耐火材料选择

耐火材料的选择

耐火材料的选择 选择耐火材料时，需要考虑以下五个最重要的因素：

（1）应用领域：不同的工业部门和设备对耐火材料的要求不同，需要根据具体的使用环境和目的选择合适的耐火材料。

（2）耐火材料类型：耐火材料按照形状、化学成分、结构特性等不同标准可以分为多种类型，每种类型有其优缺点和适用范围，需要根据实际情况进行比较和选择。

（3）操作条件：耐火材料在高温环境下会受到各种物理、化学、机械等作用，影响其性能和寿命，需要考虑耐火材料的热稳定性、抗渣性、抗侵蚀性、抗热震性、抗磨损性等指标。

（4）耐火材料质量：耐火材料的质量直接影响其使用效果和经济效益，需要考虑耐火材料的成分、结构、密度、强度、导热性等物理化学性能，以及生产工艺、检验方法、质量控制等因素。

（5）耐火材料安装：耐火材料的施工工艺对其使用效果有重要影响，需要考虑耐火材料的配比、制备、干燥、烧结、安装、维修等过程中的技术要求和操作规范。

以上五个因素并不一定按重要性排序，用户需要根据具体炉子的现有条件调整它们的顺序。对上述因素进行客观评估至关重要。

1 应用领域

选择保温材料和设计保温系统需要评估四个因素：1）热性能；2）物理性能；3）化学特性；4）成本。

1.1热性能

热性能–涉及温度极限、软化点或熔点、导热系数（或隔热性能）、比热容或储热量、热膨胀系数和抗热震性（抗剥落性）。

工作温度是选择耐火材料的重要标准。温度超过耐火材料的额定值会使其表面软化，导致快速侵蚀和失效。如果工作条件对耐火衬的加热或冷却超过了规定的范围，由此产生的热冲击会破坏耐火衬的完整性。 

o 炉子/容器的设计 -耐火衬的性能和稳定性取决于炉子的结构设计及其配置。在早期的工厂设备设计中，有时没有对耐火衬及其工程相关问题给予足够的重视。这可能会导致一些妥协，因为在详细工程的后期阶段，改变容器设计、操作条件和工艺以减少这些因素对内衬性能影响的余地有限。 

o 由于燃烧量不足，耐火衬可能会发生故障。系统内释放的热量通常大于工艺所吸收的热量，并通过墙壁散失或随烟气排出。在这种情况下，内衬有可能接近火焰温度并导致一些问题。燃烧器的类型、设计、位置、火焰形状、火焰撞击的可能性、烟气的流动模式等都可能影响衬里。在许多情况下，有限的容器尺寸、不可接近性和复杂的配置限制了在初始建造以及后续维护和修理过程中的最佳衬里做法。

1.2物理性能

物理性能–包括密度或孔隙率、耐磨性、耐磨损性和耐侵蚀性、用于电加热的电阻率、机械强度以及高温下的其他结构性能。耐火材料需要具有较高的机械强度，以抵抗负荷、冲击、磨损和侵蚀。

o 物理冲击和机械应力 - 大多数耐火材料在拉力作用下都比较脆和脆弱。大块炉料掉入空炉中很容易导致炉衬在受到冲击时开裂。如果裂纹未被注意到，熔融金属可能会渗入，从而导致水/金属爆炸。物理冲击和机械应力的突然或累积效应可导致耐火衬失效。

o 热应力 - 整个耐火衬都会受到热应力的影响，这也是选择耐火衬的主要因素。耐火衬系统或设计必须考虑热阻、膨胀缓解、防止开裂和消除内置障碍。热机械有限元分析是研究热应力和开发改善内衬性能方法的可靠工具。

o 耐火材料磨损 - 耐火内衬会因金属在炉壁上的刮擦而定期磨损。从理论上讲，耐火材料的磨损应该是均匀的，但在实践中却从未出现过这种情况。最严重的磨损发生在炉渣/金属界面、侧壁与底板的结合处，以及由于炉衬安装不当造成的薄点处。

1.3 化学方面的考虑

化学成分–包括成分的均匀性；基础材料与操作环境之间的反应；以及诸如成分或结合剂的挥发、腐蚀、化学侵蚀或扩散以及与产品的反应等问题。化学侵蚀可能来自蒸汽、氢气、一氧化碳、酸碱渣、含硫气体等气体；这些酸性气体会在衬里中引发各种问题。所有重要的操作因素和所考虑的工艺特有的任何其他标准都应进行验证，以确定其对衬里性能可能产生的影响。

o 化学和/或物理特性 熔炉工艺的化学特性通常决定了所需耐火材料的类型，尽管这并非普遍真理。硅砖是一种最酸性的耐火材料，它被成功地应用于露天炼钢炉的炉顶。在这种情况下，硅砖的物理性能，尤其是承载强度，比化学特性更为重要。可以举出许多例子来说明耐火材料的物理和化学性质必须与炉子的操作和工艺的性质相适应，才能取得成功。

