耐火材料常用的25种原材料须具备的技术性能要求

耐火材料属无机非金属材料范畴，是高温行业不可或缺的的基础性材料，主要应用于钢铁、建材、有色、机械、石油化工等行业。这些行业的发展都离不开耐火材料的进步，耐火材料工业已成为我国国民经济发展的根本保障，为高温行业的持续稳定发展保驾护航。近二十多年来，我国耐火材料工业得到迅猛发展，己成为世界上最大的耐火材料生产和消耗大国，同时也成为世界上最大的耐火材料出口大国。耐火材料需求量的增加，直接刺激了上游原材料的飞速发展，原材料的再加工也是未来重要的发展方向。

耐火材料主要由镁砂、铝矾土、石墨、氧化铝、硅石等无机非金属材料，外加一定量添加剂，经一定比例配置而成。无机非金属矿材料在耐火材料领域应用非常广泛，巨大的耐火材料需求量给无机非金属矿材料带来了广阔的市场空间。

常见的主要无机非金属矿材料在耐火材料中的应用情况如下。

1、高铝原料

高铝原料是指氧化铝含量≥48%的铝硅系耐火原料，主要包括高铝矾土、莫来石、刚玉、蓝晶石族矿物等，是耐火材料最主要的主体原材料之一。

1.1高铝矾土

高铝矾土是指煅烧后，氧化铝含量在48%以上，氧化铁含量较低的天然铝土矿，是生产高铝质耐火材料的主要原料。高铝矾土几乎可以应用于所有铝硅系耐火材料，高铝砖、粘土砖、高铝浇注料等等都是采用高铝矾土作为基础主体材料，是所有耐火原材料里应用最广泛、用量最大的。

我国拥有丰富的矾土矿资源，储量位居世界前列，是世界上耐火材料用铝土矿三大出口国(中国、圭亚那和巴西)之一。中国铝土矿分布高度集中，山西、贵州、河南和广西四个省(区)的储量合计占全国总储量的90.9%(山西41.6%、贵州17.1%、河南16.7%、广西15.5%)，其余拥有铝土矿的15个省、自治区、直辖市的储量合计仅占全国总储量的9.1%。

根据国家标准对高铝矾土的分类，铝土矿原矿(生料)和耐火原料高铝矾土(熟料)详细指标如下。

表1铝土矿原矿(生料)性能指标

表2耐火原料高铝矾土(熟料)性能指标

尽管我国铝矾土储量丰富，但是每年的开采量和消耗量都非常大，同时国家政策导向把高铝矾土应用氧化铝工业，导致耐火级高铝矾土供应日益紧缺，制约了耐火行业的发展。如何利用品位较低的铝矾土是未来研究的重点。回顾我国高铝矾土生产技术发展和经验，立足于我国高铝矾土资源的开采、加工和应用，高铝矾土均质化的必要毋庸置疑，是高铝矾土资源未来的发展方向。

1.2氧化铝质原料

氧化铝质原料系指由电熔或烧结而制成的、以Ⅱ氧化铝为主晶相、氧化铝含量较高的材料，属三方晶系。常见的氧化铝质原料有工业氧化铝、烧结刚玉、电熔刚玉等。

1.2.1工业氧化铝

工业氧化铝是将矾土原料经过化学处理，除去硅、铁、钛等氧化物而制的，是高纯度氧化铝原料。主要应用于铝含量较高、杂质含量较低、使用要求严苛的高档耐火材料基质部分，如玻璃行业用电熔氧化铝砖等。

表3工业氧化铝的技术条件

α氧化铝微粉是工业氧化铝煅烧后的产物，经过粉磨工艺，其中值直径可达19m，且活性好。由于其粒径细、比表面积大，表面活化能较大、活性强，常用于不定形耐火材料中，主要作用是优化基质、促进烧结、增加流动性等施工性能，是超细粉技术的主要媒介之一。也有用于定型耐火制品中，主要作用是优化基质和促进烧结。

1.2.2烧结刚玉

烧结刚玉系指采用烧结法制得的刚玉，一般原材料采用工业氧化铝，还包括一种板状刚玉。一般认为氧化铝含量在99.3～99.7%、真密度大于等于3.99/cm3、体积密度大于等于3.439/cm3、气孔率小于等于2%的烧结氧化铝，即为耐火材料所用烧结刚玉。烧结刚玉具有高纯、致密、高导热、高强度、优良的抗热震和抗侵蚀性能等优点，主要用于生产高纯刚玉制品。

