克尔斯(C．E ．Curtis) 和索维曼(H．G ．Sowaman) 测定，高纯度锆英石约自1540'C 开始缓慢分解，1700℃开始迅速分解，并随温度升高分解盘增大，于1870℃分解达95％(图7-2) 。分解产物是单斜型ZrO ：和非晶质SiO2。

影响锆英石分解的因素有原料中杂质、粒度，加热沮度、最高温度下的保温时间，炉内气氛、加热速度和冷却速度等。图7-3示出不同加热温度下锆英石的分解率和加热时间的关系。在1550~C加热5h 没有分解，lOh 以上有少量分解。实验结果证明30~100目(1．49—0．59mm) 的颗粒在1700~G加热60分钟几乎没有变化，但325目(0．044mm) 的粒度则分解较大。

从各种氧化物(加入物或原料中杂质) 对锆英石分解的影响来看，与SiOz 反应性强的氧化物，对分解的影响大，并按周期表I 族>Ⅱ族>'族的顺序增大。随着各种氧化物含量的增加，促进其分解的倾向越大，而且加热温度越高，分解量也越大。

碱金属氧化物(Na20，K20) 最易与酸性物质SiOA~应形成玻璃，其反应式如下：

第八章 含碳耐火材料

含碳耐火材料是指由碳或碳的化合物制成的，以含不同形态的碳为主要组分的耐火制品。根据所用含碳原料的成分及制品的矿物组成，含碳耐火材料可分为碳质制品、石墨粘土制品和碳化硅制品三类。 按化学性质分类，含碳耐火材料应属于中性耐火材料。这类材料的耐火度高(纯碳的熔融温度为3500℃，实际上在3000℃即开始升华，碳化硅在2200~C以上分解) ，导热性和导电性均好，荷重变形温度和高温强度优异，抗渣性和热震稳定性都比其它耐火材料好。但这一类制品都有易氧化的缺点。

第一节 碳质制品

碳质制品是指主要或全部由碳(包括石墨) 制成的制品。这类制品包括炭砖、人造石墨和半石墨质炭砖。 一，炭砖的生产工艺

1．碳素原料 生产碳质制品所需原料有无烟煤，焦炭及石墨等。无烟煤和焦炭是制砖坯料中的瘠性材料。加入焦油结合物质使坯料具有可塑性和结合性，经煅烧后结焦，将炭粒枯结在一起。当坯料可塑性不足时，可加入部分增塑剂石墨。

无烟煤含碳量高，挥发分少(2～8％) ， 抗氧化能力较强， 结构致密，密度大，硬度大，强度高。其价格便宜，资源丰富，为生产炭砖的重要原料。对无烟煤的质量要求如表8-1所示：

焦炭是制造碳质制品的重要原料之一。它包括煤焦、煤沥青焦和石油沥青焦等。焦炭的特点是气孔率高，强度大。因此在炭砖生产中多以无烟煤作骨料，以焦炭作细粉加入，以减少气孔率。但也有采用全焦炭生产的炭砖。用于生产炭砖的焦碳要求灰分少，强度高，气孔率低，挥发分少，含硫量低，呈块状原料。 煤沥青焦和石油沥青焦是优质碳素原料。其灰分低(通常小于1％) ，强度高，气孔串大，是制造碳素制品和电极的优良原料。由于它们的来源少且成本高，除灰分要求很低的电极以及生产人造石墨制品外，较少采用。有时当无烟煤和冶金焦的质量不能满足炭砖对灰分的要求时，才加入少量的煤沥青焦和石油沥青焦，降低制品的灰分。

2．粘结剂(结合剂) 生产炭砖常用的粘结剂有煤沥青、煤焦油；和葸油等，目前主要以沥青作结合剂。它们的质量要求如表8-2及8-3所示。

3．工艺要点 目前我国在炭砖生产中对经高温处理而得的人造碳素原料(如冶金焦、

煤沥青焦、石油沥青焦等) 不进行煅烧，只经干燥除水。对无烟煤必须进行煅烧；其目的在于：排除水分、挥发分和硫分，提高其体积稳定性，提高无烟煤的密度，降低比电阻，煅烧好的无烟煤，其密度>174g／c m3，比电阻应小于1300Ω·mm2/m;提高无烟煤的机械强度，导热性、热震稳定性及抗氧化能力。 焦炭干燥介质温度为200～300C ，烘干后水分应

制品的使用条件、技术要求和原料的特性是选择原料和配比的重要依据。在配方中必须根据原料的不同特性和对制品的要求来选择原料。对于高炉炭砖来说，在与铁水接触部位和炉底，碳素溶解是其损坏的主要因素，因此，采用无烟煤质为宜。而在炉缸、炉底四周及其下部要求冷却效果良好，宜采用石墨质。 为了满足制品使用条件所规定的理化指标(如灰分，气孔率、耐压强度等) ，可将性质组成不同的原料配合使用。如原料的灰分不能满足制品质量要求时，在配料中可加入低灰分原料。为保证制品气孔率低。可将气孔率低的原料(如无烟煤) 制备成粗颗粒，而将气孔率高的原料(如冶金焦或沥青焦) 粉碎成细粉加入配料中。焙烧后的废砖亦可作为原料返回破碎后应用。通常加入量可占配料量的10～15％左右。为保证坯料有良好的可塑性(挤压法成型) ，可在配料中加入适量的石墨。

坯料颗粒组成的确定，除遵循一般原则外，在选择临界粒度时，如临界粒度尺寸过大，在焙烧过程中则因大颗粒周围的细粉与粘结剂产生收缩而出现裂纹，如临界粒度太小，则需要加入的粘结剂数量多，这对成型和制品的质量提高不利。此外临界粒度的选择还与原料的致密性有关。生产大砖时，无烟煤的临界粒度为12～8mm ，小型制品可选用6mm 或4mm 。采用全焦炭生产炭砖时，焦炭的临界粒度最好不大于3～4m m 。

目前在炭砖生产中多采用中温沥青作结合剂。为了降低混练成型的温度也有采用煤焦油与煤沥青按一定比例配合的混合物，通常其配比为沥青：焦油＝7：3。这些混合物的成焦率应大于35％，软化点为40~50℃。配料中沥青加入量根据成型方法，坯料粒度及原料致密性来确定，通常加入量为15～20％。粘结剂在使用前应进行熔炼，清除水分并使杂质沉积。

坯料在加热条件下进行混练，混练温度和时间是主要控制参数。由于粘结剂不仅要均匀分布在混合料内，而且还必须均匀地润湿所有的散料颗粒，因此混合时间比一般耐火材料的耍长，最适宜的坯料温度取决于粘结剂的质量和其软化点。实践证明坯料温度应比沥

第九章 不定形耐火材料

不定形耐火材料是由合理级配的粒状和粉状料与结合剂共同组成的不经成型和烧成而直接供使用的耐火材料。通常，对构成此种材料的粒状料称骨料，对粉状料称掺合料，对结合剂称胶结剂。这类材料无

固定的外形，可制成浆状、泥膏状和松散状，因而也通称为散状耐火材料。用此种耐火材料可构成无接缝的整体构筑物，故还称为整体耐火材料。

不定形耐火材料的基本组成是粒状和粉状的耐火物料。依其使用要求，可由各种材质制成。为了使这些耐火物料结合为整体，除极少数特殊情况外，一般皆加入适当品种和数量的结合剂。为改进其可塑性或减少用水量，可加入少量适当增塑减水剂，为满足其他特殊要求，还可分别加入少量适当其他外加剂。 不定形耐火材料的种类很多，可依所用耐火物料的材质而分类，也可按所用结合剂的品种而分类。通常，多根据其工艺特性分为浇注或浇灌耐火材料(简称浇注料或浇灌料) 、可塑耐火材料(简称可塑料) 、捣打耐火材料(简称捣打料) 、喷射耐火材料(简称喷射料) ，投射耐火材料(简称投射料) 和耐火泥等。耐火涂料也可认为是一种不定形耐火材料。按工艺特性而分的各种不定形耐火材料的主要特征如表9—1所示。

不定形耐火材料的化学和矿物组成主要取决于所用粒状和粉状耐火材料。另外，还与结合剂的品种和数量有密切关系。由不定形耐火材料构成的构筑物或制品的密度主要与组成材料及其配比有关。同时，在很大程度上取决于施工方法和技术。一般而论，与相同材质的烧结耐火制品相比，多数不定形耐火材料，由于成型时所加外力较小，在烧结前甚至烧结后的气孔率较高；在烧结前构筑物或制品的某些性能可能因产生某些化学反应而有所变动，有的中温强度可能稍为降低，由于结合剂和其他非高温稳定的材料的存在，其高温下的体积稳定性可能稍低，由于其气孔率较高，有的还因结合剂的影响，可能使其耐侵蚀性

较低，但热震性一般较高。

通常，当原料选定后，不定形耐火材料的生产只经过粒状、粉状料的制备和混合料的混练过程，过程简便，成品率高，供应较快，热能消耗较低。根据混合料的工艺特性采用相应的施工方法，即可制成任何形状的构筑物、适应性强，在不宜用砖块砌筑之处更为适宜。多数不定形耐火材料施工过程较简便，生产效率高。如同适当的增强方法并用，可制成坚固的整体构筑物，可避免因接缝而造成的薄弱点。当耐火砖的砌体或整体构筑物局部损坏时，可用此种材料置换，即利用喷射、抛投设备进行冷态或热态修补，既迅速又经济。用作砌筑体或轻质耐火材料的保护层和接缝材料尤为必需。用以制造大型耐火制品也较方便。 鉴于上述优点，近年来不定形耐火材料得到快速发展。目前，在加热炉中，不仅广泛使用普通不定形耐火材料，还可使用轻质不定形耐火材料，并向加纤维的方向发展。在熔炼炉中，不定形耐火材料的应用也在进一步发展。在有的国家不定形耐火材料已发展到约占全部耐火材料产量的二分之一以上。

第一节 不定形耐火材料用的结合剂和外加剂

不定形耐火材料在使用前未经高温烧结，颗粒之间无普通烧结制品所具有的那种陶瓷结合或直接结合。这类颗粒之间只靠结合剂的粘结作用使其结为整体，并使构筑物或制品具有一定的强度。颗粒料在不定形耐火材料中基本上仍保持其原有特性，但由结合剂将其粘结构成构筑物或制品后，产品的性能却在很大程度上受结合剂的影响。因此，结合剂是不定形耐火材料中的重要组分。不定形耐火材料中，应充分发挥和利用结合剂的粘结性和其他有利作用，而尽量减少和避免结合剂对高温性能可能带来的不利影响。因而，对结合剂的品种和特性，在不定形耐火材料中发生的反应和影响，在高温和在侵蚀介质以及其他条件影响下的变化等，都必须有所认识。

一般认为，结合剂将物料粘结为整体系取决于结合剂本身的凝结硬化性质和与结合物之间产生的粘结作用。欲使被结合物体具有相当高的强度，既要求结合剂本身具有良好的凝结硬化特性，又必须能形成高度分散和易流动的体系，同时应具有良好的润湿性，以便能与粒状和粉状料的表面最大限度地接触。另外，结合剂作为耐火材料的一种组分，还必须具有硬化时的体积稳定性，硬化后的耐火性，以及无其他危害作用。

在耐火材料中可作为结合剂的物质有很多种类。根据其化学组成，可分为无机结合剂和有机结合剂。根据其硬化特点，可分为气砸性结合剂、水硬性结合剂，热硬性结合剂和陶瓷结合剂。气硬性结合剂是在大气中和常温下即可逐渐凝结硬化而具有相当高强度的结合剂。通常指将结合体经100℃干燥后其抗折强度大于1.185{Pa或大于1.471VfPa 者，如加有促凝剂的水玻璃结合剂即属此类。水硬性结合剂是必须同水进行反应并在潮湿介质中养护才可逐渐凝结硬化者，如各种水泥皆属之。热硬性结合剂是指在常温下硬化很慢和强度很低．而在高于常温但低于烧结温度下可较快地硬化的结合剂，如常用的磷酸铝结合剂。陶瓷结合剂在常温和中温下不硬化或强度很低，而只有在高温下经烧结后才具有相当的强度。应该指出，有的将上述气硬性和热硬性归为一类，称气硬性结合剂，而将陶瓷结合剂称为热硬性结合剂或火硬性结合剂。另外，在耐火材料中使用的结合剂，还依其在常温和高温下所起结合作用的特点，分为暂时性结合剂和永久性结合剂。暂时性结合剂指在施工：后仅

第十章 隔热耐火材料

第一节 概述

降低热耗，节约能源已成为当今世界共同努力的方向。

据国内外专家的计算和测试，采用轻质隔热耐火材料砌筑窑炉，砌筑材料可节约1／10～1／9，热容降低1／10～1／11。用一块轻质隔热砖代替三块半标准砖砌筑窑墙，其热耗下降1／10。另外，采用轻质

耐火材料可使窑炉烘窑和冷却时间减少1／5，基建投资下降1／5～1／1．0，采用轻质材料，可降低燃耗，并且大大降低整个炉体的质量，因为砌体单位体积质量一般皆小于200kg ／rD_3。通过各种结构炉衬在内表面温度相同的情况下其热工性能的比较(见图10--D ，即可明了其降低热耗的作用．

一、隔热耐火材料的分类标准

1．—般分类方法

(1)按使用温度可分为：

倔强隔热材料

中温隔热材料900～1200℃：如蛭石、轻质粘土砖，

高温隔热材料>1200℃：如轻质刚玉砖。

(2)根据轻质耐火材料的使用方式可分为不直接向火的隔热材料和直接向火的隔热材料。

(3)根据体积密度可分为一般轻质耐火材料(通常指体积密度为0．6～1，0e ／cm ’者) 和超轻质耐火材料(通常指体积密度为0．3—0．4S ／Cm3者) 。

(4)按生产方法可分为可燃加入物法、泡沫法和化学法。

(5)按原料可分为粘土质、高铝质，硅质、镁质等轻质砖。

2．我国轻质耐火材料按密度和使用部位分类。

3．各国分类标准不尽相同，如国际标准(1SO)和美、日等国，以体积密度及重烧线变化率来分类，而前苏联标准则按体积密度及最高使用温度来分类。

二、隔热厚理

隔热和导热是一个事物的两个方面。热是一种能量，它与组成材料的分子、原子、电子等的运动密切相关。所有物质的热现象，都是物质内部粒子相互碰撞，传递和运动的结果。根据物质结构和热传递基因的不同，人们提出了分子(原子) ，电子、声子和光于导热机理。

耐火材料，特别是轻质隔热耐火材料是晶相、非晶相等固相和气相的多相体系，其热量传递的起囡和过程是极其复杂的，绝非某单一机理所能概括的。大多数耐火材料导热是通过晶体点阵或晶格振动完成的，由于晶格振动的能量是量子化的，通常把晶格振动的“量子”称“声子”，所以，耐火材料的导热主要可

看成是声子作用的结果。除声子导热外，还有小部分较高频率的电磁波，低温时，因这部分微乎其微，所以可忽略不计，但高温时，这部分辐射能就大了，从人们所热知的

随着耐火材料工业的发展，新品种不断涌现。因其成分及组织结构的不同(如金属陶瓷，复合材料等) ，只能说嗣火材料的导热集分子，电子．声于、光子导热于一身，以后两种方式为主而已。

三、隔热耐火材料的类型

按材料的显微结构或织构的不同，大体可分为以下五类：

1．颗粒型 如一般轻质隔热砖，漂珠砖，空心球砖等，

2．纤维型 各类无机纤维，如非晶质(硅酸钼纤维) ，多晶(高铝纤维) ，单品(Al：O ：纤维) ，复合多相(W-SiC纤维) 等，

3．纤维一颗粒型 由纤维和耐火骨料颗粒加工而成。如超轻质材料明克(5~in—K) ，这种六十年代后兴起的新型材料，密度一般为0．25g ／cm3左右，其热导率比静态空气还小，仅相当于昔通轻质材料(包括轻质砖及纤维制品) 的1／3—1／5，使用温度可达10000C 。因其隔热性能优异，所以广泛应用于航天航空工业，