1.4经济性

指初始安装劳动力、维护、修理和更换费用。应避免仅根据价格和安装方便性来选择材料。在关键设备的衬里设计中，通常会选择整体衬里系统，其中包括浇注料、喷涂料、涂层或其他设计可能更适合。这种选择可能是由于整体耐火材料便宜且易于获得，安装比砖砌耐火材料更容易，并且可以避免为复杂的砖形和铺设细节准备过多的工程图纸。在许多情况下，耐火材料生产商的建议是有偏差的，是基于他们现有的产品范围，这可能不适合所需的条件。

2 耐火材料类型

耐火材料在低温时呈准脆性，在高温时呈粘塑性。它们由于微观结构局部变化和延展性不足，强度波动较大。它们易因高温蠕变或流动、脆性和高弹性模量，在热应变和冲击作用下破坏。

要选出最适合某一熔炉的耐火材料，必须清楚各种耐火材料类型的长处和短处。通常情况下，同一炉子的不同部位会采用不同类型的耐火材料，以保证整体的耐火寿命。

各种耐火材料详细说明请见 https://www.cagtic.cn/jsxg/279.html

3 操作条件

选择材料时，要根据具体应用和操作条件的性能和规格。用户有时会抱怨："耐火材料过早失效，可我们一直按老方法操作。"这或许是真的，但有时炉内条件会悄然变化，持续很久，就够毁掉耐火衬，却不算是操作方法的变化。比如，燃烧器调节出错，使炉内气氛一下子变得高度还原；或者炉子工作温度异常升高，在修正之前就坏了锚固件；又或者原料或燃料的化学成分变了，即使它们还是从同一个地方买来的。这些实际中的变化往往不易察觉，因为除了对炉衬有影响外，它们没有其他迹象。还有一个复杂因素是，耐火材料失效后可能要过几周甚至几个月才能发现。

耐火砖、砂浆等要注意运输、装卸、及时送达、砌筑技术、合适的设备（比如浇注料搅拌机、安装振动器、模板等）。

用户想要节约能源和资金。节约燃料有两个办法：一是保温，二是提高工作效率。这两个办法都能减少每吨产品的能耗成本。

4 耐火材料质量

耐火材料是热工设备正常运行以及工厂安全和盈利运行的关键。耐火材料要能在正常情况下达到相似的使用寿命，才算是性能合理。如果不能达到正常或平均的性能和使用寿命，就是耐火衬过早失效。

最常见的耐火材料问题有：

（1）热桥（外壳温度升高）；

（2）过度开裂；

（3）耐火衬剥落（热剥落、机械剥落、结构剥落）；

（4）耐火衬侵蚀和消耗；

（5）来自工艺气体（如氢气、一氧化碳、二氧化硫、碱）、烟道气（硫、钠、钒）、蒸汽等的化学侵蚀/腐蚀；

（6）耐火材料和金属部件的酸性气体露点腐蚀；

（7）耐火衬部分熔化和退化；

（8）过度收缩和开裂；

（9）锚固件失效，耐火衬与外壳脱离；

（10）耐火材料上的金属保护层失效；

（11）在干燥过程中出现爆炸性剥落；

（12）机械损坏。

对于关键应用，不能只根据耐火材料检测项目数据表或目录规格或同等原则来购买材料。一定要验证具体耐火材料产品或品牌的各种性能指标，并进行记录，与类似产品或品牌进行对比。

应用时，要审查生产设施和质量控制程序，对重要性能进行抽查和测试，这是必不可少的。

5 安装及施工

耐火材料的正确安装与选择合适的材料同样重要。如果材料在安装过程中压实不足，可能会形成空隙或密度低的区域，从而形成容易被熔融金属侵蚀的薄弱点。保持适当的膨胀间隙、正确的砖和整体尺寸、固定锚固件等对于提高耐火材料的使用寿命非常重要。

耐火材料施工的一些重要方面包括：

（1）粘结：砖砌工程中的粘结是指砖与砖之间的接缝以预先确定的方式在各个方向错开。这样可以确保结构的稳定性和气密性。在熔融金属熔渣或含尘气体高速运动导致耐火材料严重磨损的炉子热面，建议采用全炉顶结构。在炉壁需要间歇性修补的情况下，工作层应与主炉壁分开建造。