1.2.3电熔刚玉

表4电熔白刚玉理化性能指标

电熔刚玉种类较多，包括电熔白刚玉、电熔致密刚玉、电熔亚白刚玉、电熔棕刚玉等等，其中最常用的是电熔白刚玉。电熔刚玉具有高纯、致密、高导热、高强度、优良的抗侵蚀性能，耐酸碱、高温下体积稳定、气孔率低等优点，主要用于生产高纯刚玉制品。

1.3莫来石

耐火材料工业用莫来石原料一般是人工合成，有价值的天然莫来石矿很少。合成莫来石主要由烧结法和电熔法制得。莫来石具有化学组成中铝硅总量高，杂质含量少，加上莫来石特有的晶体形状，以及较小的膨胀系数等优良性能，一般用于生产中高档高铝耐火材料，可用于高温窑炉中工况条件较苛刻的部位。

表5烧结莫来石性能指标

表6电熔莫来石性能指标

烧结法合成莫来石，是以硅石、高岭石、高铝矾土和工业氧化铝为原料，按照莫来石理论组成配方，经充分混合和磨细，成型坯体，在回转窑或梭式窑中1700-1750℃高温煅烧而成。一般铝含量在65～75%，矿物组成中莫来石相86-99%，刚玉相0.5～10%，玻璃相0.2～10%。

电熔莫来石是采用工业氧化铝、优质烧结矾土、高纯硅石等为原材料，按照一定配比混合倒入电弧炉中，经熔融合成制得。一般铝含量不小于76%。

1.4蓝晶石族原料

蓝晶石族原料包括蓝晶石、红柱石和硅线石，三者属于同质异构体。蓝晶石族矿物在高温发生晶型转化的过程中，伴随体积膨胀，耐火材料引入蓝晶石族矿物也正好是利用其体积变化，抵消耐火材料在高温煅烧过程中的体积收缩，避免耐火制品开裂，实现体积稳定性，从而提高使用寿命。除此之外，蓝晶石族矿物铝硅总量高、杂质含量低也是其优势所在，因此蓝晶石族矿在耐火材料中的应用也非常普遍，主要应用于中高档耐火材料。

表7蓝晶石族原料分级

表8蓝晶石族矿物高温转化性能比较

2、硅质和半硅质原料

硅质和半硅质原料主要指二氧化硅含量较高的天然矿物原料，包括硅石、蜡石、黏土、锆英石等。

2.1硅石

硅质原料分为结晶硅石和胶结硅石，主要成分为二氧化硅，是典型的酸性耐火原料。硅石主要用于制作硅砖等高硅制品，硅砖具有硅含量高、荷重软化温度高、抵抗酸性渣或酸性溶液侵蚀的能力强，对CaO、FeO、Fe203等氧化物有良好的抵抗性，主要应用于玻璃窑大碹、热风炉、焦炉等窑炉中。

表9硅石的分类、特性及用途

表10耐火材料用硅石理化指标

2.2蜡石

蜡石质原料系指有滑腻感、以叶腊石为主的半硅质材料。我国叶腊石主要分布在福建、浙江一带。天然蜡石族矿物分为铝质蜡石、叶腊石和硅质蜡石三种。蜡石主要用于制造叶腊石砖(半硅砖)，应用于焦炉、酸性化铁炉、冶金炉烟道以及盛钢桶内衬等。

表11典型蜡石原料理化性能

2.3锆英石

表12锆英石精矿的分类和和技术条件

锆英石又称锆石，化学式Zr02·Si02，熔点2550℃，加热至1750 0C无收缩现象，线膨胀系数小。 锆英石具有化学惰性，难与酸发生反应，一些熔融金属也不与其发生反应，不易被熔渣侵蚀，抗渣性好，具有特殊的耐火性、耐温度急变性及耐腐蚀性，是一种高级耐火原料。

