鹼性耐火材料

鹼性耐火材料是指以氧化鎂（MgO）、氧化鈣（CaO）或氧化鎂和氧化鈣為主要成分的耐火材料。主要用於鹼性鍊鋼爐、有色金屬冶煉爐、玻璃和水泥工業用窯爐及其他熱工設備。

鹼性耐火材料的品種很多，按化學礦物組成可分為鎂質、鎂尖晶石質、白雲石質、橄欖石質、石灰石質等。若按其他方法分類，可分為燒成鹼性耐火製品和不燒鹼性耐火製品及燒成油浸鹼性製品等。不燒鹼性製品是指焦油結合製品，品種有瀝青結合鎂磚、白雲石磚和鎂白雲石磚等、燒成油浸鹼性製品是指燒成製品經過瀝青浸漬，品種有油浸鎂白雲石磚、鎂磚、白雲石磚和石灰磚等。

鹼性耐火材料的耐火度高，抗鹼性渣和鐵渣能力強，熱膨脹率較大，熱震穩定性一般較差，抗水化性較差，在常温下蒸氣壓較低，在高温減壓工作時，耐火材料因揮發而損耗，揮發速度與耐火材料的蒸氣壓成正比，氣相的相對分子質量越大，揮發量越大。鹼性耐火材料在常温下是電的不良導體，隨温度的提高，電阻率減小，導電性增強。 ^[2] 

鹼性耐火材料在整個19世紀用得不多，最早使用鎂磚的歷史可追溯到1868年。隨着奧地利Veitsch礦的發現和開採，1880年後鎂磚的應用迅速增加。1900年左右，鎂磚已用於轉爐、平爐、混鐵爐和水泥窯，它們解決了冶金的迫切問題，其應用繼續增長至1930年。1930年初期，鎂鉻製品在北美、法國和英國差不多同時首次出現於商業市場，最早的專利出現於1915年的英國，這一專利因受第一次世界大戰的影響沒有及時投入生產。

不燒鹼性磚的應用始於美國，1920年在平爐使用，到1935年燒成與化學結合的鎂鉻耐火材料的生產已穩固得到建立，並以鉻鎂磚為主，這種磚之所以得到推廣使用，是因為它們的性能比單純的鎂磚或鉻磚優越。這種磚在高温下體積比較穩定，熱穩定性較好，它們的化學性質是鹼性，因而能抵抗鹼性平爐渣的侵蝕，並可與平爐頂的硅磚直接接觸。此外，它們的高温強度也優於鎂磚或鉻磚。

1933年左右，法國、澳大利亞兩國首先試用鹼性爐頂，獲得相當成功的經驗，英國在1934年採用了這種鹼性爐頂設計，1939年有六個鋼廠進行了全鹼性平爐試驗。前蘇聯亦在1935年進行了這方面的實驗，北美於1941年將鹼性磚試用於爐頂，到1944年才進行整座鹼性爐頂試驗。在整個以上階段的實際應用過程中，逐步發現了這種材料普遍存在爆脹崩裂以及溶劑遷移和燒成膨脹等缺陷。由此化學結合製品得到了充分的重視，出現了各種不同結合劑的化學結合磚專利，結合劑有硫酸鹽、硅酸鈉、亞硫酸紙漿廢液並配合加入少量黏土。同燒成製品一樣，化學結合鎂鉻製品也發現剝落損壞，温度急劇變化是引起這種損壞的主要原因之一。由於存在以上不足，直到20世紀50年代末60年代初開始出現直接結合磚這一概念。在美國，這些新的概念迅速演化成為商品，直接結合的鹼性磚在1961年末就已出現於市場。這些磚馬上就取得了成功，並幾乎在爐子結構中承受應力和爐渣侵蝕嚴重之處完全取代化學結合磚。

1952年熔鑄鹼性耐火材料開始得到應用。電弧爐法是熔化耐火氧化物最經濟的方法。與化學結合或燒成的耐火材料相比，用熔鑄方法制得的耐火材料是最出色的。

鎂鈣系耐火材料具有熔點高、儲量大、抗鹼性渣侵蝕能力強等特點，因此早在18世紀就已應用在冶金行業中。1872年英國試驗使用了石灰耐火材料，因CaO易水化而失敗。從1878年開始，天然白雲石作為一種耐火材料用於酸式轉爐的內襯，其目的是從鐵水中除去磷。第二次世界大戰後，白雲石耐火材料開始正式生產，但世界產量極少。

20世紀50年代後出現氧氣頂吹轉爐鍊鋼法，穩定性白雲石耐火材料用於轉爐爐襯曾起過積極作用，但產量未有大幅提高，且製品常發生水化和粉化。

進入20世紀60年代後，鹼性轉爐鍊鋼法在全世界範圍迅速取代主要的平爐鍊鋼法，作為鍊鋼用的鎂鈣系耐火材料變得十分重要，許多研究者又繼續對鎂鈣系耐火材料進行了研究，併產生了一些積極的成果。

從20世紀80年代開始，日本開發了CaO磚，用於鍊鋼中，隨後研究逐漸增多。隨着鋼鐵冶煉技術的不斷進步，鋼材質量不斷提高，潔淨鋼、優質鋼需求增多。這一階段各國已普遍採用了連鑄鍊鋼技術，特別是爐外精煉技術，對耐火材料質量要求越來越高，除要求耐火材料能承受各種苛刻的使用條件外，還不能污染鋼水，因而鎂鈣系耐火材料顯示出了其他耐火材料無法比擬的優良特性，得到了進一步廣泛開發。

