耐火材料的分类

日期：2023-07-08 浏览：811

不同行业的高温加工条件的不同要求耐火材料的多样性。

耐火材料多样性来自于应用温度、加工过程中的大气条件、机械、热、化学、研磨和磨损条件等。

许多耐火材料的开发正是为了满足特定热加工条件下的某些条件。为了满足这种广泛的应用条件，需要不同类别的耐火材料。例如正常气氛下加工条件需要碱性或酸性的耐火材料，温度可能很高或很低，一些应用可能需要强度非常高和密度高的耐火材料，以及在某些情况下，要求对加工过程进行绝缘，等等。

这类耐火材料可以根据某些特定的类别或特性，按照不同的组别/类别进行分类。本文介绍了耐火材料的分类。

1 耐火材料主要分类维度

1.1 基于化学性质的耐火材料分类

根据化学性质，耐火材料可分为以下几种：

a. 酸性难溶物

b. 碱性耐火材料

c. 中性耐火材料

1.2 基于主要成分和纯度的耐火材料分类：

主要成分：耐火材料通常根据其中存在的主要化学成分（通常是氧化物）进行分类：

a. 硅质耐火材料：主要成分为二氧化硅；

b. 氧化铝耐火材料：主要成分是氧化铝等；

在主要成分的分类中，根据存在的该成分的百分比（纯度），耐火材料被进一步分为：

c. 60%氧化铝砖（指砖的主要成分是氧化铝，并且氧化铝的含量为 60%）；

d. 70%的氧化铝砖；

e.等等。

1.3 基于制造方法的耐火材料分类

耐火材料是通过不同的技术或加工制造的，根据这些具体的/特殊的技术，耐火材料被分为以下几种：

a. 压制和烧制的耐火材料

b. 熔铸耐火材料

c. 手工成型的耐火材料，

e.等等。

1.4 基于耐火材料物理形式/形状：

按照耐火材料的物理形态进行分类也很重要：

a. 定性耐火材料，具有确定的形状和尺寸的异形耐火砖。

b. 不定形耐火材料，未成型的耐火材料如浇注料，是混合好的、颗粒状的、未烧制的块状物，没有任何特定的形状和尺寸。

1.5 基于热负荷（应用温度）耐火材料的分类

这种分类是基于耐火材料所能承受的最高温度，或表示最高应用温度。

传统的命名方法是：

a. 高热值

b. 中等热值

c. 低热值

1.6 基于孔隙率（绝缘性能）的耐火材料分类

孔隙率的大小描述了材料的致密性（强）或绝缘性能。

耐火材料按孔隙率分类如下：

a. 致密的耐火材料

b. 隔热耐火材料

1.7 基于应用领域耐火材料分类

耐火材料也按其应用行业进行分类，如钢铁行业的耐火材料、玻璃行业的耐火材料等，即使在一个特定的行业内，耐火材料也按其使用的具体领域进行分类，例如，钢铁行业有转炉耐火材料、钢包耐火材料、调质器耐火材料等类别。

1.8 特殊耐火材料

不属于上述广义分类的耐火材料，只用于特殊情况，如：

a. 不含氧化物的耐火材料

b. 氧化锆耐火材料

2. 基于化学性质的分类

耐火材料通常根据其化学行为进行分类。炉子中普遍存在的化学环境或加工条件决定了最适合此类应用的耐火材料。根据材料的化学性质（亲和力），耐火材料被分为酸性、碱性和中性。

2.1 酸性耐火材料

酸性耐火材料是指那些在高温下能抵抗任何酸性条件的耐火材料，如炉渣、烟尘和气体。但是，它们很容易被碱性炉渣或环境所侵蚀。在有任何碱性材料或环境存在的情况下，酸性耐火材料就会被破坏，耐火材料迅速反应，在耐火材料衬里造成大量腐蚀，导致衬里的寿命非常差。这类耐火材料只适用于炉渣和大气呈酸性的地区。酸性耐火材料的例子有