锆英石主要用于生产锆英石砖，用在玻璃熔窑中比较多，属于高档耐火材料。

2.4硅微粉

硅微粉又称硅灰，是生产不定形耐火材料的关键原料。硅灰种类繁多，其中应用最广、性能最佳的是铁合金厂和单晶硅厂生产中除尘收集的副产品。硅灰粒径小，比表面积大，具有极高的反应活性。用于不定形耐火材料中一方面可以提高不定形材料的流动性，另一方面也可优化基质，提高水泥结合材料的中温强度，是超细粉技术的另一个重要媒介之一。

表13硅灰技术指标

3、黏土原料

黏土是由直径小于1～2μm的多种含水硅酸盐矿物组成的混合体，其特征是在湿态和细粉状态下具有可塑性和粘性，干燥后变硬，在一定温度下玻璃化。 黏土的铝硅比越接近高岭石矿物理论值0.85，说明黏土的纯度越高，其耐火性能也就越好。

黏土在我国分布广泛，山东(焦宝石)、山西、河北、贵州、四川、广西(广西白泥)、江苏(苏州高岭土)、辽宁(紫木节)、吉林(水曲柳)、河南焦作都分布着不同品味的黏土矿。黏土原料可分为硬质黏土、软质黏土、膨润土。

3.1硬质粘土

表14焦宝石熟料技术要求

硬质粘土属于沉积矿床，颗粒极细，在水中不易分散，可塑性较低。硬质黏土一般经煅烧后变成黏土熟料，即焦宝石熟料，可作为耐火原料。耐火材料中硬质粘土直接用于耐火原料的不多，以焦宝石形式引入耐火材料比较常见。

3.2软质粘土

软质黏土又称结合黏土，一般直接用作耐火原料，添加量不超过10%，起结合剂或增塑剂的作用。软质黏土和硬质黏土相比，杂质含量高，颗粒细，遇水易分散，有较好的可塑性和粘结性。

表15耐火材料用软质及半软质黏土技术指标

3.3膨润土

膨润土在耐火材料中应用也不多，主要是利用其优异的可塑性能，用于改善耐火泥浆、耐火涂料或喷涂料的可塑性、悬浮性、黏性或者附着性、触变性等。由于其吸水量较大，为了避免引入后造成耐火材料高温下产生较大收缩，保证使用性能，一般加入量较少。

4、镁质原料

镁质原料主要由天然菱镁矿石经高温热处理制得，或从海水、盐湖水中提取富含MgO的高纯原料。菱镁矿石中国优势矿产之一，资源总量居世界之首。中国菱镁矿资源优势主要体现在类型简单(沉积变质型)、易采易选、矿石优质，不仅能满足我国需要，而且还有约50%用于出口。我国的菱镁矿资源中，辽宁省具有优势，约占全国总储量的85%，世界总储量的五分之一。

表16菱镁矿矿石标准

常用的镁质原料包括镁砂、白云石、镁橄榄石等。

4.1镁砂

按照生产工艺不同，镁砂可以分为烧结镁砂和电熔镁砂。

4.1.1烧结镁砂

烧结镁砂是将菱镁矿或轻烧氧化镁置于回转窑或竖窑中，在1500-2300℃温度范围内煅烧，使氧化镁晶体长大和致密化，转变成几乎为惰性的烧结镁砂。烧结镁砂是生产碱性耐火材料的最重要的原料之一。

表17烧结镁砂理化指标

4.1.2电熔镁砂

电熔镁砂采用较纯净的天然菱镁矿石、轻烧镁粉为原材料、在高温电弧炉内加热熔融，熔体自然冷却而成，主晶相方镁石自熔体中自由析晶长大。电熔镁砂晶粒发育更好，晶体更粗大，结构更致密，因此它比烧结镁砂更耐高温，在氧化气氛下能在2300℃以下保持稳定，高温强度和常温下抗水化性能也都比烧结镁砂优越。

表18电熔镁砂性能指标

表19白云石分级技术条件

4.2白云石

白云石矿呈乳白色，存在于自然界中。我国白云石分布广泛，储量大，原料纯度高，氧化钙含量不小于30%，氧化镁含量大于19%，钙镁比在1.40～1.68之间波动。白云石砂也叫烧结白云石，是生产镁钙制品和冶金修补料的重要原料，由煅烧天然白云石矿制得。

