不定形耐火材料是不经预先烧成、松散状混合物交货和成型烘烤后即可直接使用的新型耐火材料,亦称为不烧耐火材料或散状耐火材料。用该材料能做成无接缝的衬体和构筑物,故称整体耐火材料。过去,不定形耐火材料普遍用水泥作结合剂,因此称为耐火混凝土。到20世纪70年代模,我国仍将各种不定形耐火材料,习惯上统称为耐火混凝土,并制订了产品标准检验方法。
不定形耐火材料与烧成耐火砖相比具有很多优点:
(1)不需要庞大的压砖机和烧成热工设备,工厂占地面积小,因此设备费用和基建投资均比较低;
(2)能源消耗少,仅为耐火砖的1/15~1/20;
(3)劳动强度低,生产效率比耐火砖的高3~8倍;
(4)成品便于储存和运输,能实现机械化筑炉,施工效率比砌砖的高5~15倍;
(5)能任意造型,制成整体衬体,可提高其使用寿命30%~150%,有的高达几倍;同时,无接缝,气密性好,散热损失少,可节约能源;
(6)能修补窑炉,延长其使用寿命,提高炉子作业率。因此,不定形耐火材料的发展速度很快,以日本为例,1980年不定形耐火材料占耐火材料总产量的34.8%,到2000年达到59.2%,已超过定型制品的产量。我国1999年不定形耐火材料占其总产量的32.3%,相当于日本1980年的水平。
不定形耐火材料的历史较久,即有冶铁和炼铜等技术以来,就用不烧耐火材料。进入20世纪,特别是1918年法国首先烧成矾土水泥,开创了不定形耐火材料的新时代。根据不定形耐火材料的特征和应用状况,可分为三个发展阶段:第一阶段比较漫长,从1918年开始到20世纪60年代中期,主要采用水泥、水玻璃和磷酸盐等结合剂,与普通耐火骨料和粉料配制呈不定形耐火材料,在锅炉、管式加热炉、热处理炉、轧钢加热炉、烟囱和热工设备基础等部位上,得到广泛应用,提高了使用寿命,但衬体易剥落;第二阶段从60年代中期到70年代末,开发了硫酸铝、聚合氯化铝、聚磷酸钠、铝酸盐水泥和粘土等结合剂,研制成功了耐火投射料、火焰喷射料、耐火可塑料和粘土结合耐火浇注料等一大批新品种,提高了材料的高温使用性能,增加了材料的施工方法,扩大了材料的应用范围。耐火可塑料定形耐火材料更新换代的重要标志,粘土结合耐火浇注料是不定形耐火材料中的一颗璀璨明珠。该料的开发成功,形成了这个阶段的特色,促进了轧钢加热炉炉型的更新,基本克服了窑炉衬体剥落的缺陷,获得了显著的经济效益;第三阶段从20世纪80年代开始至今,采用复合结合剂、超微粉及高效外加剂,用高纯矾土熟料、刚玉、莫来石、碳化硅和人工合成等原材料,配制成功低水泥系列耐火浇注料、新技术耐火浇注料和新施工法材料等新品种,其特点是子结合、自烧结和自膨胀,性能显著提高,应用范围与烧成耐火砖基本相似,已进入各种高温熔炼炉及其附属热工设备,并获得良好的使用效果。总之,采用超微粉技术,开发低水泥系列耐火浇注料和新技术耐火浇注料等,并进入高温熔炼炉,是这个阶段的重要标志,也是今后的发展方向。
随着不定形耐火材料的发展,其品种也随着变化。耐火可塑料和耐火捣打料因需人工捣打,劳动强度大,施工速度蛮,有被耐火浇注料代替的趋势,所以产量急剧下降,其比例约为5%;为了提高施工速度或使用的需要,延长窑炉及热工设备的寿命,推动了耐火喷涂料、耐火修补料及涂抹料的发展,其产量比例分别约为24%和16%;耐火浇注料一直是不定形耐火材料的主要品种,呈发展趋势。应当指出,粘土结合耐火浇注料和低水泥耐火浇注料等系列高级浇注料的面世,极大的促进了耐火浇注料的发展,2000年的产量比例达到45%左右。在国内外,不定形耐火材料的品种结构,与日本的类同。
我国不定形耐火材料近10年有较大发展,品种较齐全,高级耐火浇注料已基本开发成功,但推广不够。其发展的特点是:
(1)品种多样化、适用化;
(2)材料高纯化、致密化;
(3)临界粒径25mm、颗粒级配合理化;
(4)不定形耐火材料定型化、功能化。
在国外,有专业化的工厂生产不定形耐火材料,装备好、自动控制配料、连续生产,产品质量好;在国内,也相继建成了高水平的专业化工厂或车间,生产不定形耐火材料。同时,乡镇企业中也有专业化工厂或车间,生产不定形耐火材料。无锡太湖耐火材料厂等单位,引进德国气流磨生产超微粉,为高级不定形耐火材料的开发,奠定了基础。总之,不定形耐火材料实现了专业化生产,保证了产品质量,有利于推广,因此将促进不定形耐火材料的蓬勃发展。
在我国,不定形耐火材料的科研工作受到高度重视,组建了专业技术队伍,进行了基础理论研究工作,开发了新品种新材料。同时,增添了高级检测仪器设备,制订了各种规程和标准,保证了产品质量,也为设计和施工提供了依据。今后,要加强推广应用工作,进行炉衬损毁机理探讨,开发新品种,研制复合材料和轻质高强材料,提高产品质量,特别要重视施工机具、施工方法和应用技术的研究与开发,以便提高不定形耐火材料产量,促进我国耐火材料品种结构的更新换代。