4。多层反射复合型 由纤维或陶瓷涂层与金属的反射屏多层复合而成。其隔热原理同目前超轻、保暖的太空服相似。宇航虽着装的太空服材料是由纤维、铝钛台金镀膜，采

耐火材料

4.1耐火材料的种类和性能

1、耐火材料的定义和分类

a 、定义：凡具有抵抗高温以及在高温下所产生的物理化学作用的材料统称耐火材料。

b 、三种分类方法：

1）按耐火度分类：

A 、普通耐火材料 耐火度为1580～1770℃。

B 、高级耐火材料 耐火度为1770～2000℃。

C 、特级耐火材料 耐火度为大于2000℃。

2）根据化学矿物组成分类：

A 、氧化硅质耐火材料。

B 、硅酸铝质耐火材料。

C 、氧化硅质耐火材料。

D 、铬铁质耐火材料。

E 、碳质耐火材料。

F 、其它高耐火度制品。

3）根据耐火材料的化学性质分类：

A 、酸性耐火材料

B 、碱性耐火材料

C 、中性耐火材料

2、耐火材料的主要性能

耐火材料的基本特性可以通过它的物理性能和高温使用性能来表示。

A 、耐火材料的物理性能：

主要包括体积密度、真比重、气孔率、吸水率、透气性、耐压强度、热膨胀性、导电性及热容量等。这些物理性能的好坏，直接影响着耐火材料的使用性能。

a 、气孔率

在耐火制品内，有许多大小不同，形状不一的气孔。

（1）和大气相通的气孔称为开口气孔；

（2）贯穿耐火制品的气孔称为连通气孔；

（3）不和大气相通的气孔称为闭口气孔；

其中气孔率可分为：

若耐火砖块的总体积（包括其中的全部气孔）为V 、质量为M 、开口气孔的体积为V1、闭口气孔的体积为V 2，连通气孔的体积为V3，则：

（1） 真气孔率= ×100%

即砖块中全部气孔体积 （包括开口、闭口和连通的气孔）占整块体积的百分率。

（2）显气孔率= ×100%

即砖块中外通气孔（包括开口和连通的气孔）体积占整块体积的百分率。

（3）闭口气孔率= ×100%

即砖块中闭口气孔体积占整块体积的百分率。

b 、体积密度（容重）：包括全部气孔在内的1m3 砖块体积的质量。

体积密度= （kg/m3）

c 、真比重：不包括气孔在内的单位体积砖块重量与4℃水的单位体积重量之比。

真比重=

d 、吸水率：是原料中所有开口气孔所吸收的水的质量Mw 与砖块质量M 之比值。用下述公式计算: 吸水率= ×100%

e 、热膨胀性：

耐火制品受热膨胀，冷后收缩，这种变化属于可逆变化的。耐火制品的热膨胀性能主要取决于其化学—矿物组成和所受的温度。

耐火制品的热膨胀性可用线膨胀系数或体积膨胀系数来表示，也可用线膨胀百分率或体积膨胀百分率表示。

B 、耐火材料的使用性能

a 、 耐火度

1、定义：耐火材料抵抗高温而不变形的性能叫耐火度。

加热时，耐火材料中各种矿物组成之会发生反应，并生成易熔的低熔点结合物而使之软化，故耐火度只是表明耐火材料软化一定程度时的温度。

2、耐火度的测定

测定耐火度时，将耐火材料试样制成一个上底每边为2m m，下底每边为8mm ，高mm 、截面呈等边三角形的三角锥体。把三角锥体试样和比较用的标准锥体放在一起热。三角锥体在高温作用下则软化而弯倒，当锥的顶点弯倒并触及底板（放置试锥用的时，此时的温度（与标准锥比较）称为该材料的耐火度，三角锥体软倒情况如下图所示：

应该注意的是：耐火度并不能代表耐火材料的实际使用温度。因为在实际使用时，耐火材料承受一定的机械强度，故实际使用温度比测定的耐火度低。

B 、荷重软化温度

耐火材料在常温下的耐压强度很高，但在高温下发生软化，耐压强度也就显著降低一般用荷重软化温度来评定耐火材料的高温结构强度。

1、定义：荷重软化温度就是耐火材料受压发生一定变形量的温度。

2、测定方法：

将待测耐火材料制成高为50mm ，直径为36mm 圆柱体试样，在196k Pa的荷重压力下，按照一定的升温速度加热，测出试样的开始变形温度和压缩4％及40%的温度作为试样的荷重软化温度。

耐火材料的实际使用温度比荷重软化点高：因为一方面材料的实际荷重很少达196kPa ，另一方面耐火材料在炉子中只是单面受热。

表4－1 某些耐火材料在高温下的结构强度

耐火材料

名称 荷重软化开始点温度t0（℃） 荷重软化终止点

温度t1（℃） 耐火度

t2（℃） t2-t0

（℃）

氧化硅质

粘土质

氧化镁质 1630

1350

1500 1670

1600

1550 1730

1730

2000 100

380

500

由表可以看出：氧化硅质耐火材料的荷重软化温度和耐火度接近，因此氧化硅质耐火材的高温结构强度好；而粘土质耐火材料的荷重软化温度远比其耐火度低，这是粘土质耐火材料的一个缺点。氧化镁质耐火材料的耐火度虽然很高，但其高温结构强度同样很差，所以实际使用温度仍然低于其耐火度很多。当然，在没有荷重的情况下，其使用温度可以大大提高。

C 、 热稳定性

1、定义：耐火材料抵抗温度急剧变化而不破裂或剥落的能力称热稳定性或称耐急冷急热性。

2、测定方法：热稳定性的测定方法很多。我国部颁的测定方法是将试样在850℃下加热40分钟后，再置于流动的冷水（10～20℃）中冷却，并反复进行几次，直到其脱落部分的重量达到最初总重量的20％时为止，此时其经受的耐急冷急热次数就作为该材料的温度极度抵抗性指标。对于某些怕水的材料，可以用冷风冷却，但须注明是空气冷却次数。

耐火材料的抵抗温度急变性能，除和它本身的物理性质如膨胀型、导热性、孔隙度等有关外，还与制品的尺寸、形状有关，一般薄的、尺寸不大和形状简单的制品，比厚的、尺寸较大和形状复杂的制品有较好的耐急冷急热性。

D 、高温体积稳定性

定义：耐火材料在高温下长期使用时体积发生不可逆变化。

有些体积膨胀叫残存膨胀，有些体积收缩叫残存收缩．

膨胀或收缩的值占原尺寸的百分比，就表示其体积的稳定性。这一变化严重时往往会引起炉子的开裂和倒塌。因此，使用耐火材料时，对这个性能必须十分注意。

E 、抗渣性

耐火材料在高温下抵抗炉渣侵蚀的能力称为抗渣性。

影响材料抗渣性的主要因素有：

a 、炉渣化学性质

炉渣主要分酸性渣和碱性渣。含酸性较多的耐火材料，对酸性炉渣的抵抗能力强，对碱性炉渣的抵抗能力差。反之，碱性耐火材料如氧化镁质和白云石质耐火材料对碱性渣的抵抗能力强，对酸性渣的抵抗能力差。 b 、工作温度

温度在800～900℃时，炉渣对材料的侵蚀作用不大显著，但温度达到1200～1400℃以上时，材料的抗渣性就大大降低。

c 、耐火材料的致密程度

提高耐火材料的致密度，降低它的气孔率是提高耐火材料抗渣性的主要措施，可以在制砖过程中选择合适的颗粒配比和较高的成型压力。

4.2 硅酸铝质耐火材料

硅酸铝质耐火材料是由Al2O3和SiO2及少量杂质所组成，根据其Al2O3含量不同可分为：

1、半硅质耐火材料（含A12O3 15～30%）

2、粘土质耐火材料（含Al2O3 30～46％）

3、 高铝质耐火材料 （含A12O3＞40%）

4.2.1 粘土质耐火材料

自然界产出的粘土质耐火材料有耐火粘土和高岭土，主要组成为高岭石（Al2O3•2SiO2•2H2O ），其余部分为K2O 、Na2O 、CaO 、MgO,TiO2及Fe2O3等杂质，含量约为6～7％。

根据Al2O3 、SiO2和杂质含量的不同，耐火粘土又分为硬质粘土和软质粘土两种。

（1）硬质粘土中Al2O3含量较多，杂质含量较少，耐火度高，但可塑性差；

（2）软质粘土则相反，Al2O3含量较少，杂质较多，耐火度较低，但可塑性好。

粘土受热后，首先放出结晶水，继续升高温度，则发生一系列变化而烧结，用化学式可表示为： 3（Al2O3•2SiO2，•2H2O ）→3A12O3.2SiO2＋4SiO2＋6 H 2O↑

高岭石 莫来石 白硅石

粘土加热时产生体积收缩，所以天然产出的耐火粘土必须预先进行煅烧成熟料，以免砖坯在烧成时因体积收缩而产生裂纹。但熟料没有可塑性和粘结性，制砖时必须加入一部分软质粘土做结合剂，这种未经煅烧的粘土叫生料。熟料和生料按一定比例配合。

l 、粘土砖的性质

a 、耐火度

一般粘土砖的耐火度在1580~1730℃。

b 、荷重软化温度

因为粘土砖在较低的温度下出现液相而开始软比，如果受外力就会变形，所以粘土砖的荷重软化温度比耐火度低很多，只有1350℃左右。

c 、抗渣性

粘土砖是弱酸性的耐火材料，它能抵抗酸性渣的侵蚀，对碱性渣侵蚀作用的抵抗能力则稍差。

d 、热稳定性

粘土砖的热膨胀系数小，所以它的热稳定性好。在850℃时的水冷次数一般为l0~15次。

e 、体积稳定性

粘土砖在高温下出现再结晶现象，使砖的体积缩小．同时产生液相。由于液相表面张力的作用，使固体颗粒相互靠近，气孔率低，使砖的体积缩小，因此粘土砖在高温下有残存收缩的性质。

2、粘土砖用途

粘土砖用途广泛。凡无特殊要求的砖体均可用粘土砖筑、高炉、热风炉、化铁炉、平炉和电炉等温度较低部分使用粘土砖。盛钢桶、浇铸系统用砖、加热炉、热处理炉、燃烧室、烟道、烟囱等均使用粘土砖。粘土砖尤其适用于温度变化较大部位。

4.2.2 高铝质耐火材料

含Al2O3在46％以上，用刚玉、高铝钒土或硅线石系矿物作原料制成的耐火材料统称为高铝质耐火材料。

1、高铝砖的性质

a 、耐火度

高铝砖的耐火度比粘土砖和半硅砖的耐火度都要高，达1750~1790℃，属于高级耐火材料。

b 、荷重软化温度

因为高铝制品中Al2O3高，杂质量少，形成易熔的玻璃体少，所以荷重软化温度比粘土砖高，但因莫来石结晶未形成网状组织，故荷重软化温度仍没有硅砖高。

c 、抗渣性

高铝砖中Al2O3较多，接近于中性耐火材料，能抵抗酸性渣和碱性渣的侵蚀，由于其中含有SiO2，所以抗碱性渣的能力比抗酸性渣的能力弱些。

2、高铝砖的用途

主要用于砌筑高炉、热风炉、电炉炉顶、鼓风炉、反射炉、回转窑内衬。此外，高铝砖还广泛地用做平炉蓄热式格子砖、浇注系统用的塞头、水口砖等。但高铝砖价格要比粘土砖高，故用粘土砖能够满足要求的地方就不必使用高铝砖。

4.2.3 半硅质耐火材料

SiO2含量大于65%，Al2O3含量为15~30%的耐火材料属于半酸性耐火材料或叫半硅砖，其耐火度不应低于1610℃。

半硅砖的各种性能介于粘土砖和硅砖之间，其特点是：

(1) 耐火度为1650～1710℃。

(2) 热稳定性比粘土砖差，因石英膨胀系数大。

(3) 荷重软化开始温度为1350～1450℃，因含有较多的石英，故比一般的粘土砖稍高。

(4) 体积稳定性好，因为原料中粘土的收缩被SiO2的膨胀所抵消，若含SiO2多则会有残余膨胀产生。

(5) 抗酸性渣的侵蚀性好。

半硅砖所用原料广泛，价格低，加上具有上述特性，所以使用范围较广，可以代替二、三等粘土砖。常用以砌筑化铁炉内衬，加热炉炉顶和烟囱等。

4. 3 氧化硅质耐火材料

二氧化硅的熔点高达1710℃，所以它可以用来制造耐火材料。

硅砖就是一种含SiO2在93%以上的氧化硅质耐火材料。

由于SiO2在不同温度下有不同的晶型存在，伴随着晶型的变化，还有体积的变化，同时还产生应力，故硅砖的制造技术和使用性能与SiO2的晶型转变有着密切的关系。

4.3.1 二氧化硅的结晶转变

二氧化硅在不同温度下的结晶状态（同素异晶体）有下列几种：

（1）α一石英，β一石英；

（2）α－鳞石英，β－鳞石英，γ－鳞石英；

（3）α－白硅石，β－白硅石。

以上α是指较高温度下的结晶形态，β和γ是指较低温度下的结晶形态。

SiO2的各种同素异晶体在不同温度下会发生转变，这种转变按其本质的不同可分为下列两类：

1、迟钝型转变

这是由一种结晶构造过渡到另一种新的结晶构造。这种转变是从结晶的边缘开始的，极其缓慢地发展到结晶中心，所以需要很长的时间且在一定温度范围下才能完成。

迟钝型转变一般只向着一个方向进行。

SiO2结晶的迟钝型转变有：

(1)

(2)

(3)

(4)

2、高低型转变

这种转变不是由结晶表面逐渐向中心发展，而是整个结晶同时转变。在转变时结晶内部结构变化较小，所以转变是可逆的。属于这类转变的有：

（1）

（2）

（3）

（4）

硅砖在烧成过程中所进行的各种结晶转变可用图4－4表示。

由上图可以看出，当加热到573℃时，砖坯中的β一石英就迅速转变为α－石英，这时体积膨胀0.82%。温度继续升高，当砖内缺乏低熔点的液相（熔剂）时，在1000~1450℃范围内α－石英会缓慢地转化为α－白硅石，但若在1400~1450℃停留很长时间，α－白硅石就会转变为α－鳞石英。当砖内有低熔点液相出现时，α－石英能于1200~1460℃经过半稳定型的α－白硅石转变为α－鳞石英。当温度大于1470℃时，α－鳞石英有转变为α－白硅石；当温度高于1710℃时，α－白硅石熔化为石英玻璃。

α－石英转变为α－白硅石时，体积膨胀为15.4%，转变为α－鳞石英时体积膨胀为16%，故硅砖烧成时有很大的体积膨胀。在硅砖烧成温度下（1450℃）砖内的矿物结晶有：α－鳞石英，α－白硅石，未经转变的α－石英及少许石英玻璃。

将已经烧成的硅砖冷却下来，这时砖中的SiO2结晶不是沿着原来的途径变化， 而是发生各晶体的高低型转变。最后变为γ－鳞石英，β—白硅石，β－石英和石英玻璃。在使用过程中，硅砖中的SiO2结晶首先按高低型转变，而在高温长期使用时，砖中的α－鳞石英将转化为α一白硅石。

从以上SiO2晶型转变来看，氧化硅质耐火材料最大的特点是在晶型变化的同时还伴随有体积的变化。现以烧成后的硅砖在使用时的情况来看，β—白硅石转变为α一白硅石时体积膨胀2.8%，较之β－鳞石英时大得多，故产生较大的应力，有时会发生破裂。若硅砖内还含有没有来得及转变的β一石英，则在高温下会继续进行迟钝型的转变， 这时体积膨胀会更大。

