耐火材料是耐火度不低于1500℃的無機非金屬材料，用作高溫窯爐與高溫容器等熱工設備的結構材料及高溫裝置中的元部件材料。耐火材料是為高溫技術服務的基礎材料，主要應用于鋼鐵工業(yè)、有色金屬工業(yè)、建筑材料工業(yè)、石油化學工業(yè)、機械工業(yè)等部門。
國民經濟噸鋼產量所消耗的耐火材料公斤數(shù)稱耐火材料綜合消耗指標。它是衡量一個國家工業(yè)水平，尤其是耐火材料質量的重要標志。中國1949年以后，歷年來耐火材料綜合消耗指標變化見圖。從圖中看出，中國自1950年以來，消耗指標有明顯的降低，但與工業(yè)先進國家相比仍高出3～6倍，主要原因是耐火材料品種與質螢不能完全適應工業(yè)發(fā)展的要求。冶金行業(yè)消耗耐火材料量約占總消耗量的60%～70%。工業(yè)發(fā)展的歷史證明，耐火材料的品種和質量對冶金技術，尤其是鋼鐵冶煉技術的發(fā)展起著關鍵作用，而冶煉技術的革新與進步，又對耐火材料的更新?lián)Q代提出更高的要求。兩者互為促進，相輔相成，共同發(fā)展。
耐火材料組織結構對使用性能的影響 耐火材料在高溫使用過程中承受各種物理、化學作用的影響，發(fā)生熔蝕、磨損或崩裂而導致?lián)p毀。因此耐火材料必須具備適應各種工作條件的性能，而性能與組成及結構有著極為密切的關系。
化學組成是耐火材料的基本特征，主要成分則是耐火材料特征的基礎，因此成分和數(shù)量直接決定著耐火材料的性能。耐火材料制品同時又是礦物組成體，制品的性質是其組成礦物和微觀結構的綜合反映，因此不能單純從化學組成來分析對制品性能的影響。而耐火制品的礦物組成又取決于其化學組成和工藝條件。盡管化學組成相同，如果加工條件不同，所形成礦物相的種類、數(shù)量及晶態(tài)也會有差別，制品的性能亦各異。但是，必須強調指出耐火材料宏觀組織結構也是影響使用性能的重要因素，而性能指標又能反映出耐火材料的內在結構。例如：表示致密程度的性質氣孔率、體積密度、真密度；表示氣體透過難易程度的性質——透氣度；表示熱學性能的性質——線膨脹系數(shù)、熱導率、熱容及溫度傳導性；表示力學性能的性質——常溫和高溫耐壓強度、高溫抗折強度、高溫扭轉強度、高溫蠕變性及彈性模量；表示高溫性能的性質——耐火度、高溫荷重軟化溫度、高溫體積穩(wěn)定性、抗熱震性及抗渣性。因此，使用部門必須從熱工設備的特點及工藝要求出發(fā)，根據(jù)耐火材料的化學組成、礦物與微觀結構、宏觀組織與性能指標進行精心選擇，以達到預期的使用效果。
爐窯用耐火材料 主要介紹冶金行業(yè)爐窯所用的耐火材料。
焦爐發(fā)展的趨勢是擴大炭化室容積及減薄燃燒室和炭化室之間的隔墻，以縮短結焦時間并提高生產能力。焦爐的爐頂、燃燒室、炭化室、斜道區(qū)及蓄熱室主要采用硅磚，其余部分使用粘土磚，爐頭部分則采用高鋁磚。砌筑現(xiàn)代化大型焦爐要求采用高強度、高密度低膨脹硅磚，以強化爐體結構并提高爐墻的導熱效果。高爐及熱風爐 高爐日趨大型化，并采用高壓爐頂、高風溫、綜合噴吹以及微機控制等新技術強化冶煉，因而耐火材料使用條件極為苛刻。高爐爐喉、爐身一般采用粘土磚或高鋁磚，爐腰和爐腹采用莫來石磚、剛玉磚及鉻剛玉磚等。20世紀70年代開始使用氮化硅結合的碳化硅磚等特殊耐火材料。爐缸大多采用碳磚、微孔與超微孔碳磚，以及陶瓷耐火材料與碳磚的復合材料砌筑。
熱風爐用耐火材料的選擇主要取決于熱風溫度，當風溫低于900℃，普遍采用粘土磚；風溫900～1000℃時，高溫部位的襯磚與格子磚則選用高鋁磚、莫來石磚或硅線石磚；風溫高于1100℃，必須選用低蠕變性的高鋁磚、莫來石磚、硅磚及堇青石磚作為襯磚及格子磚。
