出于科學技術的發(fā)展,在宇航、核能、冶金、電子、化工、建材、交通等行業(yè)對耐火材料不斷提出新的課題,使用條件愈來愈苛刻和特殊,普通耐火材料已滿足不了新的要求,只有具有耐高溫、抗腐蝕、髙溫化學和熱穩(wěn)定性好的特種耐火材料才能承擔這些重任,滿足使用要求。
特種耐火材料包涵的種類非常廣泛,主要有高熔點氧化物、高熔點非氧化物及由此衍生的復合化合物、金屬陶瓷、高溫涂層、高溫纖維及其增強材料。其中高熔點非氧化物通常稱難熔化合物,它又包括碳化物、氮化物、硼化物、硅化物及硫化物等。
下面,一一為大家講解。
氧化物特種耐火材料的應用
(一)氧化鋁(剛玉)特種耐火材料
由于氧化鋁材料的制品高溫性能好,比價低,得到廣泛的應用。
高純度、高密度、高性能的剛玉磚廣泛應用在鋼廠的大型高爐、大型鋼包上,取得良好的效果。在大型合成氨裝置(30萬t)的二段爐、氣化爐上,在30萬t乙烯工程的裂解爐上使用,是的爐襯材料。
高熱穩(wěn)定性剛玉磚是特種材料和制品的燒成爐、鉬絲爐、鎢棒爐、擴散爐、陶瓷金屬化爐、硅化鉬電爐等各種超高溫爐的爐襯材料。高質量的剛玉磚還在磁流體發(fā)電的熱風爐上應用。
氧化鋁空心球制品和氧化鋁纖維制品屬高溫節(jié)能型產品。由于其體積密度小,導熱系數(shù)低,是節(jié)能、降耗的理想爐襯材料。
氧化鋁精密陶瓷可制成冶煉或提純有色、稀有、貴金屬用的坩堝和墊片、高溫爐管、熱電偶保護管和絕緣瓷管、激光管、整流器管、透明鈉燈管、雷達天線罩、微波器件、鈉-硫電池殼、氣體凈化器以及火花塞等。
用氧化鋁陶瓷制成的耐磨、耐腐蝕材料,有金屬液體的過濾器、理化分析用的高溫陶瓷、化工和紡織工業(yè)機械的零件,如密封圈、閥門、柱塞泵、石油化工的觸媒載體等。
氧化鋁陶瓷在原子能和平利用上可以制成反應堆絕緣片,在生物工程上可以制成人造關節(jié)、人造牙齒等。
由于剛玉質材料的硬度非常大,僅次于金剛石,是一種很好的耐磨材料,可以制成各種切磨工具、磨料、拉絲模、化纖導絲塔輪、磨樣機的磨盤、耐磨耐高溫軸承、球磨襯罐和研磨介質球、噴砂嘴及高溫燒嘴等。
(二)氧化鎂(方鎂石)特種耐火材料
氧化鎂(方鎂石)是高荷重軟化溫度、低蠕變的堿性耐火材料。雖然它的熔點很高,達2800℃,但易于在還原氣氛中揮發(fā),使用溫度只能達到2000℃。它是超高溫窯爐的良好結構材料,也是用于工頻爐、中頻爐及高頻加熱爐的良好爐襯材料。高純鎂磚可做磁流體發(fā)電的通道爐襯材料。
氧化鎂陶瓷制品可制成有色、稀有金屬及貴金屬冶煉、提純用的氧化鎂坩堝,高溫爐管、超高溫鎢錸熱電偶保護管、絕緣瓷珠等。
(三)氧化鋯特種耐火材料
氧化鋯是酸性耐火材料,熔點為2650℃。由于其高溫化學穩(wěn)定性好,使用溫度可達2400℃,可作真空爐、鉬絲爐、燃氣爐、中高頻電爐、單晶爐等高溫爐襯材料。在冶金工業(yè)用做連鑄用定徑水口、水平連鑄的分離環(huán)。在單晶爐中可制成保溫罩和爐襯等。
氧化鋯空心球和氧化鋯纖維制品是目前氧化物當中的保溫節(jié)能爐襯材料。在高溫爐上不僅做保溫隔熱材料,而且還可直接作為爐襯材料。
氧化鋯高溫陶瓷制品可制成冶煉有色、稀有金屬、貴金屬的坩堝,以及高溫爐管和熱電偶保護管等。還可制成煙道、鋼水等高溫液體的定氧和測溫的固體電解質、陶瓷絕熱發(fā)動機及其零件、磁流體發(fā)電用電絕緣片、噴氣式飛機、導彈的絕緣和燒蝕材料、火箭的燒嘴、宇宙飛船的前錐體、鼻錐等。
氧化鋯高溫陶瓷還可以制成拉絲模、刀具、彈簧、高溫軸承、耐磨墊片、耐腐蝕泵零件以及研磨介質球等。
氧化鋯特種耐火材料還可以制成高溫電爐的發(fā)熱體、熱敏電阻、煤氣傳感器及噴涂料和澆注料等不定形耐火材料。
(四)其他氧化物(BeO、CaO、ThO2、CeO、SiO2)等特種耐火材料
氧化鈹是一種堿性特種耐火材料,特別是熱導率大、抗熱震性好、導電率低的材料,它具有良好的核性質,如對中子減速能力強,對X射線有很高的穿透力。但由于自身有很大的毒性,所以在生產和應用上受到制約。可用以制作冶煉稀有金屬和高純金屬Be、Pt、V的容器,原子反應堆的中子減速劑和反輻射材料,電子工業(yè)用做高頻、絕緣、散熱器件等。
