[科普中國(guó)]-耐火原料

簡(jiǎn)介

主要有：耐火粘土、硅質(zhì)原料、白云巖、菱鎂礦、石墨、葉蠟石、蛭石、橄欖巖、蛇紋巖、鉻鐵礦、高鋁礦物、鋯英石等；人工合成的耐火原料有燒結(jié)剛玉、合成莫來(lái)石、碳化硅等。

根據(jù)使用要求，對(duì)其化學(xué)組分(有用、有害組分)，物理性質(zhì)(耐火度、燒失量等)都有具體要求。

歷史人類自青銅器時(shí)代就開始利用粘土類礦物砌筑銅冶煉爐，有的地方則用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)耐火石切塊筑爐。在中國(guó)鄭州市郊區(qū)的東漢煉鐵遺址，發(fā)現(xiàn)用粘土加硅砂、稻殼或碎木炭等打結(jié)的煉鐵爐襯。英國(guó)在1615年用斯圖伯勒格粘土制成熔玻璃的坩堝，不久又制成耐火磚并在銅冶煉爐上試用成功。由于窯爐容積的擴(kuò)大，用這種磚損壞太快。改用硅砂加結(jié)合劑石灰，在使用中取得成功。1822年楊格(W.W.Young)按硅砂加石灰的方法制成了硅磚，后又用硅巖制成了硅磚。1838年美國(guó)人諾頓(J.L.Norton)用高嶺土為原料，經(jīng)煅燒成熟料，制成了粘土磚。1855年貝塞麥發(fā)明了轉(zhuǎn)爐煉鋼法，1856年西門子發(fā)明了用耐火磚砌有蓄熱室的反射爐(即現(xiàn)在的平爐)，出現(xiàn)了生鐵—礦石煉鋼法。但當(dāng)時(shí)受耐火磚性質(zhì)所限，只能用低磷生鐵煉鋼，即酸性煉鋼法。直到1879年英國(guó)用煅燒白云石加焦油打結(jié)爐底成功，才開始使用堿性煉鋼法。

1868年卡倫(Caran)提出菱鎂礦是一種耐火原料，并介紹了用菱鎂礦制磚的方法。奧地利施佩特龍(Kal Spatlon)在施蒂里亞州發(fā)現(xiàn)菱鎂礦的大型礦床。這種礦石是屬于菱鎂礦與菱鐵礦的混合物，因含鐵量高，易燒結(jié)，歐洲則開始用此燒結(jié)鎂砂摻焦油打結(jié)爐底使用成功，并迅速推廣。

爐底用堿性耐火材料，爐上部用酸性耐火材料，在兩者的接觸帶上使用中侵蝕嚴(yán)重，后用鉻礦砂將兩者隔開獲得成功。1886年英國(guó)用鉻礦制磚成功。1915年英國(guó)威那姆的專利介紹用20%～80%的鉻礦和燒結(jié)鎂砂配合制成鎂鉻質(zhì)及鉻鎂質(zhì)磚。但直到20世紀(jì)30年代，在英、美、德等國(guó)才有鎂鉻質(zhì)或鉻鎂質(zhì)磚作為商品出售。

1915年前后，奧地利制的拉捷克(A.Radex)牌號(hào)鎂磚，因加入少量的Al2O3，而改善了鎂磚的耐剝落性。后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，磚在燒成中形成了鎂鋁尖晶石(MgO·Al2O3)礦物，因鎂鋁尖晶石礦物的線膨脹系數(shù)小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，改善了磚的耐剝落性。

1821年在法國(guó)樂(lè)波克斯發(fā)現(xiàn)鋁土礦或稱鋁礬土、礬土礦，主要由一水鋁石、三水鋁石等礦物組成。

剛玉為天然礦物，其硬度僅次于金剛石，顏色鮮艷，早為人類稱為寶石，自然界很少。1896年德國(guó)人莫卡特發(fā)明人造剛玉制法。

1924年英國(guó)人鮑文等在經(jīng)過(guò)高溫?zé)傻恼惩亮现邪l(fā)現(xiàn)3Al2O3·2SiO2的新礦物，不久發(fā)表了Al2O3-SiO2系平衡狀態(tài)圖。隨后在英格蘭的莫爾島上發(fā)現(xiàn)了這種礦物，鮑文將3Al2O3-2SiO2礦物命名為莫來(lái)石。合成莫來(lái)石在1926年由電熔法制成，1928年研制成燒結(jié)法制莫來(lái)石。

雖早在1881年德國(guó)人就從海水中提取出氫氧化鎂，但工業(yè)規(guī)模用海水生產(chǎn)耐火原料合成鎂砂是1938年由英國(guó)斯蒂特利公司開始的。

20世紀(jì)初用硅石熔融成石英玻璃(即熔融石英)，60年代成功地用于連鑄的浸入式水口。1

分類隨著高溫技術(shù)的發(fā)展。對(duì)耐火材料的要求不斷提高，并要求研制新的耐火原料以滿足使用要求。除了發(fā)掘天然原料外，人工合成耐火原料也不斷研制成功，如碳化物、氮化物、硼化物等。另外，還研制出無(wú)機(jī)纖維類及空心球類(見隔熱耐火材料)原料;在輔助原料中又有多種有機(jī)結(jié)合劑、無(wú)機(jī)結(jié)合劑。關(guān)于耐火原料的分類，世界各國(guó)不完全一致。按化學(xué)性質(zhì)分為酸性耐火原料、堿性耐火原料、中性耐火原料。但通常將耐火原料分為Al2O3-SiO2系耐火原料、堿性耐火原料、隔熱耐火原料、耐火材料結(jié)合劑、其他耐火原料。

