冶金行业中不定型耐火材料的应用与发展探析

随着冶炼技术和钢铁工业的迅速发展，冶金用耐火材料在技术方面也实现了全新变革，摆脱了对天然原料和原始制品群等的高度依赖，逐步走向了以人工合成材料为主的精细产品。不定型耐火材料因便于机械化、自动化生产且可通过修补来延长使用寿命，相比定型耐火材料而言优势明显，已经逐步成为了冶金工业生产中的一个要素，在海外工业发达国家，其冶金行业的不定型耐火材料使用率高达50%以上。目前，世界诸国在新一代不定型耐火材料的研究上不断深入，极大地促进了整个冶金工业的可持续发展。本文在此分析和探究不定型耐火材料在冶金行业中的应用和发展具有一定意义。

不定型耐火材料定义及特点

不定型耐火材料也称之为散状耐火材料，它由骨料、细粉、结合剂以及外加剂按一定比例混合而成，不定形状、不经烧制，可供直接使用的新型耐火材料。通常骨料为大于0.088mm的颗粒物，构成整个不定型耐火材料的骨架，用量占比60%~73%，包括粗骨料(>5mm)、细骨料(<5mm);细粉为小于0.088mm颗粒，是整个材料中的基质部分，起高温下联结或胶结耐火骨料的作用，占比15%~40%;结合剂在一定条件下，通过水合、化学、聚合、凝聚等作用使伴合物获得强度;外加剂是强化结合剂作用和提高基质性能的材料，包括有促凝剂、缓凝剂、减水剂、抑制剂、快干剂等。

相比定型耐火材料，不定型耐火材料没有复杂的烧成工序，制作所需的原材料易于获得、价格低廉、制作工艺简单;可塑性非常强，不定型耐火材料的耐火度和化学稳定性可以达到同类耐火砖的水平，便于预制成块，在冶炼生产中易于生成各种复杂形状的制品，而且利于筑炉施工机械化;使用也较为方便，可以直接使用或调配后使用。但由于其在低温环境下耗时长，中温强度较低，高温长期使用易剥落等缺点，所以对使用时的烘烤技术要求较高。同时它的体积稳定性不够好、气孔率较高、耐腐蚀能力一般、质量上也可能出现波动，虽然便于使用，可是使用后拆卸不太方便，现场须配备专用施工设备等。

不定型耐材在冶金行业的应用优势

作为当今冶金工业中的主要耐火材料，不定型耐火材料具有自身独特的应用优势，主要体现在以下几个方面：

2.1 较高的耐火度

耐火材料的基本属性是高温下不软化和形变，不同的耐火材料其荷重软化的温度条件也不相同，为保证热工设备在最高使用温度下其结构强度不被破坏，维持较长使用寿命，必须选择耐火度高于热工设备最高温度的材料。高温窑炉是冶金工业中的常用设备，冶炼作业中对高温窑炉的内衬耐火度有很高要求，不定型耐火材料的耐火度一般在1500℃以上，这就可以很好地满足高炉的使用工况要求，可以延长其使用寿命，也可以提升冶炼制品性能。

2.2 较小的能耗量

一般的定型耐火材料都需要经过特殊的烧成工艺进行处理，这个烧成过程非常复杂且需要消耗大量的能源，带来较大生产成本。不定型耐火材料的最大优势在于省去了烧成环节，可以避免大量的能源浪费，在同样工况下其能源耗费比传统的耐火砖平均低15~20倍左右，可以实现较好的经济性，也是现代冶金行业广泛选用的重要原因。

2.3 较高的冶金效率

去除了烧成环节的不定型耐火材料，不仅可以很好地降低能源资源消耗量，而且也简化了冶炼工艺流程，可以极大地节省冶炼时间，提高冶金生产效率。从生产操作实践来看，使用不定型耐火材料一般要比耐火砖的生产效率高3~5倍。

2.4 较优的完整性

由于不定形耐火材料的体积比普通耐火材料要小得多，因而更容易进行运输，满足大批量转运的条件，可降低运输成本。此外，不定型耐火材料极强的可塑性可以被构筑成任意造型，而且内部结构紧密，凝结性能较强，使用不定型耐火材料的高温窑炉炉衬是一个整体结构，如此以来在冶炼过程中不易受到高温破坏，这样就能大大使高高温窑炉的使用寿命，一般可比传统耐火砖提高30%~150%，而且由于其整体性的原因，高温炉的密封性能也比可定性耐火材料要好很多，从而在整体上降低能源消耗。