由于上述原因，故一般希望烧成后硅砖中的鳞石英愈多愈好，白硅石次之，残存石英愈少愈好。

4.3.2 硅砖的性质及用途

1、硅砖的性能

（1）硅砖属于酸性耐火材料，故对酸性渣侵蚀的抵抗能力强，对碱性渣侵蚀的抵抗能力弱。

（2）耐火度较一般粘土砖高，达1710～1730℃。

（3）荷重软化温度高，几乎接近其耐火度，一般都在1620℃以上，这是硅砖的最大优点。

（4）热稳定性差，水冷次数只有1～2次，这主要是因为有高低型晶体转变的缘故，所以硅砖不宜用于温度有急变之处。

（5）体积稳定性差，加热时产生体积膨胀，故砌砖时必须注意留出适当的膨胀缝。此外，硅砖在低温下体积变化更大，所以烘烤炉子时，低温下（600℃以下）升温应缓慢。

（6）硅砖的真比重一般情况下其变化范围为2.33～2.42， 以小为好，真比重小，说明石英晶型转变完全，使用过程的残余膨胀就小。

2、硅砖的用途

硅砖是酸性冶炼设备的主要砌筑材料，也是炼焦炉、铜熔炼炉等不可缺少的筑炉材料。由于硅砖的荷重软化温度高，因而也可用在碱性平炉和电炉炉顶上，甚至蓄热室上层格子砖也可用它来砌筑。

使用硅砖时应注意下列事项：

（1）硅砖在200～300℃和578℃时由于高低型晶型转变，体积骤然膨胀，故在烘炉时在600℃以下升温不宜太快，否则有破裂的危险。在冷却至600℃以下时应避免剧烈的温度变化。

（2）尽量避免和碱性炉渣接触。

4.4 氧化镁质及其它碱性耐火材料

4.1 镁石质耐火材料

含氧化镁（MgO ）在80～95％以上的耐火材料，属于镁石质耐火材料（主要是镁砖）。

1、镁砖的主要性能

a 、耐火度

因为方镁石（MgO ）结晶的熔点很高，可达2800℃，故镁砖的耐火度在一般耐火砖中是最高的，通常在2000℃以上。

b 、高温结构强度

镁砖的高温强度不好，荷重开始软化温度在1500～1550℃之间，比耐火度低500℃以上。

c 、抗渣性

镁砖属于碱性耐火材料，对于CaO 、FeO 等碱性熔渣的抵抗能力很强，故通常用做碱性熔炼炉的砌筑材料，但对于酸渣的抵抗力则很差。镁砖不能与酸性耐火材料相接触，它们在1500℃以上就相互起化学反应而被侵蚀。因此，镁砖不能和硅砖等混砌。

d 、热稳定性

镁砖的热稳定性很差，只能承受水冷2～8次，这是它的很大缺点。

e 、体积稳定性

镁砖的热膨胀系数大，在20~1500℃之间的线膨胀系数为14.3×106，故砌砖过程中，应留足够的膨胀缝。 f 、导热性

镁砖的导热能力约为粘土砖的几倍。故镁砖砌筑的炉体外层，一般应有足够的隔热层，以减少散热损失。不过镁砖的导热性随温度升高而下降。

g 、 水化性

煅烧不够的氧化镁与水作用，产生以下反应：

MgO+H2O→Mg （OH ）2

这称为水化反应。由于此反应，体积膨胀达77.7%，使镁砖遭受严重破坏，产生裂纹或崩落。镁砖在储存过程中必须注意防潮。

2、镁砖的应用 。

镁砖在冶金工业中应用很广。炼钢工业中可用来砌筑碱性平炉炉底和炉墙，顶吹转炉炉衬，电弧炉炉墙、炉底，均热炉和加热炉炉底，混铁炉内衬。有色冶金工业中用以砌筑铜、镍、铅鼓风炉炉缸、前床，精炼铜反射炉，矿石电炉内村等。

4.4.2 镁铝砖、镁铬砖和镁碳砖

1、镁铝砖

镁铝砖是采用含钙少的煅烧镁砂（MgO>90%，CaO ＜2.2%）作原料，加入约8%的工业氧化铝粉，以亚硫酸纸浆废液做结合剂，在1580℃的高温下烧成的制品。

镁铝砖的矿相组成是以方镁石为主晶，镁铝尖晶石（MgO. Al2O3）为基质。后者代替镁砖中的钙镁橄榄石，成为方镁石的结合剂。

镁铝砖与镁砖比较，具有以下特点：

（1）镁铝砖的耐急冷急热性好，可承受水冷20~25次，甚至更高。

（2）由于镁铝尖晶石本身的熔点较高，故镁铝砖的高温结构强度比镁砖有所改善，达到1520～1580℃，甚至更高。

镁铝砖具有以上优良性能，故在我国已广泛用做炼钢平炉，炼铜反射炉等高温熔炼炉炉顶的砌筑材料，取得了延长炉子寿命的效果。大型平炉可达300炉左右，中小型平炉在1000炉以上。

2、镁铬砖

镁铬砖是加铬铁矿于烧结镁砂中做为原料制成的含Cr2O3≥8％的耐火制品， 其主要矿相组成为方镁石和含铬尖晶石（MgO. Cr2O3）。

镁铬砖对碱性熔渣的侵蚀有一定的抵抗能力，高温下的体积稳定性好，在1500℃时重烧线收缩很小。主要缺点是铬尖晶石吸收氧化铁后，使砖的组织改变，引起“暴胀”，加速砖的损坏。

镁铬砖常用来砌筑炼铜炉、电炉、回转窑及平炉的某些部位。

3、铬质耐火砖

含Cr2O3量较高（30%以上），而MgO 量较少（10~30%）的耐火砖为铬质耐火砖。

它的主要特性是属于中性耐火材料，因为Cr2O3属于中性氧化物，故对碱性熔渣和酸性熔渣都有良好的抵抗能力。 铬砖有时用来砌筑在酸性耐火砖和碱性耐火砖交界的地方，以免酸性耐火砖与碱性耐火砖之间在高温下起反应。

4、镁碳砖

镁碳砖是采用高纯度镁砂、电熔镁砂、石墨粉为原料，以中温沥青为结合剂，高压成型而制成。

镁碳砖在我国是近几年来发展起来的一种新型高级耐火材料。该制品具有热稳定性好，荷重软化温度与高温抗折强度高，抗碱性渣侵蚀能力强的特点。

镁碳砖是当前炼钢炉采用的主要耐火材料之一，它主要用于转炉、电炉的渣线部位其炉衬及炉外精炼的钢包等。由于其性能比镁砖和焦油白云石砖好，故用在炼钢炉上炉龄寿命可大大提高。

4.4.3 白云石质火材料

白云石质耐火材料是以白云石为主要材料制成的，含CaO 在40% 以上，MgO 大于30%的耐火制品。 白云石的化学组成为MgCO3•CaCO3，必须经过高温(1500~1600℃) 煅烧，才能使用。

煅烧后的白云石熟料，主要矿相组成为方镁石（MgO ）以及α－CaO 晶型。熟料破碎至一定粒度，通常称为冶金白云石砂，可做制砖原料。

1、焦油白云石砖

焦油白云石砖是以冶金白云石作原料，加入焦油或沥青(约7~10%）作结合剂，经过捣打而成的。一般不经过烧成工序，可直接使用。

这种砖在高温使用过程中，作为粘结剂的焦油和沥青进行分解，放出挥发份，残留固定碳。后者不仅存在于白云石颗粒之间，而且渗入颗粒的毛细孔中，组成完整的固定碳网，将白云石颗粒联结成高强度的整体。此外，固定碳的化学稳定性好，有助于整个耐火制品抗渣能力的提高。

焦油白云石的主要特性：

a 、水化性

白云石砖的水化性比镁砖更厉害，CaO 与H2O 起作用，化合成Ca(OH)2，体积膨胀一倍，使砖遭到破坏。白云石原料虽经高温煅烧，水化性有所降低，但由于砖中有大量游 里的CaO ，若在空气中放置太久，则不可避免会吸收空气中水份，而逐渐被水化。因此，应尽快使用。

b 、其它性质

焦油白云石砖也是碱性耐火材料，对碱性渣的抵抗能力强，而对酸性渣的抵抗能力差，荷重软化开始温度同样比较低，只有1500~1570℃。

焦油白云石砖的耐急冷急热性比普通镁砖好得多，可达风冷20 次。这与结合剂(固定碳) 具有好的热稳定性有关。

使用不烧结的焦油白云石砖时，由于焦油或沥青在低温下加热即软化，故烘炉时在500℃下不能停留时间过长，以防止砖软化变形。

2、稳定性白云石砖

为克服CaO 水化这一缺点，可在制砖配料中加人SiO2的硅石粉，硅藻土等物料，砖坯经煅烧后，CaO 与SiO2结合成稳定性化合物：3CaO. SiO2和2CaO •SiO2。CaO 不处于游离状态，故不再与水起反应。这样的砖，称为稳定性白云石砖。

4.5 其他耐火材料、散状耐火材料和隔热材料

4.5.1 碳质耐火材料

碳质耐火材料是用碳及其化合物制成的。包括碳质制品、石墨粘土质制品、碳化硅制品等。

含碳耐火材料具有下列特性：

（1）耐火度高，因为碳实际上是不熔化的物质，在3500℃时升华；

（2）碳质制品是中性耐火材料，具有很好的抗渣性；

（3）高的导热性和导电性；

（4）热膨胀系数小，热稳定性好;

（5）高温强度高，耐磨性好；

（6）碳和石墨在氧化气氛中会燃烧，碳化硅在高温下也慢慢发生氧化作用，这是含碳耐火材料的主要缺点。

1、碳质制品

冶金工业所使用的碳质制品主要是碳砖。目前碳砖用以砌筑高炉风口以下的炉缸和炉底部位，也用来做铝电解槽的内衬。

2、石墨质制品

石墨是碳的一种结晶形态，常见的石墨质耐火制品，有熔炼金属的石墨坩埚及铸钢用的石墨塞头砖等，此外还可做成电极使用。

石墨制品是以石墨为原料，用软质粘土做结合剂，成型后在还原气氛中烧成的。

石墨制品的特性，基本土与碳砖相同。石墨质制品的导热能力比碳砖更高。同时由于石墨晶型的抗氧化能力较强，加之石墨颗粒周围有粘土构成的保护膜，故石墨制品的抗氧化能力比碳砖强得多，可做成坩埚直接在高温火焰中使用。不过石墨制品的耐火度较碳砖低，一般在2000℃上下。这是因结合剂（耐火粘土）的耐火度低的缘故。

3、碳化硅质制品

碳化硅是纯石英砂和焦炭，在2000~2200℃的高温下，于特殊电炉内烧成的。

碳化硅耐火制品是以碳化硅为原料，加入耐火粘土、石英等做结合剂，或不加结合剂（靠本身再结晶而结合）所制成的。

以粘土结合的碳化硅制品，其耐火度约1800℃，荷重软化开始温度界于1620~1640℃之间。碳化硅制品在较高温度下才易被氧化，抗氧化能力比碳砖强的多。

碳化硅制品的导热能力也较好，用来制做炼锌蒸馏竖罐，换热器元件等。碳化硅同样有一定的导电能力，常制成电阻发热元件。此外，碳化硅耐火制品价格昂贵，因而限制了它的使用范围。

4.5.2 散状耐火材料

传统的筑炉方式是耐火砖作为主体的，散状料（如耐火泥）只是作为砌砖的泥浆、砖缝填料或补炉料。但近二十年来，国内外散状耐火材料有了很大发展，出现了各种耐火混凝土（浇注料）、耐火可塑料及多种捣打料、喷涂料。

1、耐火混凝土

耐火混凝土的使用温度在900℃以上，甚至可达1600~1800℃。

根据所用胶结料的不同，耐火混凝土可分为硅酸盐水泥耐火混凝土、铝酸盐水泥耐火混凝土、水玻璃耐火混凝土、磷酸盐耐火混凝土、镁质耐火混凝土等，此外还有轻质耐火混凝土。

A 、硅酸盐水泥耐火混凝土

B 、铝酸盐耐火混凝土

C 、水玻璃耐火混凝土

耐火混凝土可以直接浇灌在热工设备上的模板内，捣固以后经过一定养护即可。也可做成混凝土预制块，然后用来砌炉子。

2、耐火可塑料

耐火可塑料的用途很广，除用于加热炉炉底水管包扎外，还应用于均热炉炉口和烟道拱顶，加热炉炉顶，烧嘴砖，以及炼钢厂的盛钢桶、保温帽等部位。这种耐火材料具有以下－些优点：

(1) 耐火度高

(2) 热稳定性好

(3) 绝热性能好

(4) 抗渣性好

(5) 抗震性能及耐磨性能好

(6)整体性好 整个砌体严密无缝。

3、捣打料

捣打料与耐火混凝土不同，不采用水硬性的水泥等胶结料。用做捣打料结合剂的有水玻璃、耐火粘土等无机物，也可用焦油、沥青等有机物。配料以后，用人工或气锤捣实打紧，再经高温烧结而成。

捣打料可代替耐火砖用来捣筑冶金炉的某些部位，也可捣筑整个炉子。目前，高炉部分炉衬、电炉炉底、冰铜熔炼反射炉炉底以及感应电炉整个炉体，皆广泛使用捣打料捣筑而成。捣筑而成的炉体具有无砖缝，坚固致密，不易渗漏金属，抗侵蚀能力强等优点。实践证明：使用寿命比砖砌的长。

4、喷补料

现代平炉、转炉、电炉等高温炉，普遍采用高温喷补炉墙的方法，为延长炉子寿命，提高生产能力，提供了极其有利的措施。喷补料由耐火骨料及胶结料所组成。耐火骨料的组成根据耐火砖的种类以及炉内温度等条件选定。胶结料用水玻璃或聚磷酸盐等。料配好以后，依靠压缩空气喷枪喷于炉壁上，在高温下喷补料烧结于被损坏的炉壁上，与原来的砖砌体结合成整体。

5、耐火泥

火泥是用来填充于砖缝之间的细粉状耐火材料，火泥加水或水玻璃等粘结剂。调制成泥浆叫耐火胶泥，用以粘结耐火砖块。

砖缝是炉子砌体的薄弱环节，容易被熔融炉渣浸入而腐蚀耐火砖。因此，要求填充砖缝的火泥具有有良好的粘结性能，有较好的致密性（不产生裂缝），并具有与耐火砖近似的高温性能。

6、耐火涂料

耐火涂料覆盖于炉子砌砖体内表面，提高砌砖体抗渣能力等高温性能，有助于延长炉体的使用寿命。耐火涂料是在常温下涂于砌砖体表面，在高温使用过程中与砌砖体烧结在一起。

4.5.3 隔热材料

为了减少炉子热损失，提高炉子热效率，减低燃料消耗量以及改善车间劳动条件，炉子砌体外层一般用隔热材料砌筑。隔热材料的导热率必须很低，气孔率必然高，体积密度也就小。

根据使用温度不同，隔热材料可分为三类：

（1）高温隔热材料：1200℃以上

（2）中温隔热材料：900～1200℃

（3）低温隔热材料：900℃以下

1、高温隔热材料

各种轻质耐火材料都可做为高温隔热材料。如轻质粘土砖、轻质硅砖、轻质高铝砖以及轻质耐火混凝土等。

陶瓷纤维是近年来被广泛应用的一种新型高温隔热材料。它是以高铝矾土或高岭土为主要原料在2000~2200℃的高温下熔化后，用高速空气或蒸汽流喷吹制成。它具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热系数小、热容量小和耐震动的特点。

2、中温隔热材料

工作温度900~1200℃的隔热材料有硅藻土砖、密度很小的轻质粘土砖、珍珠岩和蛭石等。

3、低温隔热材料

低温隔热材料常用石棉，矿渣棉等材料。

4.5.4耐火材料的选用

耐火材料的正确选用，对炉子工作具有极重要意义，能够延长炉子的寿命、提高炉子的生产率，降低生产成本等。相反，如果选择不好，会使炉子过早损坏而经常停产，降低作业时间和产量，增加耐火材料的消耗和生产成本。

选择耐火材料时，应注意下述原则：

（1）满足工作条件中的主要要求

（2）经济上的合理性

总之，选择耐火材料，不仅技术上应该是合理的，而且经济上也必须是合算的，应本着就地取材，充分合理利用国家经济资源，能用低一级的材料，就不要用高一级的，当地有能满足要求的就不用外地的。