Al2O3-SiO2系耐火原料 有硅石、半硅質(zhì)粘土(含葉蠟石)、耐火粘土(含高嶺石)及其熟料、鋁土礦(含硅線石族礦物、水鋁石、莫來(lái)石)及其熟料、剛玉及工業(yè)氧化鋁等。

半酸性原料(主要是耐火黏土)在過(guò)去的分類中，黏土都是被列在酸性原料中，實(shí)際是不合適的。耐火原料的酸性依據(jù)是以游離的硅石(SiO2)為主體，因?yàn)榘凑漳突痧ね僚c硅質(zhì)原料的化學(xué)成分而言，耐火黏土中的游離硅石比硅質(zhì)原料要少得多。因?yàn)樵谝话隳突痧ね林杏?0%~45%的氧化鋁，而氧化鋁很少是游離狀態(tài)的，必然與硅石結(jié)合而成高嶺石(Al2O3·2SiO2·2H2O)，即使有多余的硅石量也很少、作用也很小。因此，耐火黏土的酸性性質(zhì)較硅質(zhì)原料要弱得多。2

有些人認(rèn)為，耐火黏土在高溫下分解成為游離硅酸、游離氧化鋁，但并不是就此不變，在繼續(xù)受熱時(shí)游離硅酸與游離氧化鋁將結(jié)合成為英萊石(3Al2O3·2SiO2)。英萊石對(duì)堿性礦渣有很好的抗酸性能，同時(shí)由于耐火黏土中氧化鋁成分的增高，其酸性物質(zhì)漸漸變?nèi)?，?dāng)氧化鋁達(dá)到50%，便出現(xiàn)堿性或中性性質(zhì)，特別是在超高壓力下制成的黏土磚，密度大、細(xì)致緊密、氣孔率低，在高溫條件下對(duì)堿性礦渣的抵抗性比硅石要強(qiáng)。就其侵蝕性而言，英萊石也是非常遲緩的，因此我們認(rèn)為把耐火黏土列為半酸性原料是比較合適的。耐火黏土是耐火材料工業(yè)中最基本而且用途最廣的一種原料。2

中性原料中性原料主要是鉻鐵礦、石墨、碳化硅(人工制造)，在任何溫度條件下都不與酸性或堿性礦渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。目前在自然界中有兩種這樣的原料，即鉻鐵礦和石墨。石墨除天然的以外，還有人造石墨，這些中性原料，對(duì)礦渣均有顯著的抵抗性能，最適合用作堿性耐火材料和酸性耐火材料的隔層。2

堿性耐火材料原料主要是菱鎂礦(菱苦土)、白云石、石灰、橄欖石、蛇紋石、高鋁氧原料(有時(shí)呈中性)，這些原料對(duì)堿性礦渣有較強(qiáng)的抵抗力，多用于砌筑堿性熔爐，但是特別容易和酸性礦渣起化學(xué)反應(yīng)而成為鹽類。
特殊耐火材料：主要是氧化鋯、氧化鈦、氧化鈹、氧化鈰、氧化釷、氧化釔等。這些原料對(duì)各種礦渣有不同程度的抵抗性能，但是由于原料來(lái)源不多，不能在耐火材料工業(yè)中大量的應(yīng)用，只能在特殊情況下采用，因此通稱為特殊耐火原料。2

硅質(zhì)原料例如：石英、鱗石英、方石英、玉髓、燧石、蛋白石、石英巖、白硅砂、硅藻土，這些硅質(zhì)原料中所含氧化硅(SiO2)至少在90%以上，純凈原料有氧化硅高達(dá)99%以上的。硅質(zhì)原料在高溫化學(xué)動(dòng)態(tài)中是酸性性質(zhì)，當(dāng)有金屬氧化物存在時(shí)，或與其接觸時(shí)即起化學(xué)作用，并結(jié)合而成易熔的硅酸鹽類。因此，如果硅質(zhì)原料中含有少量的金屬氧化物時(shí)，嚴(yán)重影響它的抗熱性。2

Al2O3-SiO2系耐火原料：有硅石、半硅質(zhì)粘土(含葉蠟石)、耐火粘土(含高嶺石)及其熟料、鋁土礦(含硅線石族礦物、水鋁石、莫來(lái)石)及其熟料、剛玉及工業(yè)氧化鋁等。

堿性耐火原料：有石灰石、白云石、菱鎂石、水鎂石、鎂橄欖石等的煅燒料或電熔料及鎂鋁尖晶石、鎂鉻尖晶石砂等。

其他耐火原料：有鋯石(含氧化鋯)、鉻鐵礦、碳化物類、石墨、氮化物類及硼化物類等。

隔熱耐火原料：有珍珠巖、蛭石、硅藻土、礦棉、漂珠、耐火纖維及空心球等。1