鐵水預處理設施 鐵水預處理是生產優(yōu)質不銹鋼和低磷鋼，提高轉爐精煉效率的重要措施。鐵水在脫硅、脫磷及脫硫過程中，由于熔劑的作用，爐渣堿度從0.5波動至3.0以上，對容器的內襯產生嚴重的侵蝕。鐵水預處理容器渣線部位用不燒Al2O3-Si2-C磚砌筑，渣線以下則采用不同檔次的Al2O3-Si2-C磚。氧氣轉爐 轉爐的發(fā)展方向為大型化、高溫化及頂?shù)讖痛祷?。由于爐身各部位使用條件的差異，爐襯侵蝕速度極不均一。故選用不同品種與質量的襯磚綜合砌筑。爐口、爐帽、爐身裝料側、渣線、耳軸部位、出鋼口及爐底風口部位等易損區(qū)主要采用鎂碳磚、鎂白云石碳磚，其它部位及爐底風口部位等易損區(qū)主要采用鎂碳磚、鎂白云磚及燒成油浸鎂白云石磚等。
電爐 電爐發(fā)展的方向為高功率和超高功率電爐及直流電弧爐。前者的特點是單位時間內輸入的熱能大幅度增加，熔化時間顯著縮短，對耐火材料的要求更加苛刻。后者則具有節(jié)約電能與石墨電極消耗低等經濟效益。爐頂由硅磚改用Al2O3為75％～85％的高鋁磚、直接結合鎂磚、鎂鉻磚及鎂碳磚。作為薄弱環(huán)節(jié)的爐墻渣線區(qū)和熱點部位主要選用熔鑄鎂鉻磚、直接結合或再結合鎂鉻磚及鎂碳磚。熔池堤坡上部的渣線部位多采用與爐墻熱點部位相同或類似的磚，爐底以燒結良好的鎂砂或電熔鎂砂搗打制成。直流電弧爐由于增加了底電極，爐底結構較復雜，所用材質相同，但對導電性能有一定要求，壽命也相應低些。
半成品
半成品
平爐 平爐已逐漸被氧氣轉爐取代。中國仍保留了部分平爐。自采用氧氣頂吹操作后，強化了冶煉強度，爐襯損毀較快。爐頂已從過去采用硅磚，改為鎂鋁磚，鎂鉻磚及方鎂石一鎂鋁鉻復合尖晶石磚。爐底工作層為電熔鎂砂燒結層，堤坡全部采用鎂磚。沉渣室頂用高鋁磚或鎂鋁磚砌筑，蓄熱室下部格子磚采用粘土磚，中、上部則用高鋁磚，上部也有使用鎂橄欖石磚的。
爐外精煉爐 爐外精煉技術的采用是生產潔凈鋼、提高初煉爐效率及保證連鑄順行的重要手段。迄今i耐用于工業(yè)生產的爐外精煉方法雖多達數(shù)十種，但脫氣、排除雜質、調整成分與調節(jié)溫度等精煉操作大多在盛鋼桶中完成。精煉裝置用耐火材料在高溫、真空及爐渣堿度與鋼液中氧氣濃度變化大的環(huán)境下，并經受熱震蕩及鋼液與爐渣的沖刷與侵蝕，因而對其質量要求極為嚴格。根據(jù)精煉工藝及應用部位的不同，最常用的有鎂碳磚、鎂白云石碳磚、直接結合鎂磚、鎂鉻磚、電熔再結合鎂鉻磚及熔鑄鎂鉻磚等。鋼纖維增強高鋁澆注料、低水泥澆注料及無水泥低水分澆注料等亦開始應用。(見爐外精煉用耐火材料)
鑄鋼設備 連鑄中間罐主要使用硅質或鎂質絕熱板作內襯，罐內安裝的過濾器主要為氧化鈣質、氧化鋯質、氧化鋁質或氧化鋯一氧化鋁質耐火材料。整體塞棒主要采用鋁碳質材料，滑動水口現(xiàn)采用鋁碳質、莫來石質、剛玉質、鉻剛玉質與鋁碳質滑板。長水口則采用熔融石英及鋁碳質材料，亦有采用氧化鋁氧化鋯質復合材料的，浸入式水口現(xiàn)主要采用鋁碳及鋁碳鋯碳質復合材料。定徑水口主要用鋯英石質或鋯質材料。水平連鑄用分離環(huán)從主要選用單一的氮化物進而采用氮化硅～氮化硼與賽隆氮化硼等復合材料。盛鋼桶用耐火材料，由于多爐連鑄和冶煉潔凈鋼的需要，盛鋼桶容積不斷擴大，鋼水溫度提高，盛鋼時間延長及對鋼水吹氬等綜合因素的影響，耐火材料使用條件日益苛刻。發(fā)展趨勢之一是渣線和其它易損蝕部位采用鎂白云石碳磚、鋁鎂尖晶石磚、鎂鉻磚、鎂碳磚和鎂鋁碳磚等。另一趨勢是內襯整體化，采用鎂鋯質等澆注料以模型芯振動法成型。(見鑄錠用耐火材料，連續(xù)鑄鋼用耐火材料)
