耐火材料工艺学将耐火材料描述为:一类组成复杂、结构复杂、服役环境复杂、主要在高温下使用的无机非金属材料。在现代冶金、建材、军工、航空航天等行业中,耐火材料要承受超高温、机械冲击、化学侵蚀等复杂苛刻的服役条件,不仅是现代高温工业的基础材料,更是实现高温新技术所必需的功能性材料。
狭义上的耐火材料是指耐火度不低于1580℃用于筑炉的一类无机非金属超高温材料(即:传统内涵下的耐火材料),一般具有以下主要特性:
1)高温稳定性:有良好的高温耐久性,在高温下不发生熔融或显著的物理或化学变化。
2)耐热震性:能够承受高低温的快速变化而不发生开裂、剥落或损坏情况。
3)耐腐蚀性:高温下能够抵抗一种或多种类型的化学侵蚀,如氧化、还原及其它强腐蚀氛围。
4)机械强度:用于高温结构件时,能保持足够的机械强度,能够承受磨损、冲击等负荷。
在化学组成上,传统耐火材料主要包括氧化物耐火材料(如氧化铝、氧化镁)、非氧化物耐火材料(如碳化硅、氮化硅)以及特殊耐火材料(如锆英石、尖晶石)等;在制品形态上,这类材料则一般分为定形耐火材料(如耐火砖、耐火板等,具有固定的形状和尺寸,便于施工和安装)和不定形耐火材料(如耐火浇注料、喷补料、可塑料等,呈粉末或浆状,可根据需要现场成型,适用于复杂形状的构筑物或修补工作)。
现代工业对超高温材料的性能要求越来越高,所需求的类型也越来越多。在中国不同行业间的交流中,“耐火材料”这一术语的概念外延已经有所扩展,常简称为“耐材”,不再局限于传统意义上的耐火材料概念,其范畴现已延伸涵盖越来越多的新型高温材料。
因此,广义上的耐火材料是指凡其物化性能满足某特定高温(一般不低于500℃)环境下使用要求的不燃性材料。其外延除包括传统的耐火材料外,还涵盖各种新型无机高温材料,以及一些经过特殊处理或设计的合金材料和复合高温材料(如先进陶瓷材料和隔热型耐火材料等),广泛应用于冶金、化工、建筑、能源、无机材料、汽车、航空航天、军工、电器制造等众多行业领域。
就广义而言,耐火材料按其应用属性可大致分为筑炉结构用耐火材料、保温隔热用耐火材料以及超高温结构用耐火材料,简要介绍如下:
1)筑炉结构用耐火材料
筑炉结构用耐火材料主要用于构建和维护高温工业炉的各种结构部件,如炉衬、炉顶、炉底等。这些材料需要具备高耐火度、良好的机械强度和抗化学侵蚀能力。
主要应用领域包括:冶金工业(钢铁冶炼炉、铁合金炉、有色金属熔炼炉等)、炼化工业(裂解炉、催化裂化炉、氨合成炉、重整炉、加氢炉等)、玻璃工业(玻璃熔化炉、浮法玻璃生产线等)、陶瓷工业(陶瓷烧成窑、隧道窑、梭式窑等)、水泥工业(水泥回转窑、立窑等)以及电力工业(燃煤锅炉、燃气轮机等)等等。
2)保温隔热用耐火材料
保温隔热用耐火材料主要用于减少设备系统的热量损失,提高设备系统的热效率。这类材料需要具备低导热性、轻质、耐高温等特点,包括各种耐火纤维制品、新型超级隔热材料(如微纳绝热材料、纳奇保温材料等)、不定形粉体隔热材料等。
除涵盖上述筑炉用耐火材料的应用领域外,保温隔热用耐火材料还广泛应用于各种高温反应器、高温设备、航空航天发动机等工业领域和新兴行业。
隔热用耐火材料的高温隔热性能对设备系统的热效率至关重要,并直接影响到设备系统的工艺控制、生产环境乃至产品质量。
3)超高温结构用耐火材料
超高温结构用耐火材料主要用于需要承受极高温度(通常超过1800℃)的特殊应用场合。这些材料需要具备极高的耐火度、良好的热稳定性、机械强度和抗化学侵蚀能力。
主要应用领域包括:航空航天(火箭发动机喷嘴、高温隔热屏、热防护系统等)、核电工业(核反应堆保护材料、高温气冷堆的结构材料等)、特种冶金(高温熔炼炉、单晶生长炉等)、先进陶瓷制造(高温烧结炉、陶瓷基复合材料的制备等)、太阳能热发电(高温集热器、储热材料等)、新材料开发(高温合成炉、高温反应器等)以及科学研究(高温实验设备、高温测试装置等)。
也有些耐火材料同时具备结构支撑和保温隔热的双重功能。例如,某些轻质耐火砖和轻质隔热型浇注料,因其兼具较好的机械强度和更优的隔热性能,而适用于对热管理要求较高的高温设备系统。