转炉炼钢用耐火材料综述

转炉是一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料进行炼钢的直立式圆筒形冶炼炉。根据炉衬耐火材料的性质，分为酸性转炉和碱性转炉两种。根据气体吹入炉内的部位，分为底吹、顶吹、侧吹和顶底复合吹炼转炉。

转炉炉衬

世界各国由于铁水成分及耐火材料资源不同，因而炉衬砖的选择也有所侧重。美国主要使用焦油结合镁砖、方镁石砖、焦油浸渍烧成方镁石砖，20世纪90年代以来也适用镁碳砖。法国主要使用白云石砖、镁白云石砖、白云石碳砖、沥青结合镁砖和镁碳砖。英国曾使用过焦油白云石砖、烧成白云石砖，1989年以后大量使用镁碳砖。俄罗斯多采用焦油白云石砖，少数工厂也使用焦油镁砖和方镁石尖晶石砖。日本是最早将镁碳砖用于转炉的国家，使用效果在世界上处于领先地位。中国转炉炉衬的发展经历了焦油结合白云石砖、焦油结合镁砖、镁白云石砖、高钙镁砖、镁白云石碳砖及镁碳砖等过程。综上所述，世界各国均逐渐采用镁碳砖取代其他砖种。由于镁碳砖具有抗热震性能好、抗侵蚀性能强，在高温下具有优良稳定性能、导热性好、耐磨损及由于有结合剂固化后形成的碳网络，将氧化镁颗粒紧密牢固的连接在一起而具有耐剥落性好的优点，加之喷补技术、溅渣护炉等技术的推广应用，90年代以来，炉衬寿命大幅度提高，吨钢消耗耐火材料一般不超过2kg 。

转炉内衬用砖

转炉内衬由绝热层、永久层和工作层组成。绝热层一般是用多晶耐火纤维砌筑，炉帽的绝热层也有用树脂镁砂打结而成；永久层各部位用砖也不完全一样，多用低档镁碳砖或焦油白云石砖、或烧结镁砖砌筑；工作层全部砌筑镁碳砖。

砌筑工作层的镁碳砖有普通型和高强度型，我国已制定了行业标准。根据砖中碳含量的不同可分为3类，而每类又按其理化指标分为3个牌号，即MT10A 、MT10B 、MT10C ；MT14A 、MT14B 、MT14C ；MT18A 、MT18B 、MT18C 等。

转炉的工作层与高温钢水、熔渣直接接触，受高温熔渣的化学侵蚀，受钢水、熔渣和炉气的冲刷，还受加废钢时的机械冲撞等作用，工作环境十分恶劣。在吹炼过程中，由于各部位的工作条件不同，内衬的蚀损状况和蚀损量也不一样。针对这一状况，视衬砖的损坏程度的差异，砌筑不同材质或同一材质不同级别的耐火砖，这就是所谓综合砌炉。容易损坏或不易修补的部位，砌筑高档镁碳砖；损坏较轻又容易修补部位，

可砌筑中档或低档镁碳砖。采用溅渣护炉技术后，在选用衬砖时还应考虑衬砖与熔渣的润湿性，若碳含量太高，熔渣与衬砖润湿性差，溅渣时熔渣不易黏附，对护炉不利。采用综合砌炉后，整个炉衬砖的蚀损程度比较均衡，可延长炉衬的整体使用寿命。

转炉出钢口用砖

出钢口受高温钢水冲蚀和温度急剧变化影响，损毁较为严重，因此应砌筑具有耐冲蚀性好、抗氧化性高的镁碳砖。一般都采用整体镁碳砖或组合砖，使用约200炉后就需更换。

更换出钢口有两种方式，一种是整体更换，一种是重新做出钢口。重新做出钢口时，首先清理原出钢口后，放一根钢管，钢管内径就是出钢口尺寸，然后在钢管外壁周围填以镁砂，并进行烧结。

复吹转炉底部供气用砖

底部供气砖用于从转炉底供入Ar 或N2或CO2，或三者与氧气的混合物。复吹时产生高温和强烈的搅拌作用，因此底部供气砖必须具有耐高温、耐侵蚀、耐冲刷、耐磨损和抗剥落性强的性能；从吹炼角度讲，要求气体通过供气砖产生的气泡要细小均匀；供气砖使用安全可靠，寿命尽可能与炉衬寿命同步。为此，镁碳砖仍然为最佳材料。

第一章 耐火材料的组成和性质

耐火材料在使用过程中，受到高温(一般为1000～1800℃) 下发生的物理，化学、机械等作用，容易熔融软化，或被熔蚀磨蚀，或产生崩裂损坏等现象，使操作中断，而且玷污物料。因此，要求耐火材料必须具有能适应各种操作条件的性质。

耐火材料的一般性质，包括化学矿物组成，组织结构，力学性质、热学性质和高温使用性质。其中有些是在常温下测定的性质，例如气孔率、体积密度，真密度和耐压强度等。根据这些性质，可以预知耐火材料在高温下的使用情况，另一些是在高温下测定的性质，例如耐火度、荷重软化点，热震稳定性，抗渣性，高温体积稳定性等．这些性质反映在一定温度下耐火材料所处的状态，或者反映在该温度下它与外界作用的关系。

耐火材料的质量取决于其性质，它是评价制品质量的标准，在生产中是制定和改进生产工艺，检查生产过程是否正确稳定的依据。正确合理地选用耐火材料，也是以其性质作为主要依据的。

近年来，在耐火材料原料和制品的检验方法和技术方面，虽经不断改进提高，由于实验室的实验条件与实际使用条件不完全符合(实验室实验为了缩短操作时间，求得操作方便，常采用加剧损坏的办法，恶化蚀损条件，将耐火材料本来在较低温度、一端受热和长时间工作的使用条件，改为实验室内高温、短期、整个试样受热的条件，有的甚至过分简化影响因素) ， 致使在实验室特定条件下的测试结果， 不能预示耐

火材料实际应用时的工作性能和推知其使用寿命。但是，现行的测试方法(除应不断研究改进外) 仍可以作为鉴定耐火材料质量的有效手段。通过测试，可以检验出厂产品质量和核对入厂材料是否合乎要求的规格，鉴定原料品质，控制生产过程，研究使用后的制品性质，寻求提高和改进质量的途径。在发展某一新型材料或试用一种新的原料时，也可按性能测试结果加以判断．然后经使用考验作出最终结论。

各国都有测试耐火材料性质的标准方法，如前苏联的FOCT ，美国的ASTM 标准，英国的PSI 方法，以及西德的DIN 和日本的JIS 等等。随着科学技术的发展和对耐火材料本身及其损坏机理认识的深化，检验项目不断增加，不断革新技术和改进方法，每隔一定时期对标准方法要加以修订。我国从1959年制定检验标准，到(YB)标准，再到(QB)检验标准，至今已经多次修订。这些检验标准方法．虽然是在实验室特定的实验条件下进行的，与实际使用条件不完全符合，但仍可作为鉴定耐火材料质量的有效手段。

第一节 耐火材料的化学矿物组成

耐火材料的若干性质，取决于其中的物相组成、分布及各相的特性，即取决于制品的化学矿物组成。对于既定的原料，即化学矿物组成一定时，可以采取适当的工艺方法，获得具有某种特性的物相组成(如晶型，晶粒大小、分布以及形成固溶体和玻璃相等) ，在一定限度内提高制品的工作性质。

一、化学组成

化学组成是耐火材料制品的基本特性。通常将耐火材料的化学组成按各成分含量和其作用分为两部分，即占绝对多量的基本成分一主成分和占少量的从属的副成分。副成分是原料中伴随的夹杂成分和工艺过程中特别加入的添加成分(加入物) 。

1．主成分 它是耐火制品中构成耐火基体的成分，是耐火材料的特性基础。它的性质和数量直接决定制品的性质。其主要成分可以是氧化物，也可以是元素或非氧化物的化合物。耐火材料按其主成分的化学性质又可分为三类。

酸性耐火材料含有相当数量的游离二氧化硅(SiOD。酸性最强的耐火材料是硅质耐火材料，几乎由94~97％的游离硅氧(SiOO构成。粘土质耐火材料与硅质相比，游离硅氧(Si00的量较少，是弱酸性的。半硅质耐火材料居于其间。

中性耐火材料按其严密含意来说是碳质耐火材料，高铝质耐火材料(A120345％以上) 是偏酸而趋于中性的耐火材料，铬质耐火材料是偏碱而趋于中性的耐火材料。

碱性耐火材料含有相当数量的MeO 和CaO 等，镁质和白云石质耐火材料是强碱性的，铬镁系和镁橄榄石质耐火材料以及尖晶石耐火材料属于弱碱性耐火材料。

此种分类对了解耐火材料的化学性质，判断在使用中它们之间及耐火材料与接触物问化学作用情况有着重要意义。

2．杂质成分 耐火材料的原料绝大多数是天然矿物，在耐火材料(或原、料) 中含有一定量的杂质。这些杂质是某些能与耐火基体作用而使其耐火性能降低的氧化物或化合物，即通常称为熔剂的杂质。例如镁质耐火材料化学成分中的主成分是MgO ，其它氧化物成分均属于杂质成分。因杂质成分的熔剂作用使系统的共熔液相生成温度愈低，单位熔剂生成的液相量愈多．且随温度升高液相量增长速度愈快，粘度愈小，润湿性愈好，则杂质熔剂作用愈强。从表1-1中的数据可以看出，这些氧化物对SiOz 的熔剂作用强度按如下顺序增强

第二章 耐火材料生产基本工艺原理

第一节 耐火原料的加工

一、选矿与提纯

为适应现代工业的发展，采用高纯原料是制造高质量耐火材料的前提。

在国际上，从耐火材料的纯度看，杂质含量逐年下降。1954年，镁质耐火材料所含杂质为12％，而1980年，天然镁砂杂质含量普遍降至4％，海水镁砂降至1％以下。对于其它耐火材料，例如粘土砖和硅砖，同样应考虑提高纯度。

决定矿物资源利用价值的标准，可归纳为以下几点：贮量丰富，具备开采条件，可稳定地供应原矿，质量波动不大，杂质含量符合技术要求，技术经济指标合理。

但是，符合上述标准的天然矿床甚少，必须根据综合利用的原则进行选矽·处理，去粗取精，满足耐火原料之需要。

选矿是利用多种矿物的物理和化学性质的差别，将矿物集合体的原矿粉碎，并分离出多种矿物，加以富集的过程。现代非金属矿物的选矿方法有机械法、 物理—化学法、纯化学法、电气法等等。采用那种选矿方法，首先取决于矿物中各种矿物的物理性质，例如矿物的颗粒大小和形状、密度、滚动摩擦与滑动摩擦角、润湿性、电磁性质、溶解度以及加热时的性状等等。

按颗粒的粒度进行选矿，主要用于松散的小颗粒的或上状岩石，如砂，粘土，此时，可采用水淘洗或利用空气分离法进行选矿。

按颗粒的形状来选矿。它用于具有片状的或针状的结晶(如云母，石墨，石棉等) 矿物。这种形状的颗粒，大部分都通不过圃孔筛。

按照密度来进行选矿。它是由密度相差很大而颗粒大小相同的矿物构成的松散物料，经过淘洗或空气分离器，密度大的矿物降落在近处，而密度小的矿物则落在较远处。

浮选法选矿，是利用矿物被液体所润湿程度的差别来进行的。放入液体中的固体矿物，力图突破液体的表面层，而表面层由于表面张力的作用给予其反作用力。当矿物细磨后并轻放入液体中时，其中某些矿物可能不被液体润湿，浮在其表面上，而另一些矿物因被润湿而沉底。

重液选矿法亦称重介质选矿法，这是一种利用矿物的密度差，在重液中进行分离的方法。

70年代，日本在静电选矿方面取得了一定成就。根据H ．B 约翰逊的矿物分类，各种不同矿物对不同的电极极性，其导电性和飞散距离亦不相同。当电压为负时，导电的矿物称为正整流性矿物。电压为正时，导电的矿物称为负整流性矿物。不受极性影响的矿物称全整流性矿物。在相同整流性矿物中，临界电位各不相同，只有达到该矿物的临界电位后，才能导电。利用整流性和临界电压的不同，在静电选矿机上，可把不同矿物分离。

磁力选矿法是基于不同的矿物具有不同的导磁系数。例如，Fe 、Ni 、Co 及其化合物，

很容易被磁铁吸引，而有些物质则不被磁铁吸引。电磁选矿通常用来除掉耐火原料中的杂质(主要是铁质) 。 电渗选矿法的原理是利用悬浊液的质点(如粘土、高岭土) 带有电荷(一般为负电荷) ，电流通过悬浊液时，带电的微粒向带有相反电荷的电极移动，并沉积在其表面上。

化学方法提纯，是目前制备高纯原料的重要手段。它是利用一系列化学及物理化学反应，使矿物分离。例如，用海水或卤水制备高纯氧化镁。这种方法的缺点是反应过程复杂，成本高。

1．菱镁矿的选矿。在菱镁矿中，往往含有白云石和绿泥石，若要制备高纯镁质原料，则应选矿提纯。常用的选矿方法为重液选矿法、浮选法和化学法。

(1)重液选矿法。选矿前，先将天然菱镁矿石破碎成o ～120mm 的颗粒，过筛去掉0～8mm 颗粒，再分级成60~120mm和8~60mm二种颗粒，二者选矿流程相似。在重液选矿悬浮液中，含有15％废矿原料，选后可得到Mg045~46％、Si020．5～0．8％、Ca00．8～1．2％的精矿，精矿收得率为85~95％。选矿时重质悬浮液中含有Si02和FeO 杂质。

(2)浮选。菱镁矿及其杂质对浮选剂(主要为工业脂肪酸混合物) 有不同的附着性和润湿性。浮选前，矿石应破碎到

浮选时CaO 含量可下降3～6倍，而SiOz 下降到0．1～0．3％。精矿回收率为75~80％。浓缩时排出的主要部分是液体(到75％) ，而其余部分为干精矿，折算成灼烧基，浮选精矿MgO 含量可达到96．5％。对高纯原料而言，这样的含量就太低了，从而提出了化学选矿的办法。

(3)化学选矿法。众所周知，作为化学选矿法，最有前途的是氯化镁、镁的碳酸氢盐和铵盐的水化物。菱镁矿与盐酸的反应如下，

第三章 硅酸铝及刚玉质耐火材料

硅酸铝质耐火材料是以AhO, 和Si02为基本化学组成的耐火材料。根据制品的AlO 。含量，可以分为四大类：

半硅质制品，AlzOa 含量为15~30％，

粘土质制品：Al~03含量为30～46％，

高铝质制品：A1203含量为>46％(根据我国原料组成特点，一般为>48％) ，

刚玉质制品：AlzO ，含量为>90％的高铝质制品。

硅酸铝质耐火材料的基本特性主要取决于它们的化学矿物组成，制品中的矿物组成，因其A1203／Si 02比值不同而异。

半硅质制品中含有一定数量的酸性物质(石英变体) ，故呈半酸性，耐火性不高，在使用时略有膨胀，有利于保持砌体的整体性，减弱熔渣对砌缝的侵蚀作用。

粘土制品和三等高铝制品性能相近，其主晶相为莫来石，具有较好的高温性能，对使用条件有较大的适应性。

I等高铝制品为莫来石质制品，化学组成范围为65—75％Ah03，相当于莫来石矿物的组成。但因原料的组成分布不均匀，使部分Al~03未与SiO ：化合，而以刚玉形态单独存在。该类制品的高温性能显然要比粘土制品好得多。