白云石制品拥有良好的抗侵蚀性能，用在水泥回转窑中具有良好的挂窑皮性能，能够很好的保护回转窑窑体;用于炼钢炉衬砖也具有非常优秀的表现。

表20 耐火材料用白云石化学成分

尽管如此，到目前为止烧结白云石的水化问题还没有得到有效解决，难以储存和运输，一般使用厂家都是就地煅烧并使用。单从使用效果来看，镁砖等碱性耐火材料拥有较好的高温性能，但相比于白云石制品，后者拥有更加优越的表现。因此，如何解决白云石水化问题是未来非常重要的研究方向，一旦水化问题解决，将可大范围代替传统镁砖，拥有巨大的市场潜力。

5、尖晶石质原料

尖晶石质耐火原料主要包括天然铬矿和以铬矿、菱镁矿、矾土或工业氧化铝为原料经烧结或电熔法制成的一类尖晶石族矿物原料。

表21 电熔镁铬砂理化指标

5.1天然铬铁矿

铬矿准确来讲应该叫铁铬尖晶石，但自然界并无此矿物的纯品存在，通常与镁铬矿、尖晶石、铁尖晶石等共生为由多种尖晶石晶组成的固溶体，外形呈块状，糖粒状和糜棱状。其中块状和粗晶状最适宜制砖。

5.2镁铬砂

铬镁砂是以天然菱镁石、轻烧镁粉或烧结镁砂和铬铁矿为原料，按照一定配比混合，经细磨、压球、高温煅烧或电熔合成的镁铬尖晶石砂。镁铬砂主要用于生产镁铬砖、镁铬不定形材料，广泛应用于水泥、玻璃、钢铁、有色等行业。

5.3镁铝尖晶石砂

镁铝尖晶石很少有天然存在，一般多为人工合成，具有良好的性能。采用氧化镁和氧化铝经高温烧结或电熔制得。它主要用来生产镁铝尖晶石砖、镁尖晶石砖等，广泛应用于水泥、钢铁和有色行业高温窑炉。

6、碳质原料

碳质原料具有诸多优点，广泛应用于钢铁、有色等行业，在耐火材料中使用量非常大。碳的化学性质稳定，热导率高，导电性好，线膨胀系数低，抗热冲击性强，不为大多数熔融金属所润湿，耐磨和耐腐蚀性好，用于耐火材料强度较高，但容易被氧化。含碳耐火材料属于典型的中性耐火材料，可制成焙烧炭砖、自焙碳砖、碳化硅砖及不定形炭素捣打料。

碳质原料在耐火材料中常见的有石墨、炭素材料、碳化硅等。

6.1石墨

石墨是石墨制品(如石墨黏土制品、石墨碳化硅制品)的主要原料和重要组成部分。中国是世界上天然石墨储量最多的国家，根据石墨的结晶形态可将其分为鳞片状石墨、块状石墨和无定形石墨。

表22 天然石墨工业分类

6.2炭素材料

耐火材料中使用的的炭素材料包括焦炭、无烟煤等。炭素材料在炼铁炼钢、有色冶炼中应用最为普遍。

6.2.1焦炭

焦炭是一种无定形碳，在工业生产中采用烟煤或一些含碳量高的物质(如石油沥青、渣油、煤沥青等)在高温下隔绝空气加热使之焦化的产物。煤焦化后的产物为冶金焦，石油沥青或渣油沥青焦化后的产物是石油焦，煤沥青焦化的产物是沥青焦。冶金焦主要用作高炉燃料和炼铁还原剂，也可以用来生产各种炭块和炭素电极;其它两种应用相对较少。

6.2.2无烟煤

无烟煤是生产炭砖、碳化硅、炭素电极、电极糊、底部糊的重要原料。

6.3碳化硅

碳化硅在耐火材料中也是一种非常常见的耐火原料，应用范围非常广，可以用于耐火砖和不定形材料中，有效改善产品质量和使用寿命。

7、隔热耐火原料

采用隔热耐火原料制成的保温耐火材料主要目的是降低高温窑炉散热，降低窑体自重，降低窑体外表温度。保温耐火材料在高温窑炉中的地位中至关重要，一般与重质耐火材料配套使用，形成多层复合构造，有效提高窑炉使用寿命，同时也节能环保。