加熱爐、均熱爐與熱處理爐 此類爐子操作溫度除均熱爐在液態(tài)排渣時可達1500℃外，一般均不超過1400C。但爐底和爐墻根部常受熔融氧化鐵皮渣的侵蝕，損毀較為嚴重，加熱爐爐底工作層用磚從高鋁磚或鎂磚改用電熔莫來石磚或剛玉磚。其余部位采用的耐火材料除粘土磚、高鋁磚外，還使用高鋁水泥或磷酸鹽耐火澆注料預制塊，高鋁碳化硅澆注料。爐內滑道低溫區(qū)采用耐熱鑄鋼與高鋁一碳化硅座磚，高溫區(qū)則采用棕剛玉一碳化硅座磚。此外，為了節(jié)約能源還大量使用耐火纖維，漂珠磚等隔熱材料。(見加熱爐用耐火材料、均熱爐用耐火材料、熱處理爐用耐火材料)
有色金屬冶煉爐 有色金屬種類繁多，冶煉方法不一，熔體熔化溫度低，流動性好，排渣量大，但物料焙燒與金屬冶煉爐的溫度不高。對耐火材料有特定的要求，耐火材料耗量約占總用量的5％～8％。20世紀80年代以來，有色金屬工業(yè)技術進步，迅速發(fā)展了閃速熔煉、富氧吹煉及閃速焙燒等新技術，對耐火材料性能的要求愈來愈苛刻，尤其是爐體的關鍵部位要求更為嚴格。除使用粘土磚、硅磚及高鋁磚外，高強度不定形耐火材料與耐火纖維制品，碳質與碳化硅制品以及直接結合鎂鉻磚與熔鑄鎂鉻磚等等，均已在不同領域中應用。(見煉銅爐用耐火材料、煉鋅爐用耐火材料、煉鉛爐用耐火材料、煉鎳爐用耐火材料、煉鋁用耐火材料)
耐火材料應用的特點 隨著工業(yè)的發(fā)展，耐火材料應用范圍不斷擴大，耐火材料功能日益顯著，耐火材料單耗大幅度下降。耐火材料應用范圍不斷擴大隨著冶煉技術的發(fā)展，耐火材料的品種與質量發(fā)生重大變化。從氧化物和硅酸鹽為主演變?yōu)橐匝趸?、非氧化物和石墨復合為?/span>(含以非氧化物為主)。如高爐爐身用氮化硅結合的碳化硅制品逐步取代高鋁磚和剛玉制品。鎂碳磚與鎂白云石碳磚已廣泛應用于氧氣轉爐、電爐，并擴大至爐外精煉裝置與盛鋼桶。碳結合制品，如鋁碳質、鋯碳質、鋁鋯碳質等制品已成為連鑄用耐火材料的主要制品。氧化鋁一碳化硅一碳質制品已成功地用于砌筑鐵水預處理裝置上。熔鑄鎂鉻磚、燒結鎂鉻磚及碳化硅磚等在有色金屬冶煉領域中得到充分的應用。
氧化物制品如氧化鎂、氧化鋁、氧化鉻及氧化鋯等也隨著使用要求的提高得到了發(fā)展，其中也包括相應的不定形材料與隔熱耐火制品。
制品品種、質量的改進與提高，原料也從以天然為主演變到以天然精選和人工合成并用。加工工藝更加嚴格遵循精料、精配、精混、高壓、高溫、精整與采用復合技術及引用微米級超細粉配料等原則。通過調節(jié)控制顯微結構特征，改善、提高高溫性能，優(yōu)化力學性能，抗熱震性能和抗侵蝕性能，并借無損檢測手段，嚴格控制質量。
不定形耐火材料應用范圍從低、中溫領域向高溫領域逐步擴大，不定形耐火材料作為新型筑爐材料，具有生產周期短、節(jié)省生產能耗、施工簡便、使用過程中整體性強及綜合使用效果好等優(yōu)點，已受到日益廣泛的重視，有進一步取代某些燒成制品的趨勢。其中澆注料由于低水泥、超低水泥和無水泥耐火澆注料的相繼開發(fā)以及人工合成原料與電熔原料的采用，品種不斷擴大，質量明顯提高，其用量約占不定形耐火材料總用量的50％。不定形耐火材料應用的范圍已從低中溫領域向高溫領域，由氣氛爐向接觸金屬熔液的熔煉爐發(fā)展。如燒結機的點火爐和保溫爐采用高鋁可塑料作為內襯，壽命已超過磚砌內襯。高爐出鐵溝采用剛玉、碳化硅等高級合成原料配制的澆注料內襯，經連續(xù)修補，通鐵量可達50～100萬t，滿足了高爐強化冶煉的要求。又如，水冷及爐底出鋼電爐，在每噸鋼消耗5～6kg耐火材料中，不定形料占4～5kg。采用優(yōu)質原料澆注振動成型的整體化盛鋼桶內襯已成為構筑桶襯的發(fā)展方向。連鑄用不定形耐火材料品種增加，部位日益擴大，如鎂鉻質涂料用作中間罐工作層，超低水泥結合的致密高強澆注料制成的凈化鋼水的擋渣堰板等均取得了成功。爐外精煉方面以鋼纖維補強的高純鋁鎂質澆注料成功地應用于CAS浸漬管；以電熔超高鋁水泥結合的剛玉質澆注料用作RH的吸管內襯等均取得滿意的效果。加熱爐從采用高鋁水泥結合的澆注料、可塑料，改進為粘土結合澆注料。使用壽命顯著超過粘土磚。