（2）炉壁厚度：在决定炉壁厚度时应考虑结构的稳定性。作为一种良好的工程实践，在没有适当锚固的情况下，使用115毫米厚砖砌筑的炉壁高度不应超过一米。从稳定性的角度来看，最小厚度应在230毫米左右，随着高度的增加，厚度可适当增加。在使用碱性耐火材料时，使用带有锚固装置的金属板可提高炉壁的稳定性。炉壁与炉体结构的锚固应采用滑动方式，以防止耐火材料在加热和冷却过程中发生移动。

（3）接缝：接缝是耐火衬内壁的一小部分，但有两个重要功能。

  a）拼装：将一块块（砖或砌块）拼装在一起；

  b）吸收热膨胀并限制耐火衬中产生的应力。

接缝可以是砂浆接缝（即带有基体和空隙的粒状材料）或干接缝（无砂浆）。无论哪种情况，接缝界面的应力/应变行为都大不相同。在室温下，接缝的可压缩性约为20%。在1200°C时，砂浆的塑性越来越大，其可压缩性接近50%。 

（4）砂浆接缝：砂浆接缝可提高建筑的稳定性。它还可以通过提供均匀的垫层表面来解决尺寸上 的细微差别以及翘曲问题。砂浆的化学和物理性质应与所连接砖块的化学和物理性质相同。 砂浆的可加工性非常重要，没有可加工性就不可能有好的施工效果。当一块砖与另一块砖敲击时，涂抹在砖表面的多余砂浆应从边缘流出，以确保接缝饱满，没有空隙。

（5）膨胀缝：如前所述，耐火材料在加热时会膨胀。在施工时，应在不产生可能导致耐火材料失效的过大应力的情况下为这种膨胀做出适当规定。通常，在施工过程中会设置膨胀缝。根据特定耐火材料在工作温度下的膨胀特性进行必要的预留。应注意检查膨胀预留量，实际上理论膨胀量的一半就足够了。剩下的二分之一将被砖与砖之间的接缝或干接缝吸收。

（6）结构支撑：耐火材料通常由钢壳或拉杆结构框架固定，因为其他原因造成的结构失效会导致耐火材料的部分失效或限制耐火材料的完全坍塌。耐火材料的排列、形状等也同样重要。 同样重要的是，结构不应过热，在需要的地方应充分隔热。 （7）砌筑工艺：良好的砌筑工艺极为重要，但还涉及其他因素，如伸缩缝的适当尺寸和位置、拱的升高或炉壁 的厚度等，这些都属于砌筑工艺的范畴。如果耐火衬的砌筑方法不当，或者在储存或运输过程 中发生变形，那么耐火衬的厚度就会不均匀，可能会在预期使用寿命结束之前提前失效。

（7）安装：耐火材料的安装绝不能由没有建筑行业经验的砖瓦匠来完成。业主/用户必须确保砖瓦匠的负责人了解高温炉的工作。必须遵守耐火材料生产商规定的安装、干燥和烧结程序。

6 耐火材料选型的关键点

（1）反应/磨损随温度升高呈指数增长

（2）温度循环将导致裂纹、强度下降和材料剥落

（3）强度并非越强越好 

（4） 耐火衬寿命由 "最薄弱环节 "控制

（5）使用寿命更短，成本效益更高

（6）耐火材料制造应使用高纯度、超细材料

（7） 微结构工程–骨料形状的控制非常重要。

7 总结

耐火材料的设计和选择应在仔细分析使用条件、耐火材料的可用性、厚度要求、锚固性、安装方便性以及未来维修和维护的基础上进行。

充分了解有效的操作条件，如温度、压力、化学侵蚀、热冲击、磨损、侵蚀、炉气成分、机械运动、振动等，对于优化炉衬设计和耐火材料的选择非常有用。

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耐火材料是一种广泛应用于冶金、建筑、化工等行业的高温材料，它具有良好的耐火性、抗热震性、抗化学腐蚀性等特点。耐火材料的性能检测是保证其质量和使用寿命的重要环节，需要采用专业的检测设备和标准方法进行。国磨质检，拥有先进的检测设备和资深的技术人员，能够为客户提供全面、准确、快速的检测服务。国磨质检耐火材料检测中心能够对耐火材料进行以下方面的检测：

耐火砖：包括常规耐火砖、特种耐火砖等，能够检测其物理性能（如体积密度、吸水率、抗压强度等）、化学性能（如氧化铝含量、碱金属氧化物含量等）、热性能（如荷重软化温度、线膨胀系数等）等指标。

不定形耐火材料：包括喷涂料、涂层料、堵口料、胶泥等，能够检测其物理性能（如含水量、可塑性指数、透气度等）、化学性能（如碱金属氧化物含量、残碳含量等）、热性能（如耐火度、导热系数、抗热震性等）等指标。

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