具体应用

3.1 高炉上的不定型耐火材料应用

作为冶金工业中的一种重要设备，传统高炉以钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬，一般采用高铝水泥、磷酸高铝质耐火材料浇注料预制块吊装砌筑，现代高炉主要使用树脂结合剂铝碳不烧砖来砌筑。大型高炉的水冷壁采用SiC浇注料，炉底垫层及周边砖缝使用氮化硅材料填充，炉墙使用浇注料耐火材料已经成为行业的普遍特征，可以实现较好效果，比如日本福山钢管厂2号高炉上使用的Al₂O₃材料，连续6年都未见大面积剥落现象。当前，Al₂O₃-SiC-C(ASC)质和莫来石SiC-C质是国内外高炉出铁沟上普遍使用的不定型耐火材料。日本高炉多采用“ASC”浇注料，西方工业强国一般SiC-C质捣打料，我们国内冶金行业以SiC钢玉为主。

3.2 钢包上的不定型耐火材料应用

钢包用耐火材料因出钢温度的升高以及钢包中钢液存留时间的延长，原来使用的定型耐火材料开始逐渐被不定型耐火材料代替。基于钢包的不定型特征，可以实现生产自动化，有助于提高产能和生产效益。实践经验显示，钢包侧墙的不定型，可以节省约40%的维修工时;当钢包完全采用不定形时，省力效果可达70%及以上。目前很多钢铁企业的钢包都采用Al₂O₃-尖晶石浇注料作为耐火材料，这种材料具有较好的抗腐蚀性能，高温下结构影响小，可延长热工设备的使用寿命长。但其使用性能仍会受出钢温度和钢水停留时间的影响，为解决这一技术难题，先后诞生了日本研发的Al₂O₃-MgO浇注料，铝镁碳质耐火浇注料及镁质耐火材料，这些新材料的强度和抗渗透性都得到较大提升，在钢包上的使用效果也更好。

3.3 加热炉上的不定型耐火材料应用

加热炉用于高温加热钢坯，因最高温度高达1400℃左右，其炉顶和炉衬可使用浇注料或可塑料来构筑。一般大型步进式加热炉的内衬可以采用可塑性耐火材料来制作，平均使用寿命可达到12~15年左右，而高速线材车间的步进式加热炉，由于炉体较大，耐火度要求较高，可以采用粘土结构浇注料，该材料不仅便于机械施工，而且脱模后无蜂窝状，具有良好的流动性，可很好地满足热工设备的作业环境要求。

发展趋势

不定形耐火材料在整个耐火材料中所占的比例，已经成为衡量一个国家耐火材料行业技术发展水平的重要标志。当今世界工业强国都对新型不定型耐火材料的研发工作高度重视，推动着冶金行业耐火材料朝着高性能浇注料、全干振动料以及火焰喷补料等方向发展，表明不定型耐火材料在未来市场具有更广阔的应用前景。

4.1 材质发展方向

首先，以往的不定型耐火制品主要选用中性、酸性氧化物等材料，制成的不定型耐火材料的耐热和抗腐蚀性能已经无法满足更高要求的冶金工艺，而以碱性氧化物材料、氧化物与非氧化物复合材料为主的不定型耐火材料可以很好地解决这个问题，这也是当前的冶金用不定型耐火材料的一个发展趋势。比如以高档氧化铝纤维和耐火填料为主要成分的料浆状涂抹料，拥有更强的抗风蚀性能、耐高温性能、防开裂性能及抗烧蚀性和抗碱化学侵蚀性等;最高可抗80m/s的热气流，可耐1700℃高温，且高温环境下长期使用无裂纹;可热修补，使用时无需降温，适合大面积喷涂。

其次，现代不定型耐火制品更多地运用到了优质的人工合成耐火材质。目前，不定型耐火材料也逐步由单一耐火浇注料发展为耐火压注料，并在可塑料、捣打料、投射料等传统类型上出现浇注料、喷补料等新型材料。如以优质轻骨料、耐火粉料、结合剂、外加剂配制而成轻质浇注料，具有更低的导热系数，更强的保温性，更好的抗热震性，可广泛用于工业窑炉和热工设备的保温部位。耐火材料的不断研发创新，进一步提高了冶金作业效率和工业经济性。

4.2 结合方式发展方向

不定型耐火材料通常是由连续结合相和不连续集料相共同构成，因集料相颗粒的强度相比结合相更大，所以结合相是影响不定型耐火材料的结构强度的关键要素，直接体现为结合剂的性能。首先，冶金工业中不定型耐火材料的结合方式，经历了从水和结合、化学结合、水和结合+凝聚结合，再到聚合结合，并朝着凝聚集合的方向发展，遵循着高杂质—低杂质—无杂质的发展路线，结合剂的纯度越来越高[6]。其次，近年来随着高炉技术的进步，对不定型耐火材料的性能也提出了更高技术要求，为降低高炉损害，提高冶金效益，不定型耐火材料的结合方式也开始由高水份、低水份转向无水份，逐渐向高密度方向发展，进一步提高冶金行业中不定型耐火材料整体性能。

结 语

不定型耐火材料具有定型耐火材料所不具备的特殊优势，是现代冶金工业高质量发展的重要依托，虽然目前仍存在一定缺陷，但其总体发展呈上升趋势。随着技术的不断进步和完善，新型不定型耐火材料经过开发创新，它必将推动整个冶金行业的深化发展。