I等高铝制品为莫来石—刚玉质或刚玉—莫来石质制品。刚玉的化学稳定性和耐火性比莫来石高，因此，刚玉含量越多，制品的耐火性越高。但刚玉的热膨胀系数比莫来石大得多

A120,含量在90％以上的高铝制品为刚玉制品。其主晶相为刚玉。对各种炉渣的侵蚀抵抗能力远比其他硅酸铝质制品强，为一种用途广泛的优质高级耐火材料。

硅酸铝质耐火材料目前广泛应用于冶金、机械制造、石油化工、动力、以及轻工等工业生产领域所用的热工没备的内衬结构材料。

第一节 与硅酸铝质耐火材料有关的物系

硅酸铝质耐火材料属于A120，一Si02系统内的不；同组份比例的耐火材料系列。其主要组份是Alz O~与Si02，还含有少量起熔剂作用的杂质成分，有TiO ：、1％20：、CaO 、MgO 、R20等。随着材料中的化学组份的数量变化，其相组成也发生变化。这种关系可以从A120, 一SiO2系统平衡图及其它有关物系平衡图中显示出来。

一、A1203一S102二元系

Ah03一SiOz 系统平衡图是硅酸铝质耐火材料最重要的相图(图3-1) 。

从图中看出，二元化合物莫来石组成不是固定的，其Ah03含量波动于／2～78％之间，相当于化学式A3S2～A2S 之间的化学组成。因此，在硅酸盐中常见的莫来石相应地视作为A3S2—A2S 问的固溶体，或为A 3S2与刚玉之间形成的同溶体(习惯上：以A3S2表示) 。实验表

第四章 硅质耐火材料

硅质耐火材料是以二氧化硅为主要成分的耐火制品，包括硅砖，特种硅砖、石英玻璃及其制品。 硅质制品属于酸性耐火材料，对酸性炉渣抵抗力强，但受碱性渣强烈侵蚀，易被含AIz03、KzO ，Naz O 等氧化物作用而破坏，对CaO ，FeO 、Fe203等氧化物有良好的抵抗性。其中典型的产品硅砖具有荷重变形温度高，波动在1640～1680~C间，接近鳞石英，方石英的熔点(1670℃，1713℃) ，残余膨胀保证了砌筑体有良好的气密性和结构强度。最大的缺点是热稳震定性低，其次是耐火度不高，这限制了广泛应用。 硅砖主要用于焦炉，玻璃熔窑，酸性炼钢炉以及其它热工设备。

第一节 硅砖生产的物理化学原理

一，SiO ：的同质多昌转变

SiO：在常压下有七个变体和一个非晶型变体，即6—石英，o —石英，y —鳞石英，卜鳞石英，o —鳞石英，" —方石英，o —方石英和石英玻璃。上述各变体间的转变可分为两类；

第一类是石英，鳞石英、方石英之间的转变，属重建型转变。由于所需活化能大，转变温度高而缓慢，转变温度通常是由晶体表面逐渐向内部进行，并伴随有较大的体积效应。有矿化剂存在时可显著加速转变，无矿化剂时实际上不能转变。有时可通过激冷使高温中稳定的晶型在室沮下也能存在。

第二类是上述变体的亚种a 、b ，y 型的转变，属于位移型转变。由于它们在结构上差别很小，因此转变是在一个确定温度下一定要发生的，转变快，而且是可逆的。并伴随有比重建型转变小的体积效应。 SiOa的各种变体性质列于表4-1。

由下图可以看出，。—石英在870~C较慢地转变为。—鳞石英。研究表明，此种慢转变必须在长时间缓慢加热，原料经细粉碎，有强的助熔矿化剂(如钨酸钠Na2WoOD 存在的条件下才能实现。这表明鳞石英的生成和存在必须有杂质离子(或矿化剂) 存在。在纯SiO ．, 系统中，只有石英和方石英两种变体，其转变过程如图中虚线所示，转变温度为1050(C，在分析实际问题时，应用哪种转变过程要视具体条件而定。由于Si02各种变体的晶体结构不同，其密度不同，它们在转变过程中有体积效应产生。在完全转变时体积变化值如表4-2所示。从中看出快速转变时所发生的体积变化比慢速转变时所发生的体积变化小，其中以鳞石英型转变时体积变化较小，方石英型较大。

从Si02系统状态图来看，方石英的熔点1723~C，鳞石英是1670℃，而石英是1600℃，但鳞石英具有较高的体积稳定性。硅砖中鳞石英具有矛头状双晶相互交错的网络状结构，因而使砖具有较高的荷重软化点及机械强度。当硅砖中有残余石英存在时，由于在使用中它会继续进行晶型转变，体积膨胀较大，易引起砖体结构松散。综上所述，一般希望烧成后硅砖中含大量鳞石英，方石英次之，而残余石英愈少愈好。在硅砖生产巾石英的转变程度

用密度衡量，硅砖的密度一般应小于2．38g ／cm3，优质硅砖的密度在2．32—2．36g ／cm 3之间。

二、矿化剂的作用及影响矿化作用的因素

矿化剂的作用是加速石英在烧成时转变为低密度的变体(鳞石英和方石英) 而不显著降低其耐火度。它还能防止砖坯烧成时因发生急剧膨胀而产生的松散和开裂。

石英转变为鳞石英或方石英时，在矿化剂很少或几乎没有时，a —石英就形成a —方石英，这种转变称为“干转化”。在干转化时，由于砖体的不均匀的体积膨胀很大，而又无液相缓冲应力，因而引起制品结构松散和开裂，不可能制得良好性能的制品。

当有足够数量矿化剂存在时，a —石英在573℃转变为a —石英，在1200„㈠¨℃温度

第五章 氧化镁一氧化钙系耐火材料

主要组分为氧化钙、氧化镁或二者兼有的耐火材料均属氧化镁一氧化钙系耐火材料，一般包括以下几类。

Mgo含量在80％以上，以方镁石为主晶相的耐火材料为镁质耐火材料，品种分为冶金镁砂和镁质制品两大类。依化学组成和用途的不同，冶金镁砂有普通冶金镁砂和马丁砂。制品有普通镁砖、镁硅砖、镁铝砖和镁钙砖。

石灰耐火材料主要矿物为氧化钙，CaO 含量一般在95％以上，目前较少生产。

以天然白云石为主要原料制作的耐火材料属白云石质耐火材料，其主要矿物成分为氧化钙和方镁石。它包括镁化白云石(MgO 70～80％) 、白云石和钙质白云石耐火材料。

自70年代尤其是80年代以来，为了提高耐火材料的性能，以适应冶炼新技术和延长冶金炉寿命的要求，往往在配料中引进了碳素材料而形成了Mgo —GaO —C 系耐火材料，如镁碳砖，白云石碳砖、镁化白云石碳砖等。

氧化镁一氧化钙系耐火材料属碱性耐火材料，其显著特点是耐火度高，抗碱性渣和铁渣侵蚀的能力强，是一种重要的高级耐火材料，它广泛地用于氧气转炉、电炉、平炉、钢包、炉外精炼以及有色熔炼等。由于耐火氧化物中CaO 不与钢水作用，为了提高钢水的洁净度，也为了均衡转炉炉衬寿命及其经济合理性，近年来，除大力发展镁碳砖外，更加重视镁化白云石碳砖，自云石碳砖的生产和使用。

第一节 镁质耐火材料

一，与模质耐火材料有关的物系

1．MgO —C 的氧化还原反应 方镁石属离子晶体，离子间的静电引力大，晶格能高(940千卡／克分子) ，其熔点高达2800℃，但是在熔点之前，于1800℃便产生MSO 的升华现象。各种耐火氧化物在还原条件下的热力学稳定性决定了MgO —C 问的氧化还原反应，因而影响其高温下的稳定性。图5-1曲线表明，MSO 的稳定性随温度的提高而下降， 而CO 则随温度的提高变得更加稳定。当Mgo 和CO 共处一系并在二者曲线交点以上温度时，由于△G

Pa(1个大气压) ，在平衡状态下，金

属镁蒸气压力约为980。665Pa(o，01个大气压) 。在此压力条件下，MgO 线和CO 线在1600℃相交。从热力学看，在碱性氧气转炉炼钢条件下，转炉炉衬工作面上必然发生MgO —C 还原反应，反应直至碳或MGO 中之一组份消失或CO 和Me 蒸气压力达到并保持平衡压力为止。表5-1列出这个反应在不同压力下的最低反应温度，在这个温度以上AC

转炉炉衬中，MgO 被C 还原，消耗转炉炉衬中的MgO 和C ，引起炉衬解体。需要采取措施限制这一氧化还原反应的进行或减弱其程度。如降低MsO 的蒸气压，改变碳的性质，增大气体扩散阻力，实行炉衬渣层保护，降低温度等。

2．MgO —FeO 系 由图5-2可见．氧化镁与氧化亚铁形成连续固溶体，二者反应速度很快，在1200℃即开始显著进行。MGO 吸收大量的FeO 而不生成液相，如二元混合物中，FeO 为50％时，开始出现液相的温度约为1850℃。

3．MgO-Fe,O3系 该二元系中有一化合物铁酸镁(Mgo．Fez03) ，分解温度为1720℃。铁酸镁在方镁石中的溶解度随温度的升高而增加。由图5-3可以看出，即使bigO 吸收大量的FezOa 后耐火度仍很高，所以镁质耐火材料对含铁炉渣有良好的抵抗力。这是其它耐火材料无法相比的，也是炼钢工业日益广泛应用镁质耐火材料的重要原因。

4．MGO —R203系 将YigO —Fe20：、MSO —Ah03，MgO —Cr203系统相图高MgO 部分合并示于图5-4。三个二元系统的固化温度分别为1720℃、1995℃和2350℃。三种倍半氧

第六章 尖晶石耐火材料

从广义上讲， 尖晶石指的是相同结构的一类矿物， 化学通式可表示为AO ．R203(或ARIO ：) ，其中A 代表二价元素离子，可以是Mgz+，Fe+等，R 为三价元素，可以是AP+、Fe3+Cr3+等。它们大部分都以同晶型固溶体的形式存在。根据尖晶石组成的不同，单位晶格边长介于8．1～8．55入。镁铝尖晶石点阵最窄，铁尖晶石的点阵间隔最宽， 铬尖晶石点阵间隔居中。所有尖晶石借品格膨胀形成固溶体。

尖晶石耐火材料按其所用的原料及其组成可分为铬砖，铬镁砖，镁铬砖、镁铝尖品石耐火材料。这是一类重要的中性或弱碱性耐火材料，广泛地用于高温工业窑炉、平炉、电炉，钢包、炉外精炼、水泥回转窑、玻璃窑蓄热室、炼钢炉等。

第一节 铬尖晶石质耐火材料

这类耐火材料包括铬砖、铬镁砖和镁铬砖，并以铬尖晶石(或其固溶体) 和力·镁石为主要矿物组成。铬砖主要是以铬矿为原料制成的。铬镁砖和镁铬砖是以烧结镁砂和铬矿为主要原料按适当比例制成的高级耐火制品，其配比无明确的规定。一般把铬铁矿加入量小于50％的称为镁铬砖，50％或大于50％的称为铬镁砖。

一、铬矿

铬矿或铬铁矿是一种在化学和物理性质方面变化很大的矿石。它通常含有铬矿颗粒和脉石矿物。其特征是脉石包围着馅矿颗粒，并占据着它们当中的缝隙。脉石通常为镁的硅酸盐，如蛇纹石、叶状蛇纹石、橄榄石和镁橄榄石等。MgO ／Si02一般小于2。铬铁矿中的含镁硅酸盐能显著地降低制品的耐火性能。在作用时吸收铁的氧化物生成低熔点的铁橄榄石(FezSiO)。Fe2．,SiO4的熔点仅为1100℃。

铬矿中的铁虽能以Fe2+和Fe3+两种形式存在，然而FeO 却是普遍存在的形式。含铁量高的铬矿在加热到适当温度时迅速氧化得到过量的R,03。在铬镁砖烧成过程中，Fe2+开始氧化，在更高的温度下，窑内氧分压降低时，发生还原。三氧化二铁固溶体的还原会引起很大的体积膨胀，使砖质脆多孔。当铁的氧化物含量一定时，还原产生的体积增大随着Cr ：O ，含量的提高而加大，随着A1203含量的提高而减小。 在物理性质方面，铬矿是从非常松软易碎变化到非常坚硬结实的岩石。这说明其中晶体尺寸、晶体破坏程度以及杂质含量与分布的变化很大。铬矿的密度取决于尖晶石组成和所含杂质的性质，大约在3．s0～4．05g ／cm3之间。

二、铬矿制品的生产原理

蛇纹石能强烈地降低尖晶石的耐火度。必须把蛇纹石转化为高耐火的镁橄榄石。为此配料巾需加入氧化镁。为了增加制品中镁橄榄石的含量，可以加入钝橄榄岩，发生以下反应：

必须预计到与氧化铁结合为铁酸镁消耗的氧化镁量。

在物料中氧化镁过剩的情况下，反应最终产物是耐火的。但是限于物料均匀分布的情况和各个反应进行快慢的差异。在烧成过程中非耐火的Fe203将蓄积，特别是在升温速度很快时。

生产铬质耐火材料的配料通常是由铬矿、苛性镁砂或再加入钝橄榄者组成。铬铁矿可用来直接制砖。将铬铁矿细磨碎后与5％的轻烧镁石细粉配合，经成型、干燥后在1550℃下烧成即制得铬砖。

铬砖的历史与镁砖一样长，由于它们对炼钢渣显示惰性以及和其它耐火材料的相容性而被广泛使用。普遍用作隔层砖。但是铬砖对热震很敏感。高温荷重变形温度也很低，因而出现了由铬矿和镁砂以不同比例组成的砖。

三、铬镁砖和镁铬砖生产及其厚理

1．工艺原理 铬镁砖和镁铬砖是由铬矿和镁砂组成的碱性耐火材料。制造这种砖所发生物理化学变化与烧制铬质制品基本相同。此外还应考虑以下几点：

(1)铬矿和镁砂配比对铬镁质耐火材料性质的影响，图6-1表明，当铬矿与镁砂配比为50：50时，制品具有最高的热震稳定性，随着铬矿或镁砂比例的增大或减小，热震稳定性都降低。当铬矿含量过高时，制品在1650'(2下抵抗铁氧化物作用的能力会显著降低。铬矿厘粒能与Fe304形成固溶体，引起体积的急剧膨胀，致使制品产生爆胀现象。配料中铬矿的含量越高，爆胀现象越严重。

配料中镁砂含量的提高，能增强制品的抗渣能力，目前镁铬质平炉顶的发展趋势是提高配料中的镁砂含量。

(2)墓质矿物组成对制品性能的影响。铬镁质(或镁铬质) 制品的主要矿物组成是方镁石和尖晶石。墓质部分系由硅酸盐组成。硅酸盐基质中主要矿物为2MS 、Cbis 和3CM2S 等。除2MS 外，CMS 和3CM2S 部是低熔点矿物，因此应限制原料中的CaO 含量，并使砖中

第七章 含锆耐火材料

第一节 锆英石质耐火材料

锆英石质耐火材料是以天然锆英石砂(zrSiO)为原料制得的耐火制品。它属于酸性耐火材料，其抗渣性强，热膨胀率较小，热导率随温度升高而降低，荷重软化点高，耐磨强度大，热震稳定性好，已成为各种工业领域中的重要材料。近年来，随着冶金工业中连铸和真空脱气技术的发展，此种耐火制品应用愈来愈广泛。

锆英石质耐火材料有以单一锆英石烧结制成的锆英石砖，还有以锆英石为主要原料，加入适当的烧结剂(最常用的是耐火粘土) 制成的锆质砖。为了改善锆英石砖的性能，还有加入其它成分(如高铝矾土、电熔刚王或氧化铬等) 的特殊锆英石砖。

一、锆英石原料的性质

锆英石(ZrSi04)的理论组成为ZrOz67．2％，Si0232，8％。经常含有0．5～3．0％HfO 、0～2％TiO ：和微量稀土氧化物，因而带有微量的放射性。锆英石的产地国外有澳大利亚、美国、印度、斯里兰卡等。澳大利亚是世界上最大产出国。我国广东，山东，台湾各省沿海一带都有锆英石的砂积矿床。其化学成分见表? 叫。

