工业炉用耐火材料选择(selection of refractories used on industrial furnace)

工业炉炉衬设计中的一个重要组成部分。耐火材料的耐火度通常规定在1580℃以上。设计时要了解耐火材料的特性和炉衬的使用要求，并作定量计算，以期设计成品在技术上先进，在经济上合理。

材料分类   耐火材料品种繁多，可按制造工艺分为定型耐火制品和不定形耐火材料。

定型耐火制品   有一定形状的成型耐火制品，其中在350℃时的热导率小于0.70W／(m•K)者特称为隔热耐火制品。定型耐火制品按成型工艺分成烧成砖、不烧砖和电熔铸砖等。按化学特性及矿物组成分为：(1)酸性砖。指SiO₂含量在93％以上的硅砖和轻质硅砖以及SiO₂含量在50％以上(其余为Al₂O₃等矿物)的粘土质耐火砖。最后一种也称为半酸性砖。(2)中性砖。一般指高铝砖(微酸性)和铬砖(微碱性)；(3)碱性砖。以MgO、CaO为主要成分的镁砖、镁铝砖、镁铬砖和白云石砖等。(4)特种砖。具有高熔点的、化学稳定性和抗热震性好的、高温强度大的等特殊性能的材料。通常包括纯氧化物、非氧化物和金属陶瓷等制品，如锆英石砖、碳化硅砖、棕刚玉–碳化硅砖等。

高温耐火纤维也属于这一类。

不定形耐火材料   由耐火骨料、结合剂、添加剂混合而成的耐火材料。有的以交货状态直接施工，有的与某些液体调配后施工。不定形耐火材料有致密的和隔热的两种，按硬化过程和结合剂的性质分为陶瓷结合(在煅烧过程中由于烧结而硬化)，水硬性结合(在常温下凝结并通过水化反应而硬化)，化学结合(在常温下或低于陶瓷结合的温度下通过化学反应而不是水化反应而硬化)，有机结合(在常温下或稍高一些温度下粘结或硬化)四类。

不定形耐火材料也可以按使用类型分成整体构筑材料和修补用材料、砌筑和接缝材料、耐火涂抹料三类。

整体构筑材料和修补用材料包括：(1)耐火捣打料。可以直接施工或与某些液体调配后使用，以捣打方式施工，大多在高于常温的加热作用下硬化。(2)耐火可塑料。以具有可塑性的软坯或不规则形状的料团交货，可直接使用，以捣打、震动、压制或挤压方式施工，在煅烧过程中硬化。(3)耐火浇注料。以干料交货，加水或与其它液体调配后使用，以浇注、震动、捣固方式施工，必要时用夯实的方式施工，无需加热即可凝结并硬化。(4)耐火喷涂料。专门制备的一种混合料，供风动机具或机械喷射方式施工，硬化特性可分属前三种中的一种。

砌筑和接缝材料即耐火泥浆。用抹刀或类似工具施工，也可用于灌缝或浸蘸砌块，分水硬性结合、陶瓷结合和化学结合三种。

耐火涂抹料是由细骨料、结合剂组成的混合料。各种结合剂均可使用，含水(或其它液体)量一般比耐火泥浆高，以手工、风动机具或机械喷射方式施工。

在上述分类法的基础上再进一步按混合料主要成分的性质和(或)决定混合料特性的骨料分类并据此命名，如高铝质耐火可塑料、粘土质低水泥耐火浇注料和刚玉质超低水泥耐火浇注料等。

与定型耐火制品相比，不定形耐火材料的优点是：(1)工厂占地面积小，不需要成型和烧成工序，能源消耗很少，投资和经营费用低。(2)可以明显减少异型砖的品种和数量，便于备料和施工。(3)炉衬整体性好，提高了强度和气密性，减少热损失。(4)配置了金属或陶瓷锚固件、或再加不锈钢纤维增强后，可提高抗机械振动和抗热震能力，还可以局部修补损坏部分。(5)便于储存和运输，有利于筑炉施工机械化。只是施工管理必须严格，否则将影响炉衬的理化性能和寿命。有时将不定形耐火材料制成预制构件使用。

材料选用   耐火制品和致密的不定形耐火材料主要用于高温炉炉衬的耐火层，隔热耐火制品和轻质浇注料除了用于中温炉炉衬的耐火层外，一般用在高温炉炉衬的耐火层和隔热层之间，或直接作中低温炉炉衬的隔热层。用单一耐火材料作炉衬的情况不多，常见的是复合炉衬：最内层以耐火性能为主，其余各层以隔热性能为主。有时将硅藻土砖也列入隔热耐火制品。隔热层不仅减少散热损失和蓄热损失，还可提高炉子的升温速度和冷却速度，以及炉子的效率、作业率和产量。此外还简化了炉子结构并减轻了炉子自重。

耐火材料的性能有三个方面：(1)力学性能。如耐压强度、抗折强度。(2)化学性能。如抗渣性、与可控气氛的反应。(3)物理性能。如体积密度、耐火度、荷重软化温度、热膨胀率、重烧线变化率、热震稳定性、热导率和比热容等(表1～3)。根据耐火材料的用途，从综合比较需要的各种性能着手，分别选择若干种耐火材料，最后根据投资和经济效益予以确认。鉴于某些重要指标(如使用寿命)不易定量计算，只能在选材时按优先程度进行排列与比较，因此设计经验与使用经验在选材中仍然起相当作用。根据炉子的设计条件和需考虑的因素，将耐火材料的相应特性归纳为表4。按使用部位的不同，选材时需要考虑的材料特性见表5。炉用耐火材料的发展趋势是品种多样化、材料优质化和能够节约能源。随着生产技术的发展，耐火纤维除了已用于炉衬的耐火隔热层外，耐高温的耐火纤维制品正逐步推广用于炉衬的耐火层。选材的目标是：根据炉子的类型和不同的使用部位选择合适的耐火材料品种，同时改进炉子结构设计，构筑多层复合炉衬，使不同温度区域的各层材料接近同期失效，从而延长炉衬整体使用年限。相同使用条件下有不同材料可供应用时，应优先使用经济效益好的材料。