7.1空心球

空心球是指将氧化铝或者氧化锆等原料熔化成液态，用压缩空气将高温熔融液体吹成小液滴，在表面张力和离心力的作用下形成空心小球。常见的材质有氧化铝空心球、氧化锆空心球等，这几种材质的空心球在耐火材料中应用广泛，可以用于生产空心球砖和保温浇注料。由于这些材质的空心球纯度高、杂质含量低、强度大，导热系数低，因此一般用于生产高档保温材料，高温性能和保温性能好，也可与火焰直接接触。

表23 空心球原料典型值

7.2漂珠

漂珠是指能浮在水面上的粉煤灰空心微珠，由燃烧煤粉炉中排放出来的煤粉灰中分离而来，多呈灰白色。漂珠化学成分波动较大，这与煤粉成分密切相关。粒度通常在20～250I.tm之间，比表面积在3000～3200cm2/g，堆积密度一般在250～400kg/m3。漂珠一般应用在保温浇注料中，由于其筒压强度较大，导热系数较低，因此将其引入的目的主要是为了提高保温浇注料的强度和降低导热系数。

表24 漂珠物理性能典型值

7.3硅藻土

硅藻土是一种成因于生物的硅质沉积岩，硅藻壳大小约5-4001am，含有大量微小气孔，孔隙率达到80%以上，因此具有优良的隔热性能。堆积密度是衡量硅藻土好坏的重要标准，堆积密度越小质量越好。硅藻土常见于生产硅藻土砖，拥有良好的隔热性能，但使用温度不能高于900℃，否则硅藻土中的二氧化硅将转化成方石英而失去保温性能。除此之外，硅藻土也有见用作不定形材料中的填充料。

表25 硅藻土一般性质

7.4珍珠岩

珍珠岩是火山喷发的酸性熔岩，在1 180～1350℃高温下发生膨胀，形成富含闭口和开口气孔的膨胀珍珠岩，膨胀倍数在7～30倍以上。膨胀珍珠岩容重小，一般在40～200kg/m3之间，热导率极低，安全使用温度在800℃以下，具有一定的耐火性能。因此，膨胀珍珠岩大量应用于保温耐火材料当中，在保温浇注料中用量非常大，主要是为了降低保温材料的导热系数，同时块状膨胀珍珠岩能提供一定的强度，广泛应用于石化行业窑炉和管道保温。除此之外，也有用膨胀珍珠岩做一些定型制品。

表26 珍珠岩矿石级别划分标准

7.5陶粒

陶粒是采用低熔点黏土、页岩、粉煤灰或煤矸石为原料，经煅烧而成的球形多孔材料。它表面光滑坚硬，内部呈蜂窝状，热导率低，强度高，是一种优质的人造轻质原料，主要用作保温耐火浇注料中的骨料。

7.6蛭石

蛭石是由黑云母、金云母等矿物组成的典型层状硅酸盐矿物，其化学成分波动较大，主要取决于云母的成分。蛭石具有加热膨胀的特点，使其应用于耐火材料领域。蛭石加热到200℃时开始发生体积膨胀，容重降低到600～900 kg/m3之间，完全灼烧后容重可以降低至100～130kg/m，，导热系数也很小，拥有良好的隔热性能。蛭石的最高使用温度可以达到1100℃，因此可以以颗粒或者细粉的形式引入，将其制成蛭石砖或者保温浇注料应用于温度稍高一点的部位。

表27膨胀蛭石的分级指标

8、其他

除了以上介绍的常用主要耐火原料以外，非氧化物耐火原料也在高档耐火材料中应用，例如碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、塞隆、ALON等等，通常添加量较小。另外，还有斜锆石、氧化锆、氧化铬、钛酸铝也在耐火材料中出现过。

结束语

以上大致介绍了无机非金属矿材在耐火材料中的应用情况。耐火材料种类繁多，材质也千变万化，无机非金属矿材在耐火材料中的应用范围非常广泛，本文仅列举了一些常见的、主要的耐火原材料，并对其进行了简单的分析，不可能面面俱到，还有很多可以应用到耐火材料行业的潜在无机非金属矿物材料，这都需要两个领域的专家、学者和实践者积极探索和研究。