铬英石在高温下加热发生分解。分解温度随锆英石的纯度，研究方法和试验条件的不同而异，其范围为1540~2000~C。根据克尔斯(C．E ．Curtis) 和索维曼(H．G ．Sowaman) 测定，高纯度锆英石约自1540'C 开始缓慢分解，1700℃开始迅速分解，并随温度升高分解盘增大，于1870℃分解达95％(图7-2) 。分解产物是单斜型ZrO ：和非晶质SiO2。

影响锆英石分解的因素有原料中杂质、粒度，加热沮度、最高温度下的保温时间，炉内气氛、加热速度和冷却速度等。图7-3示出不同加热温度下锆英石的分解率和加热时间的关系。在1550~C加热5h 没有分解，lOh 以上有少量分解。实验结果证明30~100目(1．49—0．59mm) 的颗粒在1700~G加热60分钟几乎没有变化，但325目(0．044mm) 的粒度则分解较大。

从各种氧化物(加入物或原料中杂质) 对锆英石分解的影响来看，与SiOz 反应性强的氧化物，对分解的影响大，并按周期表I 族>Ⅱ族>'族的顺序增大。随着各种氧化物含量的增加，促进其分解的倾向越大，而且加热温度越高，分解量也越大。

碱金属氧化物(Na20，K20) 最易与酸性物质SiOA~应形成玻璃，其反应式如下：

第八章 含碳耐火材料

含碳耐火材料是指由碳或碳的化合物制成的，以含不同形态的碳为主要组分的耐火制品。根据所用含碳原料的成分及制品的矿物组成，含碳耐火材料可分为碳质制品、石墨粘土制品和碳化硅制品三类。 按化学性质分类，含碳耐火材料应属于中性耐火材料。这类材料的耐火度高(纯碳的熔融温度为3500℃，实际上在3000℃即开始升华，碳化硅在2200~C以上分解) ，导热性和导电性均好，荷重变形温度和高温强度优异，抗渣性和热震稳定性都比其它耐火材料好。但这一类制品都有易氧化的缺点。

第一节 碳质制品

碳质制品是指主要或全部由碳(包括石墨) 制成的制品。这类制品包括炭砖、人造石墨和半石墨质炭砖。 一，炭砖的生产工艺

1．碳素原料 生产碳质制品所需原料有无烟煤，焦炭及石墨等。无烟煤和焦炭是制砖坯料中的瘠性材料。加入焦油结合物质使坯料具有可塑性和结合性，经煅烧后结焦，将炭粒枯结在一起。当坯料可塑性不足时，可加入部分增塑剂石墨。

无烟煤含碳量高，挥发分少(2～8％) ， 抗氧化能力较强， 结构致密，密度大，硬度大，强度高。其价格便宜，资源丰富，为生产炭砖的重要原料。对无烟煤的质量要求如表8-1所示：

焦炭是制造碳质制品的重要原料之一。它包括煤焦、煤沥青焦和石油沥青焦等。焦炭的特点是气孔率高，强度大。因此在炭砖生产中多以无烟煤作骨料，以焦炭作细粉加入，以减少气孔率。但也有采用全焦炭生产的炭砖。用于生产炭砖的焦碳要求灰分少，强度高，气孔率低，挥发分少，含硫量低，呈块状原料。 煤沥青焦和石油沥青焦是优质碳素原料。其灰分低(通常小于1％) ，强度高，气孔串大，是制造碳素制品和电极的优良原料。由于它们的来源少且成本高，除灰分要求很低的电极以及生产人造石墨制品外，较少采用。有时当无烟煤和冶金焦的质量不能满足炭砖对灰分的要求时，才加入少量的煤沥青焦和石油沥青焦，降低制品的灰分。

2．粘结剂(结合剂) 生产炭砖常用的粘结剂有煤沥青、煤焦油；和葸油等，目前主要以沥青作结合剂。它们的质量要求如表8-2及8-3所示。

3．工艺要点 目前我国在炭砖生产中对经高温处理而得的人造碳素原料(如冶金焦、

煤沥青焦、石油沥青焦等) 不进行煅烧，只经干燥除水。对无烟煤必须进行煅烧；其目的在于：排除水分、挥发分和硫分，提高其体积稳定性，提高无烟煤的密度，降低比电阻，煅烧好的无烟煤，其密度>174g／c m3，比电阻应小于1300Ω·mm2/m;提高无烟煤的机械强度，导热性、热震稳定性及抗氧化能力。 焦炭干燥介质温度为200～300C ，烘干后水分应

制品的使用条件、技术要求和原料的特性是选择原料和配比的重要依据。在配方中必须根据原料的不同特性和对制品的要求来选择原料。对于高炉炭砖来说，在与铁水接触部位和炉底，碳素溶解是其损坏的主要因素，因此，采用无烟煤质为宜。而在炉缸、炉底四周及其下部要求冷却效果良好，宜采用石墨质。 为了满足制品使用条件所规定的理化指标(如灰分，气孔率、耐压强度等) ，可将性质组成不同的原料配合使用。如原料的灰分不能满足制品质量要求时，在配料中可加入低灰分原料。为保证制品气孔率低。可将气孔率低的原料(如无烟煤) 制备成粗颗粒，而将气孔率高的原料(如冶金焦或沥青焦) 粉碎成细粉加入配料中。焙烧后的废砖亦可作为原料返回破碎后应用。通常加入量可占配料量的10～15％左右。为保证坯料有良好的可塑性(挤压法成型) ，可在配料中加入适量的石墨。

坯料颗粒组成的确定，除遵循一般原则外，在选择临界粒度时，如临界粒度尺寸过大，在焙烧过程中则因大颗粒周围的细粉与粘结剂产生收缩而出现裂纹，如临界粒度太小，则需要加入的粘结剂数量多，这对成型和制品的质量提高不利。此外临界粒度的选择还与原料的致密性有关。生产大砖时，无烟煤的临界粒度为12～8mm ，小型制品可选用6mm 或4mm 。采用全焦炭生产炭砖时，焦炭的临界粒度最好不大于3～4m m 。

目前在炭砖生产中多采用中温沥青作结合剂。为了降低混练成型的温度也有采用煤焦油与煤沥青按一定比例配合的混合物，通常其配比为沥青：焦油＝7：3。这些混合物的成焦率应大于35％，软化点为40~50℃。配料中沥青加入量根据成型方法，坯料粒度及原料致密性来确定，通常加入量为15～20％。粘结剂在使用前应进行熔炼，清除水分并使杂质沉积。

坯料在加热条件下进行混练，混练温度和时间是主要控制参数。由于粘结剂不仅要均匀分布在混合料内，而且还必须均匀地润湿所有的散料颗粒，因此混合时间比一般耐火材料的耍长，最适宜的坯料温度取决于粘结剂的质量和其软化点。实践证明坯料温度应比沥

第九章 不定形耐火材料

不定形耐火材料是由合理级配的粒状和粉状料与结合剂共同组成的不经成型和烧成而直接供使用的耐火材料。通常，对构成此种材料的粒状料称骨料，对粉状料称掺合料，对结合剂称胶结剂。这类材料无

固定的外形，可制成浆状、泥膏状和松散状，因而也通称为散状耐火材料。用此种耐火材料可构成无接缝的整体构筑物，故还称为整体耐火材料。

不定形耐火材料的基本组成是粒状和粉状的耐火物料。依其使用要求，可由各种材质制成。为了使这些耐火物料结合为整体，除极少数特殊情况外，一般皆加入适当品种和数量的结合剂。为改进其可塑性或减少用水量，可加入少量适当增塑减水剂，为满足其他特殊要求，还可分别加入少量适当其他外加剂。 不定形耐火材料的种类很多，可依所用耐火物料的材质而分类，也可按所用结合剂的品种而分类。通常，多根据其工艺特性分为浇注或浇灌耐火材料(简称浇注料或浇灌料) 、可塑耐火材料(简称可塑料) 、捣打耐火材料(简称捣打料) 、喷射耐火材料(简称喷射料) ，投射耐火材料(简称投射料) 和耐火泥等。耐火涂料也可认为是一种不定形耐火材料。按工艺特性而分的各种不定形耐火材料的主要特征如表9—1所示。

不定形耐火材料的化学和矿物组成主要取决于所用粒状和粉状耐火材料。另外，还与结合剂的品种和数量有密切关系。由不定形耐火材料构成的构筑物或制品的密度主要与组成材料及其配比有关。同时，在很大程度上取决于施工方法和技术。一般而论，与相同材质的烧结耐火制品相比，多数不定形耐火材料，由于成型时所加外力较小，在烧结前甚至烧结后的气孔率较高；在烧结前构筑物或制品的某些性能可能因产生某些化学反应而有所变动，有的中温强度可能稍为降低，由于结合剂和其他非高温稳定的材料的存在，其高温下的体积稳定性可能稍低，由于其气孔率较高，有的还因结合剂的影响，可能使其耐侵蚀性

较低，但热震性一般较高。

通常，当原料选定后，不定形耐火材料的生产只经过粒状、粉状料的制备和混合料的混练过程，过程简便，成品率高，供应较快，热能消耗较低。根据混合料的工艺特性采用相应的施工方法，即可制成任何形状的构筑物、适应性强，在不宜用砖块砌筑之处更为适宜。多数不定形耐火材料施工过程较简便，生产效率高。如同适当的增强方法并用，可制成坚固的整体构筑物，可避免因接缝而造成的薄弱点。当耐火砖的砌体或整体构筑物局部损坏时，可用此种材料置换，即利用喷射、抛投设备进行冷态或热态修补，既迅速又经济。用作砌筑体或轻质耐火材料的保护层和接缝材料尤为必需。用以制造大型耐火制品也较方便。 鉴于上述优点，近年来不定形耐火材料得到快速发展。目前，在加热炉中，不仅广泛使用普通不定形耐火材料，还可使用轻质不定形耐火材料，并向加纤维的方向发展。在熔炼炉中，不定形耐火材料的应用也在进一步发展。在有的国家不定形耐火材料已发展到约占全部耐火材料产量的二分之一以上。

第一节 不定形耐火材料用的结合剂和外加剂

不定形耐火材料在使用前未经高温烧结，颗粒之间无普通烧结制品所具有的那种陶瓷结合或直接结合。这类颗粒之间只靠结合剂的粘结作用使其结为整体，并使构筑物或制品具有一定的强度。颗粒料在不定形耐火材料中基本上仍保持其原有特性，但由结合剂将其粘结构成构筑物或制品后，产品的性能却在很大程度上受结合剂的影响。因此，结合剂是不定形耐火材料中的重要组分。不定形耐火材料中，应充分发挥和利用结合剂的粘结性和其他有利作用，而尽量减少和避免结合剂对高温性能可能带来的不利影响。因而，对结合剂的品种和特性，在不定形耐火材料中发生的反应和影响，在高温和在侵蚀介质以及其他条件影响下的变化等，都必须有所认识。

一般认为，结合剂将物料粘结为整体系取决于结合剂本身的凝结硬化性质和与结合物之间产生的粘结作用。欲使被结合物体具有相当高的强度，既要求结合剂本身具有良好的凝结硬化特性，又必须能形成高度分散和易流动的体系，同时应具有良好的润湿性，以便能与粒状和粉状料的表面最大限度地接触。另外，结合剂作为耐火材料的一种组分，还必须具有硬化时的体积稳定性，硬化后的耐火性，以及无其他危害作用。

在耐火材料中可作为结合剂的物质有很多种类。根据其化学组成，可分为无机结合剂和有机结合剂。根据其硬化特点，可分为气砸性结合剂、水硬性结合剂，热硬性结合剂和陶瓷结合剂。气硬性结合剂是在大气中和常温下即可逐渐凝结硬化而具有相当高强度的结合剂。通常指将结合体经100℃干燥后其抗折强度大于1.185{Pa或大于1.471VfPa 者，如加有促凝剂的水玻璃结合剂即属此类。水硬性结合剂是必须同水进行反应并在潮湿介质中养护才可逐渐凝结硬化者，如各种水泥皆属之。热硬性结合剂是指在常温下硬化很慢和强度很低．而在高于常温但低于烧结温度下可较快地硬化的结合剂，如常用的磷酸铝结合剂。陶瓷结合剂在常温和中温下不硬化或强度很低，而只有在高温下经烧结后才具有相当的强度。应该指出，有的将上述气硬性和热硬性归为一类，称气硬性结合剂，而将陶瓷结合剂称为热硬性结合剂或火硬性结合剂。另外，在耐火材料中使用的结合剂，还依其在常温和高温下所起结合作用的特点，分为暂时性结合剂和永久性结合剂。暂时性结合剂指在施工：后仅

第十章 隔热耐火材料

第一节 概述

降低热耗，节约能源已成为当今世界共同努力的方向。

据国内外专家的计算和测试，采用轻质隔热耐火材料砌筑窑炉，砌筑材料可节约1／10～1／9，热容降低1／10～1／11。用一块轻质隔热砖代替三块半标准砖砌筑窑墙，其热耗下降1／10。另外，采用轻质

耐火材料可使窑炉烘窑和冷却时间减少1／5，基建投资下降1／5～1／1．0，采用轻质材料，可降低燃耗，并且大大降低整个炉体的质量，因为砌体单位体积质量一般皆小于200kg ／rD_3。通过各种结构炉衬在内表面温度相同的情况下其热工性能的比较(见图10--D ，即可明了其降低热耗的作用．

一、隔热耐火材料的分类标准

1．—般分类方法

(1)按使用温度可分为：

倔强隔热材料

中温隔热材料900～1200℃：如蛭石、轻质粘土砖，

高温隔热材料>1200℃：如轻质刚玉砖。

(2)根据轻质耐火材料的使用方式可分为不直接向火的隔热材料和直接向火的隔热材料。

(3)根据体积密度可分为一般轻质耐火材料(通常指体积密度为0．6～1，0e ／cm ’者) 和超轻质耐火材料(通常指体积密度为0．3—0．4S ／Cm3者) 。

(4)按生产方法可分为可燃加入物法、泡沫法和化学法。

(5)按原料可分为粘土质、高铝质，硅质、镁质等轻质砖。

2．我国轻质耐火材料按密度和使用部位分类。

3．各国分类标准不尽相同，如国际标准(1SO)和美、日等国，以体积密度及重烧线变化率来分类，而前苏联标准则按体积密度及最高使用温度来分类。

二、隔热厚理

隔热和导热是一个事物的两个方面。热是一种能量，它与组成材料的分子、原子、电子等的运动密切相关。所有物质的热现象，都是物质内部粒子相互碰撞，传递和运动的结果。根据物质结构和热传递基因的不同，人们提出了分子(原子) ，电子、声子和光于导热机理。

耐火材料，特别是轻质隔热耐火材料是晶相、非晶相等固相和气相的多相体系，其热量传递的起囡和过程是极其复杂的，绝非某单一机理所能概括的。大多数耐火材料导热是通过晶体点阵或晶格振动完成的，由于晶格振动的能量是量子化的，通常把晶格振动的“量子”称“声子”，所以，耐火材料的导热主要可

看成是声子作用的结果。除声子导热外，还有小部分较高频率的电磁波，低温时，因这部分微乎其微，所以可忽略不计，但高温时，这部分辐射能就大了，从人们所热知的

随着耐火材料工业的发展，新品种不断涌现。因其成分及组织结构的不同(如金属陶瓷，复合材料等) ，只能说嗣火材料的导热集分子，电子．声于、光子导热于一身，以后两种方式为主而已。

三、隔热耐火材料的类型

按材料的显微结构或织构的不同，大体可分为以下五类：

1．颗粒型 如一般轻质隔热砖，漂珠砖，空心球砖等，

2．纤维型 各类无机纤维，如非晶质(硅酸钼纤维) ，多晶(高铝纤维) ，单品(Al：O ：纤维) ，复合多相(W-SiC纤维) 等，

3．纤维一颗粒型 由纤维和耐火骨料颗粒加工而成。如超轻质材料明克(5~in—K) ，这种六十年代后兴起的新型材料，密度一般为0．25g ／cm3左右，其热导率比静态空气还小，仅相当于昔通轻质材料(包括轻质砖及纤维制品) 的1／3—1／5，使用温度可达10000C 。因其隔热性能优异，所以广泛应用于航天航空工业，

