轻骨质耐火材料的原理、制造与应用（Ⅰ）

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高温工业是生产结构材料(钢铁、玻璃、陶瓷等)和优良的功能材料(传感器、吸收材料、催化剂、储能材料等)的基础产业。

而耐火炉衬是高温工业炉的基础，对高温工业的效率和质量起着至关重要的作用。

一方面，与辐射和废气相比，通过炉衬散热是工业炉采用的主要热损失途径。其中耐火炉衬的隔热性能是决定高温炉能效和消耗的主要因素之一。

另一方面，耐火衬里涉及整个高温生产过程。

因此，它们会导致产品(即钢、铁、合金、玻璃)中出现不需要的夹杂物。

为了提升产品的质量和清洁度，开发持久的耐火衬里是先决条件。因此，设计持久节能的耐火衬里对于工业炉的能源和资源效率以及产品的质量至关重要。

一、传统耐火材料和轻质耐火材料对比

传统耐火材料

传统耐火材料主要由氧化铝、硅酸盐、碳化硅等材料组成，这些材料具有高熔点、高硬度、高强度等特点。

在高温环境下，这些材料可以保持稳定的性能，不会被熔化或燃烧，从而保护工业设备不受高温的侵害。

其制造过程较复杂，需要经过多道工序，包括原料的选取、配料、成型、烧结等。如图1所示，传统的耐火衬里结构具有耐磨衬里，绝缘层。

耐磨衬里可抵抗熔融体的侵蚀、磨损、腐蚀和热机械载荷，而绝缘层可减少通过耐火衬里的热传递。

传统耐火材料的应用较广泛，如在钢铁冶炼、玻璃制造和陶瓷生产中，传统耐火材料常用来保护设备不受高温和化学腐蚀的侵害。

轻骨料耐火材料

随着工业技术的进步，一些延长耐磨衬里寿命和降低绝缘层导热性的方法出现，同时也带来了两个重要问题：

1.骨料和基体之间的性能不匹配

为了提升耐磨衬里的耐化学腐蚀、耐磨和热剥落性，研究人员试图提升骨料的纯度、密度和强度。

虽然这让耐磨衬里的使用寿命更长，但也导致了耐火材料中骨料和基体之间的性能不匹配。由于基体的孔隙率高于聚集体的孔隙率，因此损坏和降解将优先发生在耐火材料的基体处。

2.纳米绝缘板使用温度不能达到要求

传统应用导热系数低于空气的纳米绝缘板，纳米绝缘板的较高使用温度在1000°C以下。

然而，对于大多数炼钢工业炉，绝缘层之间界面的温度为1000-1200°C。

纳米绝缘板的粉碎、降解和失效仅在 3-5 次加热循环后发热，极大的降低了衬里的隔热性能。

为了克服上述两个问题，基于轻骨料的轻质耐磨衬里耐火材料的想法应运而生。

一方面，由于基体是耐火材料使用过程中较弱的部分，因此通常不需要密度过高的骨料。

通过用轻质多孔骨料代替传统的致密骨料，可以减少能源和资源消耗。

另一方面，通过使用轻质多孔骨料可以降低耐磨衬里的导热系数。

此外，还可以优化耐火衬里的温度场分布，将绝缘层之间的界面温度降低到纳米绝缘板的可接受值。

因此，通过衬里的散热，所需温度可以得到显著降低。更重要的是，熔融熔体的过热度可以降低，从而提升产品的质量。

关于轻骨质耐火材料的研究已有很多：

如使用多孔氧化铝作为骨料可制造出一种低密度尖晶石-氧化铝钢包浇注的轻质耐磨衬里耐火材料;通过原位孔形成技术可制备出一系列轻质多孔骨料(氧化铝，莫来石，尖晶石和堇青石)。

关键词：

轻骨质耐火材料的原理、制造与应用