高純燒結尖晶石的生產始於1980年前後，它使尖晶石耐火材料的價格比用電熔尖晶石時更低；由於原料較純，使尖晶石耐火材料的性能也得到提高。不但用於水泥迴轉窯，在玻璃窯蓄熱室、平爐頂及鋼包內襯都取得了良好的使用效果，鎂鋁尖晶石的消耗量不斷增加。

我國在20世紀80年代後期也對合成尖晶石進行了大量的研究與試生產，特別是針對我國具有豐富的高質量菱鎂礦和鋁礬土資源的特點，開發了鋁礬土基尖晶石，用於鋼包襯磚和澆注料取得了一定的效果。 ^[3] 

鹼性耐火材料主要品種有以下幾種。

1．鎂磚

鎂磚（Magnesia Brick）是指MgO含量在80%以上，以燒結鎂砂為主要原料製備的鹼性耐火製品。鎂磚分為燒成鎂磚和不燒鎂磚；根據結合相不同，又可以分為硅酸鹽結合、直接結合和再結合鎂磚。燒成鎂磚一般在隧道窯中燒成。由於鎂磚能經受高温熱負荷、流體的流動衝擊和鋼液與強鹼性熔渣的化學侵蝕。因此，凡遭受上述作用的冶煉爐的內襯，如轉爐、電爐、化鐵爐、有色金屬冶煉爐、均熱爐和加熱爐的爐牀，以及水泥窯和玻璃窯蓄熱室等設備都可使用此種耐火製品。但因其耐熱震性較差。故不宜使用於温度急劇變化之處。另外，由於其熱膨脹性較大和荷重軟化温度較低，故用於高温窯爐爐頂時必須用吊掛方式。

2．鎂鉻質耐火材料

鎂鉻質耐火材料（Magnesia Chrome Refractory）是由鎂砂與鉻鐵礦製成且以鎂砂為主要成分的耐火材料，其主要物相為方鎂石和尖晶石。按照化學組成分為鉻磚（

≥25%，

<25%）、鉻鎂磚（25%≤

<55%）和鎂鉻磚（55%≤

<80%）。按結合方式分為普通鎂鉻磚、直接結合鎂鉻磚、再結合鎂鉻磚、半再結合鎂鉻磚、熔鑄鎂鉻磚等。鎂鉻質耐火製品的耐火度高，高温強度大，抗熱震性優良，抗鹼性渣侵蝕性強，對酸性渣也有一定的適應性，且具有良好的掛窯皮性，因此，主要用於鋼鐵冶金中的爐外精煉爐、有色金屬冶煉爐、水泥迴轉窯過渡帶和燒成帶、石灰窯以及玻璃窯的蓄熱室等部位。

鎂鉻磚在鹼性條件下使用容易產生六價鉻。這在水泥迴轉窯中更加顯著，由於六價鉻對環境及人體有危害，自20世紀80年代後期以來，鎂鉻質耐火材料的生產和使用出現下降趨勢，無鉻化成為發展趨勢。

3．方鎂石-尖晶石耐火材料

方鎂石-尖晶石耐火材料（Magnesia Spinel Refractory）是指以方鎂石與尖晶石為主晶相的耐火材料，通常方鎂石的含量較高。鎂鋁尖晶石是

二元系統中唯一的中間化合物，化學式為

，理論含量為MgO 28.3%、

71.7%。實踐表明，

含量為5%～12%的方鎂石-尖晶石製品耐高温，抗侵蝕性強，抗熱震性好，可用作鍊鋼用中間包擋渣牆、鋼包滑板等。

含量為10%～20%的方鎂石-尖晶石製品抗熱震性優良，適於水泥窯和石灰窯過渡帶、燒成帶等；

含量為15%～25%的方鎂石-尖晶石製品抗

和鹼性硫酸鹽侵蝕的能力優越，可作為玻璃窯蓄熱室格子磚等。

方鎂石-尖品石耐火材料被認為是鎂鉻製品的重要替代材料之一。但方鎂石-尖晶石製品的熱導率比鎂鉻製品高，製品中的尖晶石組分在過熱條件下易與水泥熟料中的

或

反應生成低熔點的

導致窯皮燒流，造成製品蝕損和掛窯皮性差。在使用低品位煤和替代燃料的迴轉窯系統中其使用壽命會縮短。

4．方鎂石-鐵鋁尖晶石耐火材料

方鎂石-鐵鋁尖晶石材料（Magnesia Hercynite Refractory）中，鐵離子以二價的形式存在於鐵鋁尖晶石（

）構造內，可增強材料的韌性和彈性．而且與水泥熟料接觸後，鐵鋁尖晶石與水泥反應形成鐵酸鈣及鐵鋁酸四鈣，這些新相非常有助於在耐火磚工作面形成穩定窯皮。因此，方鎂石-鐵鋁尖晶石製品自出現以來已經獲得較好的使用效果，成為一種性能優良而應用前景廣闊的無鉻鹼性耐火材料，但在氧化還原變化頻繁的條件下壽命會縮短。

5．白雲石質耐火材料

白雲石質耐火材料（Doloma Refractory）是指以白雲石熟料為主要成分的鹼性耐火材料。白雲石熟料是以天然鎂和鈣的碳酸鹽或氫氧化物經煅燒後形成的緻密均勻的氧化鈣與氧化鎂的混合物。白雲石質耐火材料是現代鋼鐵工業中，特別是不鏽鋼冶煉用的重要耐火材料；由於具有良好的掛窯皮性能，在水泥窯燒成帶也有應用，但抗水化能力差是其弱點。 ^[4]