1. 硅石(SiO2)

2. 火泥

这两种耐火材料都含有二氧化硅作为主要材料，在任何高温的基本环境中，例如在钢包或水泥窑的燃烧区，它们会发生反应，形成各种碱和碱性硅酸盐。这些硅酸盐的熔点很低，它们会进一步与固体耐火材料结构发生反应，导致耐火材料的磨损和耐火材料内衬的急剧恶化。因此，任何酸性耐火材料在酸性环境中表现更好，如，玻璃熔化槽应用。

2.2 中性耐火材料

中性耐火材料对酸和碱的化学性质都很稳定，可用于炉渣和环境为酸性或碱性的领域。因此，这些类型的耐火材料是更常见的应用选择。但是，许多在低温下表现为中性的耐火材料在高温下会有一些化学亲和力。因此，对高温下的高侵蚀性环境有用的中性耐火材料是很少的。

典型中性耐火材料：

1. 碳或石墨（惰性）；

2. 氧化铝 (Al2O3 )

3. 铬矿 (Cr2O3 )

在这些材料中，石墨的反应性最弱，被广泛用于冶金炉中，碳的氧化过程可以被控制。

氧化铝和炭黑耐火材料在低温下是稳定和中性的，但它们在本质上表现为弱酸性，在高温下与非常强的碱性物质发生反应。因此，它们的中性在高温下不再有效。

2.3 碱性耐火材料

碱性耐火材料是指那些被酸性成分侵蚀但对碱性炉渣、灰尘、烟雾和高温环境稳定的材料。由于这些耐火材料不与碱性炉渣发生反应，它们在基本炼钢工艺、有色金属冶金作业和水泥工业中具有相当重要的意义。最常见的重要碱性耐火材料是：

1. 氧化镁 (MgO)

2. 煅烧白云石 (CaO.MgO)

碱性耐火材料决不能在酸性条件下使用，例如，在玻璃熔化槽中，碱性耐火材料会因形成低熔点的硅酸盐而很快被洗掉。

3 根据主要的成分进行分类

比较简单的方法之一，也是很常用的耐火材料分类方法，就是提到存在的主要成分及其百分比。主要的分类方法是根据存在的主要成分，如氧化铝耐火材料、二氧化硅耐火材料、白云石耐火材料等，意思是耐火材料含有氧化铝、二氧化硅、白云石等作为主要成分。

在工业和商业上，这是比较广泛使用的耐火材料分类的做法，该术语还表示主要成分的数量（百分比/纯度），如90%的氧化铝耐火材料、96%的二氧化硅耐火材料等，表示着这些耐火材料中分别含有90%的氧化铝、96%的二氧化硅。因此，从纯度（杂质的数量）和主要成分，人们也可以对耐火材料的特性有一些了解，例如，它是酸性的还是碱性的，或者它在特定环境中如何工作和表现。

4 基于制造方法分类

耐火材料的制造方法各不相同，以达到明确的形状、尺寸和特定的性能。耐火材料的命名也是根据不同的制造技术来进行的。

4.1 压制和烧制 (烧结 )

这是比较常见/常规的耐火材料类型。在这种方法中，混合不同大小的颗粒，然后压制和烧制，以达到所需的形状、大小和特性。压制压力和烧制温度是关键参数，并根据成分和目标特性来确定。使用较低的压力和温度会导致低强度和相对多孔的产品（密度较低）。

4.2 熔铸耐火材料

熔铸耐火材料对许多行业都很重要，如玻璃、钢铁和铝等，需要在高温下与液相长期接触。它们对于石油化工和其他相关行业也是必要的，因为这些行业的耐火材料会受到高度磨损/侵蚀和化学侵蚀。熔铸耐火材料是通过在电弧炉中（使用碳电极）在超过2000°C的温度下熔化氧化物粉末的混合物（所需成分）并浇铸而成。