4。多层反射复合型 由纤维或陶瓷涂层与金属的反射屏多层复合而成。其隔热原理同目前超轻、保暖的太空服相似。宇航虽着装的太空服材料是由纤维、铝钛台金镀膜，采

耐火材料

4.1耐火材料的种类和性能

1、耐火材料的定义和分类

a 、定义：凡具有抵抗高温以及在高温下所产生的物理化学作用的材料统称耐火材料。

b 、三种分类方法：

1）按耐火度分类：

A 、普通耐火材料 耐火度为1580～1770℃。

B 、高级耐火材料 耐火度为1770～2000℃。

C 、特级耐火材料 耐火度为大于2000℃。

2）根据化学矿物组成分类：

A 、氧化硅质耐火材料。

B 、硅酸铝质耐火材料。

C 、氧化硅质耐火材料。

D 、铬铁质耐火材料。

E 、碳质耐火材料。

F 、其它高耐火度制品。

3）根据耐火材料的化学性质分类：

A 、酸性耐火材料

B 、碱性耐火材料

C 、中性耐火材料

2、耐火材料的主要性能

耐火材料的基本特性可以通过它的物理性能和高温使用性能来表示。

A 、耐火材料的物理性能：

主要包括体积密度、真比重、气孔率、吸水率、透气性、耐压强度、热膨胀性、导电性及热容量等。这些物理性能的好坏，直接影响着耐火材料的使用性能。

a 、气孔率

在耐火制品内，有许多大小不同，形状不一的气孔。

（1）和大气相通的气孔称为开口气孔；

（2）贯穿耐火制品的气孔称为连通气孔；

（3）不和大气相通的气孔称为闭口气孔；

其中气孔率可分为：

若耐火砖块的总体积（包括其中的全部气孔）为V 、质量为M 、开口气孔的体积为V1、闭口气孔的体积为V 2，连通气孔的体积为V3，则：

（1） 真气孔率= ×100%

即砖块中全部气孔体积 （包括开口、闭口和连通的气孔）占整块体积的百分率。

（2）显气孔率= ×100%

即砖块中外通气孔（包括开口和连通的气孔）体积占整块体积的百分率。

（3）闭口气孔率= ×100%

即砖块中闭口气孔体积占整块体积的百分率。

b 、体积密度（容重）：包括全部气孔在内的1m3 砖块体积的质量。

体积密度= （kg/m3）

c 、真比重：不包括气孔在内的单位体积砖块重量与4℃水的单位体积重量之比。

真比重=

d 、吸水率：是原料中所有开口气孔所吸收的水的质量Mw 与砖块质量M 之比值。用下述公式计算: 吸水率= ×100%

e 、热膨胀性：

耐火制品受热膨胀，冷后收缩，这种变化属于可逆变化的。耐火制品的热膨胀性能主要取决于其化学—矿物组成和所受的温度。

耐火制品的热膨胀性可用线膨胀系数或体积膨胀系数来表示，也可用线膨胀百分率或体积膨胀百分率表示。

B 、耐火材料的使用性能

a 、 耐火度

1、定义：耐火材料抵抗高温而不变形的性能叫耐火度。

加热时，耐火材料中各种矿物组成之会发生反应，并生成易熔的低熔点结合物而使之软化，故耐火度只是表明耐火材料软化一定程度时的温度。

2、耐火度的测定

测定耐火度时，将耐火材料试样制成一个上底每边为2m m，下底每边为8mm ，高mm 、截面呈等边三角形的三角锥体。把三角锥体试样和比较用的标准锥体放在一起热。三角锥体在高温作用下则软化而弯倒，当锥的顶点弯倒并触及底板（放置试锥用的时，此时的温度（与标准锥比较）称为该材料的耐火度，三角锥体软倒情况如下图所示：

应该注意的是：耐火度并不能代表耐火材料的实际使用温度。因为在实际使用时，耐火材料承受一定的机械强度，故实际使用温度比测定的耐火度低。

B 、荷重软化温度

耐火材料在常温下的耐压强度很高，但在高温下发生软化，耐压强度也就显著降低一般用荷重软化温度来评定耐火材料的高温结构强度。

1、定义：荷重软化温度就是耐火材料受压发生一定变形量的温度。

2、测定方法：

将待测耐火材料制成高为50mm ，直径为36mm 圆柱体试样，在196k Pa的荷重压力下，按照一定的升温速度加热，测出试样的开始变形温度和压缩4％及40%的温度作为试样的荷重软化温度。

耐火材料的实际使用温度比荷重软化点高：因为一方面材料的实际荷重很少达196kPa ，另一方面耐火材料在炉子中只是单面受热。

表4－1 某些耐火材料在高温下的结构强度

耐火材料

名称 荷重软化开始点温度t0（℃） 荷重软化终止点

温度t1（℃） 耐火度

t2（℃） t2-t0

（℃）

氧化硅质

粘土质

氧化镁质 1630

1350

1500 1670

1600

1550 1730

1730

2000 100

380

500

由表可以看出：氧化硅质耐火材料的荷重软化温度和耐火度接近，因此氧化硅质耐火材的高温结构强度好；而粘土质耐火材料的荷重软化温度远比其耐火度低，这是粘土质耐火材料的一个缺点。氧化镁质耐火材料的耐火度虽然很高，但其高温结构强度同样很差，所以实际使用温度仍然低于其耐火度很多。当然，在没有荷重的情况下，其使用温度可以大大提高。

C 、 热稳定性

1、定义：耐火材料抵抗温度急剧变化而不破裂或剥落的能力称热稳定性或称耐急冷急热性。

2、测定方法：热稳定性的测定方法很多。我国部颁的测定方法是将试样在850℃下加热40分钟后，再置于流动的冷水（10～20℃）中冷却，并反复进行几次，直到其脱落部分的重量达到最初总重量的20％时为止，此时其经受的耐急冷急热次数就作为该材料的温度极度抵抗性指标。对于某些怕水的材料，可以用冷风冷却，但须注明是空气冷却次数。

耐火材料的抵抗温度急变性能，除和它本身的物理性质如膨胀型、导热性、孔隙度等有关外，还与制品的尺寸、形状有关，一般薄的、尺寸不大和形状简单的制品，比厚的、尺寸较大和形状复杂的制品有较好的耐急冷急热性。

D 、高温体积稳定性

定义：耐火材料在高温下长期使用时体积发生不可逆变化。

有些体积膨胀叫残存膨胀，有些体积收缩叫残存收缩．

膨胀或收缩的值占原尺寸的百分比，就表示其体积的稳定性。这一变化严重时往往会引起炉子的开裂和倒塌。因此，使用耐火材料时，对这个性能必须十分注意。

E 、抗渣性

耐火材料在高温下抵抗炉渣侵蚀的能力称为抗渣性。

影响材料抗渣性的主要因素有：

a 、炉渣化学性质

炉渣主要分酸性渣和碱性渣。含酸性较多的耐火材料，对酸性炉渣的抵抗能力强，对碱性炉渣的抵抗能力差。反之，碱性耐火材料如氧化镁质和白云石质耐火材料对碱性渣的抵抗能力强，对酸性渣的抵抗能力差。 b 、工作温度

温度在800～900℃时，炉渣对材料的侵蚀作用不大显著，但温度达到1200～1400℃以上时，材料的抗渣性就大大降低。

c 、耐火材料的致密程度

提高耐火材料的致密度，降低它的气孔率是提高耐火材料抗渣性的主要措施，可以在制砖过程中选择合适的颗粒配比和较高的成型压力。

4.2 硅酸铝质耐火材料

硅酸铝质耐火材料是由Al2O3和SiO2及少量杂质所组成，根据其Al2O3含量不同可分为：

1、半硅质耐火材料（含A12O3 15～30%）

2、粘土质耐火材料（含Al2O3 30～46％）

3、 高铝质耐火材料 （含A12O3＞40%）

4.2.1 粘土质耐火材料

自然界产出的粘土质耐火材料有耐火粘土和高岭土，主要组成为高岭石（Al2O3•2SiO2•2H2O ），其余部分为K2O 、Na2O 、CaO 、MgO,TiO2及Fe2O3等杂质，含量约为6～7％。

根据Al2O3 、SiO2和杂质含量的不同，耐火粘土又分为硬质粘土和软质粘土两种。

（1）硬质粘土中Al2O3含量较多，杂质含量较少，耐火度高，但可塑性差；

（2）软质粘土则相反，Al2O3含量较少，杂质较多，耐火度较低，但可塑性好。

粘土受热后，首先放出结晶水，继续升高温度，则发生一系列变化而烧结，用化学式可表示为： 3（Al2O3•2SiO2，•2H2O ）→3A12O3.2SiO2＋4SiO2＋6 H 2O↑

高岭石 莫来石 白硅石

粘土加热时产生体积收缩，所以天然产出的耐火粘土必须预先进行煅烧成熟料，以免砖坯在烧成时因体积收缩而产生裂纹。但熟料没有可塑性和粘结性，制砖时必须加入一部分软质粘土做结合剂，这种未经煅烧的粘土叫生料。熟料和生料按一定比例配合。

l 、粘土砖的性质

a 、耐火度

一般粘土砖的耐火度在1580~1730℃。

b 、荷重软化温度

因为粘土砖在较低的温度下出现液相而开始软比，如果受外力就会变形，所以粘土砖的荷重软化温度比耐火度低很多，只有1350℃左右。

c 、抗渣性

粘土砖是弱酸性的耐火材料，它能抵抗酸性渣的侵蚀，对碱性渣侵蚀作用的抵抗能力则稍差。

d 、热稳定性

粘土砖的热膨胀系数小，所以它的热稳定性好。在850℃时的水冷次数一般为l0~15次。

e 、体积稳定性

粘土砖在高温下出现再结晶现象，使砖的体积缩小．同时产生液相。由于液相表面张力的作用，使固体颗粒相互靠近，气孔率低，使砖的体积缩小，因此粘土砖在高温下有残存收缩的性质。

2、粘土砖用途

粘土砖用途广泛。凡无特殊要求的砖体均可用粘土砖筑、高炉、热风炉、化铁炉、平炉和电炉等温度较低部分使用粘土砖。盛钢桶、浇铸系统用砖、加热炉、热处理炉、燃烧室、烟道、烟囱等均使用粘土砖。粘土砖尤其适用于温度变化较大部位。

4.2.2 高铝质耐火材料

含Al2O3在46％以上，用刚玉、高铝钒土或硅线石系矿物作原料制成的耐火材料统称为高铝质耐火材料。

1、高铝砖的性质

a 、耐火度

高铝砖的耐火度比粘土砖和半硅砖的耐火度都要高，达1750~1790℃，属于高级耐火材料。

b 、荷重软化温度

因为高铝制品中Al2O3高，杂质量少，形成易熔的玻璃体少，所以荷重软化温度比粘土砖高，但因莫来石结晶未形成网状组织，故荷重软化温度仍没有硅砖高。

c 、抗渣性

高铝砖中Al2O3较多，接近于中性耐火材料，能抵抗酸性渣和碱性渣的侵蚀，由于其中含有SiO2，所以抗碱性渣的能力比抗酸性渣的能力弱些。

2、高铝砖的用途

主要用于砌筑高炉、热风炉、电炉炉顶、鼓风炉、反射炉、回转窑内衬。此外，高铝砖还广泛地用做平炉蓄热式格子砖、浇注系统用的塞头、水口砖等。但高铝砖价格要比粘土砖高，故用粘土砖能够满足要求的地方就不必使用高铝砖。

4.2.3 半硅质耐火材料

SiO2含量大于65%，Al2O3含量为15~30%的耐火材料属于半酸性耐火材料或叫半硅砖，其耐火度不应低于1610℃。

半硅砖的各种性能介于粘土砖和硅砖之间，其特点是：

(1) 耐火度为1650～1710℃。

(2) 热稳定性比粘土砖差，因石英膨胀系数大。

(3) 荷重软化开始温度为1350～1450℃，因含有较多的石英，故比一般的粘土砖稍高。

(4) 体积稳定性好，因为原料中粘土的收缩被SiO2的膨胀所抵消，若含SiO2多则会有残余膨胀产生。

(5) 抗酸性渣的侵蚀性好。

半硅砖所用原料广泛，价格低，加上具有上述特性，所以使用范围较广，可以代替二、三等粘土砖。常用以砌筑化铁炉内衬，加热炉炉顶和烟囱等。

4. 3 氧化硅质耐火材料

二氧化硅的熔点高达1710℃，所以它可以用来制造耐火材料。

硅砖就是一种含SiO2在93%以上的氧化硅质耐火材料。

由于SiO2在不同温度下有不同的晶型存在，伴随着晶型的变化，还有体积的变化，同时还产生应力，故硅砖的制造技术和使用性能与SiO2的晶型转变有着密切的关系。

4.3.1 二氧化硅的结晶转变

二氧化硅在不同温度下的结晶状态（同素异晶体）有下列几种：

（1）α一石英，β一石英；

（2）α－鳞石英，β－鳞石英，γ－鳞石英；

（3）α－白硅石，β－白硅石。

以上α是指较高温度下的结晶形态，β和γ是指较低温度下的结晶形态。

SiO2的各种同素异晶体在不同温度下会发生转变，这种转变按其本质的不同可分为下列两类：

1、迟钝型转变

这是由一种结晶构造过渡到另一种新的结晶构造。这种转变是从结晶的边缘开始的，极其缓慢地发展到结晶中心，所以需要很长的时间且在一定温度范围下才能完成。

迟钝型转变一般只向着一个方向进行。

SiO2结晶的迟钝型转变有：

(1)

(2)

(3)

(4)

2、高低型转变

这种转变不是由结晶表面逐渐向中心发展，而是整个结晶同时转变。在转变时结晶内部结构变化较小，所以转变是可逆的。属于这类转变的有：

（1）

（2）

（3）

（4）

硅砖在烧成过程中所进行的各种结晶转变可用图4－4表示。

由上图可以看出，当加热到573℃时，砖坯中的β一石英就迅速转变为α－石英，这时体积膨胀0.82%。温度继续升高，当砖内缺乏低熔点的液相（熔剂）时，在1000~1450℃范围内α－石英会缓慢地转化为α－白硅石，但若在1400~1450℃停留很长时间，α－白硅石就会转变为α－鳞石英。当砖内有低熔点液相出现时，α－石英能于1200~1460℃经过半稳定型的α－白硅石转变为α－鳞石英。当温度大于1470℃时，α－鳞石英有转变为α－白硅石；当温度高于1710℃时，α－白硅石熔化为石英玻璃。

α－石英转变为α－白硅石时，体积膨胀为15.4%，转变为α－鳞石英时体积膨胀为16%，故硅砖烧成时有很大的体积膨胀。在硅砖烧成温度下（1450℃）砖内的矿物结晶有：α－鳞石英，α－白硅石，未经转变的α－石英及少许石英玻璃。

将已经烧成的硅砖冷却下来，这时砖中的SiO2结晶不是沿着原来的途径变化， 而是发生各晶体的高低型转变。最后变为γ－鳞石英，β—白硅石，β－石英和石英玻璃。在使用过程中，硅砖中的SiO2结晶首先按高低型转变，而在高温长期使用时，砖中的α－鳞石英将转化为α一白硅石。

从以上SiO2晶型转变来看，氧化硅质耐火材料最大的特点是在晶型变化的同时还伴随有体积的变化。现以烧成后的硅砖在使用时的情况来看，β—白硅石转变为α一白硅石时体积膨胀2.8%，较之β－鳞石英时大得多，故产生较大的应力，有时会发生破裂。若硅砖内还含有没有来得及转变的β一石英，则在高温下会继续进行迟钝型的转变， 这时体积膨胀会更大。