氧化鈣也是一種堿性特種耐火材料。雖然其熔點很高,但易水化產生粉化現(xiàn)象,在應用上受到很大的限制。制品可作熔煉白金、超純鈾和有色金屬的坩堝、噴射冶金用的特種耐火材料。
氧化釷特種耐火材料,雖熔點很高為3050℃,使用溫度可達2700℃,但有放射性??勺鲆睙捊饘兮?、鋨、銠、鐳的坩堝,做原子反應堆的核燃料,還可以制作超高溫電爐的發(fā)熱元件。
氧化鈰特種耐火材料,雖然熔點很高,但易被還原。其制品可做熔煉稀土金屬的容器、低電阻半導體器件,也可做研磨材料。
氧化硅特種耐火材料,具有極低的線膨脹系數(shù),抗熱震性能極好。熔融石英制品在有色金屬冶煉中可以作為金屬液體的輸送管道,閥門和泵的內襯。熔融石英陶瓷制品可制成連鑄用長水口磚和浸入式水口磚。
在化學工業(yè)中,用石英材料做耐酸、耐蝕的容器與反應器的內襯材料。在玻璃工業(yè)中做熔池磚、拱門流環(huán)、柱塞和熱修材料。
難熔化合物特種耐火材料的應用
(一)碳及碳化物制品
碳或石墨制品廣泛應用于冶金工業(yè),其中以高爐炭磚用量,如高爐爐底、爐缸、爐腹等。炭磚還用于鋁電解槽、電石爐、鐵合金爐、電鍍工業(yè)的酸洗槽、造紙工業(yè)的溶解槽、化學工業(yè)的反應槽及貯槽、石油化工工業(yè)的高壓釜等。
石墨塊和石墨電極在煉鋼、電解鋁、電解鎂、電解鎳及電熔耐火材料等各種工業(yè)電爐上作為導電的電極材料使用。由于碳或石墨制品的導電性能很好,還用以制造碳質發(fā)熱體。
碳化物的品種很多,如SiC、B4C、ZrC、TiC、WC等。目前應用較為普遍的只有SiC、B4C、WC。
碳化硅及其制品由于具有很多優(yōu)異性能,應用為廣泛,主要有三個方面:其一是用于制造磨料、磨具;其二是用于制造非金屬電阻發(fā)熱體;其三是用于制造特種耐火材料。碳化硅制品在冶金工業(yè)中做高爐爐襯材料;在有色金屬(鋅、銅、鋁)冶煉中用于蒸餾塔、電解槽熔融金屬管道、吸送泵、坩堝等;在電瓷和陶瓷行業(yè)中可做隔燃窯的馬弗罩、棚板、匣缽及其他窯具。碳化硅陶瓷可制成高溫爐管、熱電偶管、輻射管、換熱器管、陶瓷滾棒、絕熱發(fā)動機及其零件、透平機葉片和密封環(huán)等。碳化硅制品是很好的耐磨材料,可以制成造紙機零件、氣流紡紗機噴嘴等。在化學工業(yè)中,可制成反應裝置的管、泵、閥等各種零件。還可以制成碳化硅發(fā)熱體、碳化硅纖維和晶須等。
碳化硼特種材料主要做磨料和磨具,亦可做熔煉金屬、拉單晶的坩堝、水平連鑄的分離環(huán)、金屬鑄模、熱電偶套管及原子能反應堆的控制劑、減速劑以及核燃料的覆蓋劑材料。
(二)氮化物特種耐火材料
氮化硅特種耐火材料。在冶金工業(yè)方面可做鑄造容器、輸送液態(tài)金屬的管道、閥門、泵、熱電偶套管以及非金屬冶煉的坩堝、舟皿和各種爐襯材料。利用其耐熱沖擊性大,可制造火箭噴嘴、導彈噴管的襯墊材料和其他部件。在機械工業(yè)上可制成透平葉片、渦輪葉片、汽車發(fā)動機葉片。利用其耐磨性能好的特點,可用以制造軸承滾珠和滾柱、高速紡織機的瓷件及切磨材料。在建材陶瓷工業(yè)可制成高強度、高壽命的窯具、匣缽材料。由于氮化硅材料是電絕緣體和介電體,可用作集成電路的薄膜。
氮化硼特種耐火材料。由于對熔融金屬等液體有很高的耐蝕性、耐熱性和耐熱沖擊性,可做各種熔液的容器,拉單晶的坩堝、熱電偶保護管和壓力鑄模等。由于氮化硼的電絕緣性好,可做磁流體發(fā)電裝置和等離子氣流爐的爐襯材料、高頻電絕緣材料、三極管、集成電路用的散熱片和離子火箭的噴嘴等。氮化硼還可以做潤滑劑和脫模劑,立方氮化硼制成的砂輪的耐磨性要超過用金剛石制造的砂輪。
氮化鋁特種耐火材料。由于氮化鋁是很好的耐侵蝕材料,可做熔煉金屬的坩堝、脫模劑、保護管。在煉鋁工業(yè)中做鋁真空蒸鍍用的容器。高純度氮化鋁可做煉砷化鎵和磷化鎵等半導體的容器。