在模具中的熔体，它通过退火凝固以减少应变的产生。耐火材料在熔融状态下用氧气处理，使所有成分转化为最高氧化状态。在冷却过程中，在铸痕下面形成一个收缩腔，因此铸痕的相反表面被用作耐火材料的工作面。与传统耐火材料相比，熔融铸造产品使用稳定的矿物物质，具有非常密集和高度耐用的结构，并显示出特别优越的机械和化学性能。此外，熔融和缓慢冷却产生了大的晶体尺寸，减少了任何化学反应的表面积，从而提高了抗腐蚀能力。低孔隙率限制了腐蚀性液体的进入，而光滑的表面则防止了炉渣的附着。由于热压强度高，这些耐火材料可以抵御高的表面负荷。同样，密集结构带来的高导热性使热量在耐火材料内均匀分布，产生均匀的热状况。但是，由于该过程涉及到耐火材料的熔化，能耗较大。

4.3 手工成型耐火材料

这些耐火材料因其关键的形状和尺寸而显得非常重要。非传统的、关键的形状和尺寸的耐火材料对于许多特殊的应用是很重要的，如在焦炉、玻璃罐炉等。压制是一种简单的方法，可以提高生产率；但压制模具不能生产复杂的形状，因为压制形状的需要一个简单的设计，以提高生产率。此外，形状的尺寸也受限于压制过程，因为更大的尺寸需要巨大的压制能力。因此，要在烧制前制造出复杂的形状或大尺寸的耐火材料产品，手工成型（使用锤击等技术）是比较简单和经济的过程。由于手工产生的压力比机器压力低得多，用水量大约是压榨所需水量的2-3 倍。此外，生坯强度也较低。因此，这类型的耐火材料的处理和干燥是非常关键的。在这些产品的成型过程中，较高的水分含量和较小的压实压力会产生相对多孔的结构和烧制时的高收缩率，因此需要调整模具尺寸。

4.4 结合耐火材料

大多数耐火材料都是烧结的，这意味着它们在烧制过程中，在松散的起始颗粒之间形成了一个陶瓷结合体。除了这种烧结和陶瓷结合外，许多类型的结合也被用于耐火材料，以提升其强度。许多耐火材料是化学结合的。这意味着使用了与耐火材料的基本成分完全不同的化学结合材料，在颗粒之间形成二次（化学）结合，以保持形状和尺寸，并产生一定强度和其他性能。大多数情况下，化学结合用于那些需要非常高的温度来发展直接烧结结合的耐火系统。二次相的加入可能会形成一种液体（或反应和熔化），并在一次耐火材料颗粒之间产生结合。但是，耐火材料的高温性能可能会受到影响。此外，焦油/沥青/树脂的结合对于成分中含有相当数量的碳的耐火材料是很常见的。碳颗粒本身具有很强的原子结合力，而且非常细小，当它存在于耐火材料的氧化物颗粒之间时，即使在高温下也不允许耐火材料进行传质和烧结。因此，对于碳结合，特别是液态碳质材料被用作结合材料，可以聚合并形成三维碳基网络结构，即使在高温下也能保持整个耐火材料结构/颗粒，并保持一定的强度。

5 根据物理形态或形状分类

按照耐火材料的物理形态，它们被分为定型和不定型耐火材料。

5.1 定性耐火材料

此类型的耐火材料都有固定的尺寸和形状。形状的耐火材料是很常见和非常传统的。形状可以是标准的，也可以是特殊类型的。标准形状是指那些产品的形状和尺寸是共同的，并被大多数耐火材料制造商和用户所接受。标准形状的砖的尺寸符合大多数耐火材料制造商的要求，适用于同一类型的窑和炉。通常需要大量的标准形状来建造窑或炉。另一方面，特殊形状的产品是为特定的窑炉或熔炉特别制作的，具有非常具体的形状和尺寸，一般只需要有限的数量。标准形状的耐火材料由机器压制而成，因此具有统一的性能。特殊形状的耐火材料通常是手工压制的，通常在性能上有轻微的变化。