由于上述原因，故一般希望烧成后硅砖中的鳞石英愈多愈好，白硅石次之，残存石英愈少愈好。

4.3.2 硅砖的性质及用途

1、硅砖的性能

（1）硅砖属于酸性耐火材料，故对酸性渣侵蚀的抵抗能力强，对碱性渣侵蚀的抵抗能力弱。

（2）耐火度较一般粘土砖高，达1710～1730℃。

（3）荷重软化温度高，几乎接近其耐火度，一般都在1620℃以上，这是硅砖的最大优点。

（4）热稳定性差，水冷次数只有1～2次，这主要是因为有高低型晶体转变的缘故，所以硅砖不宜用于温度有急变之处。

（5）体积稳定性差，加热时产生体积膨胀，故砌砖时必须注意留出适当的膨胀缝。此外，硅砖在低温下体积变化更大，所以烘烤炉子时，低温下（600℃以下）升温应缓慢。

（6）硅砖的真比重一般情况下其变化范围为2.33～2.42， 以小为好，真比重小，说明石英晶型转变完全，使用过程的残余膨胀就小。

2、硅砖的用途

硅砖是酸性冶炼设备的主要砌筑材料，也是炼焦炉、铜熔炼炉等不可缺少的筑炉材料。由于硅砖的荷重软化温度高，因而也可用在碱性平炉和电炉炉顶上，甚至蓄热室上层格子砖也可用它来砌筑。

使用硅砖时应注意下列事项：

（1）硅砖在200～300℃和578℃时由于高低型晶型转变，体积骤然膨胀，故在烘炉时在600℃以下升温不宜太快，否则有破裂的危险。在冷却至600℃以下时应避免剧烈的温度变化。

（2）尽量避免和碱性炉渣接触。

4.4 氧化镁质及其它碱性耐火材料

4.1 镁石质耐火材料

含氧化镁（MgO ）在80～95％以上的耐火材料，属于镁石质耐火材料（主要是镁砖）。

1、镁砖的主要性能

a 、耐火度

因为方镁石（MgO ）结晶的熔点很高，可达2800℃，故镁砖的耐火度在一般耐火砖中是最高的，通常在2000℃以上。

b 、高温结构强度

镁砖的高温强度不好，荷重开始软化温度在1500～1550℃之间，比耐火度低500℃以上。

c 、抗渣性

镁砖属于碱性耐火材料，对于CaO 、FeO 等碱性熔渣的抵抗能力很强，故通常用做碱性熔炼炉的砌筑材料，但对于酸渣的抵抗力则很差。镁砖不能与酸性耐火材料相接触，它们在1500℃以上就相互起化学反应而被侵蚀。因此，镁砖不能和硅砖等混砌。

d 、热稳定性

镁砖的热稳定性很差，只能承受水冷2～8次，这是它的很大缺点。

e 、体积稳定性

镁砖的热膨胀系数大，在20~1500℃之间的线膨胀系数为14.3×106，故砌砖过程中，应留足够的膨胀缝。 f 、导热性

镁砖的导热能力约为粘土砖的几倍。故镁砖砌筑的炉体外层，一般应有足够的隔热层，以减少散热损失。不过镁砖的导热性随温度升高而下降。

g 、 水化性

煅烧不够的氧化镁与水作用，产生以下反应：

MgO+H2O→Mg （OH ）2

这称为水化反应。由于此反应，体积膨胀达77.7%，使镁砖遭受严重破坏，产生裂纹或崩落。镁砖在储存过程中必须注意防潮。

2、镁砖的应用 。

镁砖在冶金工业中应用很广。炼钢工业中可用来砌筑碱性平炉炉底和炉墙，顶吹转炉炉衬，电弧炉炉墙、炉底，均热炉和加热炉炉底，混铁炉内衬。有色冶金工业中用以砌筑铜、镍、铅鼓风炉炉缸、前床，精炼铜反射炉，矿石电炉内村等。

4.4.2 镁铝砖、镁铬砖和镁碳砖

1、镁铝砖

镁铝砖是采用含钙少的煅烧镁砂（MgO>90%，CaO ＜2.2%）作原料，加入约8%的工业氧化铝粉，以亚硫酸纸浆废液做结合剂，在1580℃的高温下烧成的制品。

镁铝砖的矿相组成是以方镁石为主晶，镁铝尖晶石（MgO. Al2O3）为基质。后者代替镁砖中的钙镁橄榄石，成为方镁石的结合剂。

镁铝砖与镁砖比较，具有以下特点：

（1）镁铝砖的耐急冷急热性好，可承受水冷20~25次，甚至更高。

（2）由于镁铝尖晶石本身的熔点较高，故镁铝砖的高温结构强度比镁砖有所改善，达到1520～1580℃，甚至更高。

镁铝砖具有以上优良性能，故在我国已广泛用做炼钢平炉，炼铜反射炉等高温熔炼炉炉顶的砌筑材料，取得了延长炉子寿命的效果。大型平炉可达300炉左右，中小型平炉在1000炉以上。

2、镁铬砖

镁铬砖是加铬铁矿于烧结镁砂中做为原料制成的含Cr2O3≥8％的耐火制品， 其主要矿相组成为方镁石和含铬尖晶石（MgO. Cr2O3）。

镁铬砖对碱性熔渣的侵蚀有一定的抵抗能力，高温下的体积稳定性好，在1500℃时重烧线收缩很小。主要缺点是铬尖晶石吸收氧化铁后，使砖的组织改变，引起“暴胀”，加速砖的损坏。

镁铬砖常用来砌筑炼铜炉、电炉、回转窑及平炉的某些部位。

3、铬质耐火砖

含Cr2O3量较高（30%以上），而MgO 量较少（10~30%）的耐火砖为铬质耐火砖。

它的主要特性是属于中性耐火材料，因为Cr2O3属于中性氧化物，故对碱性熔渣和酸性熔渣都有良好的抵抗能力。 铬砖有时用来砌筑在酸性耐火砖和碱性耐火砖交界的地方，以免酸性耐火砖与碱性耐火砖之间在高温下起反应。

4、镁碳砖

镁碳砖是采用高纯度镁砂、电熔镁砂、石墨粉为原料，以中温沥青为结合剂，高压成型而制成。

镁碳砖在我国是近几年来发展起来的一种新型高级耐火材料。该制品具有热稳定性好，荷重软化温度与高温抗折强度高，抗碱性渣侵蚀能力强的特点。

镁碳砖是当前炼钢炉采用的主要耐火材料之一，它主要用于转炉、电炉的渣线部位其炉衬及炉外精炼的钢包等。由于其性能比镁砖和焦油白云石砖好，故用在炼钢炉上炉龄寿命可大大提高。

4.4.3 白云石质火材料

白云石质耐火材料是以白云石为主要材料制成的，含CaO 在40% 以上，MgO 大于30%的耐火制品。 白云石的化学组成为MgCO3•CaCO3，必须经过高温(1500~1600℃) 煅烧，才能使用。

煅烧后的白云石熟料，主要矿相组成为方镁石（MgO ）以及α－CaO 晶型。熟料破碎至一定粒度，通常称为冶金白云石砂，可做制砖原料。

1、焦油白云石砖

焦油白云石砖是以冶金白云石作原料，加入焦油或沥青(约7~10%）作结合剂，经过捣打而成的。一般不经过烧成工序，可直接使用。

这种砖在高温使用过程中，作为粘结剂的焦油和沥青进行分解，放出挥发份，残留固定碳。后者不仅存在于白云石颗粒之间，而且渗入颗粒的毛细孔中，组成完整的固定碳网，将白云石颗粒联结成高强度的整体。此外，固定碳的化学稳定性好，有助于整个耐火制品抗渣能力的提高。

焦油白云石的主要特性：

a 、水化性

白云石砖的水化性比镁砖更厉害，CaO 与H2O 起作用，化合成Ca(OH)2，体积膨胀一倍，使砖遭到破坏。白云石原料虽经高温煅烧，水化性有所降低，但由于砖中有大量游 里的CaO ，若在空气中放置太久，则不可避免会吸收空气中水份，而逐渐被水化。因此，应尽快使用。

b 、其它性质

焦油白云石砖也是碱性耐火材料，对碱性渣的抵抗能力强，而对酸性渣的抵抗能力差，荷重软化开始温度同样比较低，只有1500~1570℃。

焦油白云石砖的耐急冷急热性比普通镁砖好得多，可达风冷20 次。这与结合剂(固定碳) 具有好的热稳定性有关。

使用不烧结的焦油白云石砖时，由于焦油或沥青在低温下加热即软化，故烘炉时在500℃下不能停留时间过长，以防止砖软化变形。

2、稳定性白云石砖

为克服CaO 水化这一缺点，可在制砖配料中加人SiO2的硅石粉，硅藻土等物料，砖坯经煅烧后，CaO 与SiO2结合成稳定性化合物：3CaO. SiO2和2CaO •SiO2。CaO 不处于游离状态，故不再与水起反应。这样的砖，称为稳定性白云石砖。

4.5 其他耐火材料、散状耐火材料和隔热材料

4.5.1 碳质耐火材料

碳质耐火材料是用碳及其化合物制成的。包括碳质制品、石墨粘土质制品、碳化硅制品等。

含碳耐火材料具有下列特性：

（1）耐火度高，因为碳实际上是不熔化的物质，在3500℃时升华；

（2）碳质制品是中性耐火材料，具有很好的抗渣性；

（3）高的导热性和导电性；

（4）热膨胀系数小，热稳定性好;

（5）高温强度高，耐磨性好；

（6）碳和石墨在氧化气氛中会燃烧，碳化硅在高温下也慢慢发生氧化作用，这是含碳耐火材料的主要缺点。

1、碳质制品

冶金工业所使用的碳质制品主要是碳砖。目前碳砖用以砌筑高炉风口以下的炉缸和炉底部位，也用来做铝电解槽的内衬。

2、石墨质制品

石墨是碳的一种结晶形态，常见的石墨质耐火制品，有熔炼金属的石墨坩埚及铸钢用的石墨塞头砖等，此外还可做成电极使用。

石墨制品是以石墨为原料，用软质粘土做结合剂，成型后在还原气氛中烧成的。

石墨制品的特性，基本土与碳砖相同。石墨质制品的导热能力比碳砖更高。同时由于石墨晶型的抗氧化能力较强，加之石墨颗粒周围有粘土构成的保护膜，故石墨制品的抗氧化能力比碳砖强得多，可做成坩埚直接在高温火焰中使用。不过石墨制品的耐火度较碳砖低，一般在2000℃上下。这是因结合剂（耐火粘土）的耐火度低的缘故。

3、碳化硅质制品

碳化硅是纯石英砂和焦炭，在2000~2200℃的高温下，于特殊电炉内烧成的。

碳化硅耐火制品是以碳化硅为原料，加入耐火粘土、石英等做结合剂，或不加结合剂（靠本身再结晶而结合）所制成的。

以粘土结合的碳化硅制品，其耐火度约1800℃，荷重软化开始温度界于1620~1640℃之间。碳化硅制品在较高温度下才易被氧化，抗氧化能力比碳砖强的多。

碳化硅制品的导热能力也较好，用来制做炼锌蒸馏竖罐，换热器元件等。碳化硅同样有一定的导电能力，常制成电阻发热元件。此外，碳化硅耐火制品价格昂贵，因而限制了它的使用范围。

4.5.2 散状耐火材料

传统的筑炉方式是耐火砖作为主体的，散状料（如耐火泥）只是作为砌砖的泥浆、砖缝填料或补炉料。但近二十年来，国内外散状耐火材料有了很大发展，出现了各种耐火混凝土（浇注料）、耐火可塑料及多种捣打料、喷涂料。

1、耐火混凝土

耐火混凝土的使用温度在900℃以上，甚至可达1600~1800℃。

根据所用胶结料的不同，耐火混凝土可分为硅酸盐水泥耐火混凝土、铝酸盐水泥耐火混凝土、水玻璃耐火混凝土、磷酸盐耐火混凝土、镁质耐火混凝土等，此外还有轻质耐火混凝土。

A 、硅酸盐水泥耐火混凝土

B 、铝酸盐耐火混凝土

C 、水玻璃耐火混凝土

耐火混凝土可以直接浇灌在热工设备上的模板内，捣固以后经过一定养护即可。也可做成混凝土预制块，然后用来砌炉子。

2、耐火可塑料

耐火可塑料的用途很广，除用于加热炉炉底水管包扎外，还应用于均热炉炉口和烟道拱顶，加热炉炉顶，烧嘴砖，以及炼钢厂的盛钢桶、保温帽等部位。这种耐火材料具有以下－些优点：

(1) 耐火度高

(2) 热稳定性好

(3) 绝热性能好

(4) 抗渣性好

(5) 抗震性能及耐磨性能好

(6)整体性好 整个砌体严密无缝。

3、捣打料

捣打料与耐火混凝土不同，不采用水硬性的水泥等胶结料。用做捣打料结合剂的有水玻璃、耐火粘土等无机物，也可用焦油、沥青等有机物。配料以后，用人工或气锤捣实打紧，再经高温烧结而成。

捣打料可代替耐火砖用来捣筑冶金炉的某些部位，也可捣筑整个炉子。目前，高炉部分炉衬、电炉炉底、冰铜熔炼反射炉炉底以及感应电炉整个炉体，皆广泛使用捣打料捣筑而成。捣筑而成的炉体具有无砖缝，坚固致密，不易渗漏金属，抗侵蚀能力强等优点。实践证明：使用寿命比砖砌的长。

4、喷补料

现代平炉、转炉、电炉等高温炉，普遍采用高温喷补炉墙的方法，为延长炉子寿命，提高生产能力，提供了极其有利的措施。喷补料由耐火骨料及胶结料所组成。耐火骨料的组成根据耐火砖的种类以及炉内温度等条件选定。胶结料用水玻璃或聚磷酸盐等。料配好以后，依靠压缩空气喷枪喷于炉壁上，在高温下喷补料烧结于被损坏的炉壁上，与原来的砖砌体结合成整体。

5、耐火泥

火泥是用来填充于砖缝之间的细粉状耐火材料，火泥加水或水玻璃等粘结剂。调制成泥浆叫耐火胶泥，用以粘结耐火砖块。

砖缝是炉子砌体的薄弱环节，容易被熔融炉渣浸入而腐蚀耐火砖。因此，要求填充砖缝的火泥具有有良好的粘结性能，有较好的致密性（不产生裂缝），并具有与耐火砖近似的高温性能。

6、耐火涂料

耐火涂料覆盖于炉子砌砖体内表面，提高砌砖体抗渣能力等高温性能，有助于延长炉体的使用寿命。耐火涂料是在常温下涂于砌砖体表面，在高温使用过程中与砌砖体烧结在一起。

4.5.3 隔热材料

为了减少炉子热损失，提高炉子热效率，减低燃料消耗量以及改善车间劳动条件，炉子砌体外层一般用隔热材料砌筑。隔热材料的导热率必须很低，气孔率必然高，体积密度也就小。

根据使用温度不同，隔热材料可分为三类：

（1）高温隔热材料：1200℃以上

（2）中温隔热材料：900～1200℃

（3）低温隔热材料：900℃以下

1、高温隔热材料

各种轻质耐火材料都可做为高温隔热材料。如轻质粘土砖、轻质硅砖、轻质高铝砖以及轻质耐火混凝土等。

陶瓷纤维是近年来被广泛应用的一种新型高温隔热材料。它是以高铝矾土或高岭土为主要原料在2000~2200℃的高温下熔化后，用高速空气或蒸汽流喷吹制成。它具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热系数小、热容量小和耐震动的特点。

2、中温隔热材料

工作温度900~1200℃的隔热材料有硅藻土砖、密度很小的轻质粘土砖、珍珠岩和蛭石等。

3、低温隔热材料

低温隔热材料常用石棉，矿渣棉等材料。

4.5.4耐火材料的选用

耐火材料的正确选用，对炉子工作具有极重要意义，能够延长炉子的寿命、提高炉子的生产率，降低生产成本等。相反，如果选择不好，会使炉子过早损坏而经常停产，降低作业时间和产量，增加耐火材料的消耗和生产成本。

选择耐火材料时，应注意下述原则：

（1）满足工作条件中的主要要求

（2）经济上的合理性

总之，选择耐火材料，不仅技术上应该是合理的，而且经济上也必须是合算的，应本着就地取材，充分合理利用国家经济资源，能用低一级的材料，就不要用高一级的，当地有能满足要求的就不用外地的。