5.2 不定形耐火材料

不定形耐火材料是指那些处于松散的颗粒状态，没有任何特定的形状和尺寸。形状和尺寸是根据特定应用的要求来确定的，通过与液体（主要是水）混合，使其成为可流动/可成形的物质，并通过浇注、夯实、涂抹、冲击等方式应用于所需区域。不定形耐火材料在其应用场所烧制，在应用过程中烧结，并获得强度和其他性能。

6 基于抗热能力的分类

耐火材料的分类也是根据应用温度的标准进行的，也就是说，在什么温度下耐火材料可以不失效。这种分类方法在早期是常用的，目前仍然适用于低温耐火材料，特别是耐火土质耐火材料。这种分类的主要参数是耐火度或软化温度，它表示耐火材料可以承受的最高温度而不变形。在这种分类中，耐火材料被分为四类。

耐火材料的分类也是根据应用温度的标准进行的，也就是说，在什么温度下耐火材料可以履行其职责。这种分类方法在早期是常用的，目前仍然适用于低温耐火材料，特别是耐火土质耐火材料。这种分类的主要参数是耐火度或软化温度，它表示耐火材料可以承受的最高温度而不变形。在这种分类中，耐火材料被分为四类。

6.1 低温耐火材料

耐低温的耐火材料，其耐火度高达1630°C，其测温锥当量（PCE）值高达28。这类耐火材料的常见例子是粘土质耐火材料、低硅质耐火材料等。

6.2 中温耐火材料

这些耐火材料能够承受比前一类更高的温度，其耐火度在1630℃-1670℃之间。PCE值在28和30之间变化。常见例子是火泥、低铝耐火材料。

6.3 高温耐火材料

此类耐火材料具有更高的耐温能力，其耐火度在1670℃和1730℃之间，PCE值在30和33之间。这类耐火材料的例子是氧化铝、铬铁矿耐火材料。

6.4 超高温耐火材料

该类材料能承受最高的温度，耐火度大于1730℃ ，PCE值大于33。这类耐火材料的常见例子是高铝、菱镁矿耐火材料。

7 根据孔隙率（绝缘性）或热导率进行分类

孔隙率将耐火材料分为两大类：致密型和绝缘型。同样的分类也是基于导热性：致密的具有较高的导热性，而绝缘的（多孔的）由于存在充满空气的孔隙而具有较低的导热性，而空气是热的不良导体。

7.1 致密耐火材料

致密耐火材料是指那些具有非常低的孔隙率和高度烧结以达到最大可能的包装和致密化的耐火材料。更高的致密化程度(较低的孔隙率）来自于颗粒之间越来越多的接触，这是由于更大范围的包装（压实/压紧）和烧结。更大程度的颗粒与颗粒之间的接触和烧结将产生更大的强度。因此，致密耐火材料显示出更好的机械性能，更高的抗腐蚀、抗磨损、抗侵蚀能力，更高的导热性等。传统上，孔隙率低于45%的耐火材料被称为致密耐火材料。

7.2 绝热型或隔热耐火材料

任何高温加工都需要大量的热能。而且，在大多数情况下，实际加工过程中需要的能量远远低于消耗的总能量。这是由于高温加工条件下的巨大能量损失主要通过加工容器的壁（即耐火材料）进入环境。而且，加工温度越高，热损失的机会就越多。为了减少加工过程中能量的逸散，需要一种特殊的加工器的耐火衬里材料，这被称为隔热耐火材料。隔热耐火材料的主要功能是防止或减少通过炉壁的热流（热损失）速度。这些耐火材料需要承受其应用的高温，同时需要具有绝缘性（低导热性）。这种要求是通过在耐火体中加入孔隙来实现的，这些孔隙实际上是小气穴。空气的导热性很低；因此，孔隙越多，耐火材料的绝缘性能就越强。一般来说，孔隙率超过45%的耐火材料被称为隔热耐火材料。小而均匀分布的孔隙和较高的孔隙率会导致更好的绝缘性能。