耐火材料(卷名：矿冶)
refractories
能满足高温条件下使用要求的无机非金属材料，如热工设备中的内衬结构材料，高温容器材料，高温装置中的元件、部件材料等。通常规定耐火材料的耐火度在1580℃以上。耐火材料与高温技术相伴出现，古代耐火材料大致起源于青铜器时代中期(公元前约18世纪)，使用经过简单加工的天然耐火原料。如直接采用天然耐火岩石（泡沙石等）或以粘土（单独的或与碳混合的）夯打筑炉（见冶金史）。19世纪上半叶，先后制成了粘土砖和硅砖，在炼铁高炉和炼钢炉中使用，这是近代耐火材料的开端。到20世纪上半叶，粘土砖和硅砖等的质量不断提高，品种日益增多。这个时期发展出铬质、铬镁质、镁质和高铝质等高级耐火材料。
50年代以来，研制的耐火材料有：①优质高效新品种，包括所谓的“直接结合”砖、电熔再结合砖、镁碳砖、熔铸砖等以碱性和高铝为中心的高级耐火制品。适应冶金和其他高温新技术发展的需要；②散状耐火材料，目前这类材料已占耐火材料总产量的三分之一以上，(见不定形耐火材料)；③特殊耐火材料，以适应现代冶金新技术、原子能、宇航技术的发展；④耐火纤维材料为主的一系列新型轻质耐火材料，以适应节能的需要（见耐火纤维制品）。
分类 耐火材料品种繁多，通常按化学特性或化学-矿物组成分类。
按化学特性分类 可分为：①以氧化硅为主要成分的酸性耐火材料；②以氧化镁、氧化钙为主要成分的碱性耐火材料；③以氧化铝、三氧化二铬和碳为主要成分的中性耐火材料。
按制品化学－矿物组成分类 可分为：①硅质制品，如硅砖、熔融石英制品;②硅酸铝质制品，如粘土砖、半硅砖、高铝砖等；以氧化铝和氧化硅为基本化学组成的耐火材料中，通常可以根据制品中氧化铝和氧化硅含量多少分为：硅质制品（氧化硅大于93％）、半硅质制品(氧化铝占15～30％)、粘土质制品(氧化铝占30～48％)、高铝质制品（氧化铝占48～90％）和刚玉砖（氧化铝大于90％）。其相组成关系见图1；③镁质、镁铬质和白云石质制品，如镁砖、镁铝砖、镁铬砖、白云石砖等(见镁质砖)；④碳质制品，如碳砖、石墨粘土制品等；⑤锆质制品，如锆英石砖、锆莫来石砖、锆刚玉砖等；⑥特殊耐火材料，如纯氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等制品。
按制品耐火度高低分类 可分为普通耐火材料（耐火度 1580～1770℃）、高级耐火材料（耐火度 1770～2000℃）和特殊耐火材料（耐火度大于2000℃）。
此外，可按制品形状和尺寸分为标型砖、异型砖和特异型砖；按制造工艺分为定形耐火材料和不定形耐火材料。
性质 耐火材料主要是由多种氧化物及其所形成的矿物组成，化学成分和矿物组成之间是互相联系的。矿物组成是指制品中所形成的矿物相的种类、数量、结晶大小和分布结合情况等。一般用化学分析方法测定氧化物含量；通过偏光显微镜、电子显微镜、差热分析、Ｘ射线分析等，鉴定矿物组成和显微结构。
耐火材料的宏观组织包括显气孔率、体积密度、透气度等，力学性质包括常温耐压强度、抗折和抗张强度、耐磨损性、弹性模量等，都是判断制品质量和控制生产工艺过程的重要指标。热胀系数、比热和热导率（热导系数）等热学性质则对热工设备的修砌、设计及热平衡计算有重要意义。
高温使用性质包括耐火度、高温结构强度(包括高温荷重软化温度、高温耐压或抗折强度、高温蠕变性等)、高温体积稳定性（或称重烧线胀缩）、热稳定性（或称耐崩裂性、抗热震性）和抗渣性，是衡量和检验耐火材料质量的重要技术指标。耐火度是表示耐火材料锥形试样抵抗高温(不软化熔倒)的性能，是区分耐火材料和非耐火材料、普通耐火材料和高级耐火材料的重要指标。高温荷重软化温度是表示耐火材料制品承受高温和荷重的共同作用的性能。高温体积稳定性是表示加热至高温后，耐火材料制品尺寸的不可逆的减小或增加。两者都是确定所选用的耐火材料可在什么温度下使用，同时也是窑炉结构设计的依据。耐火材料制品对于急冷急热的温度变动的抵抗性能，称为热稳定性。对于在使用过程中，经受温度波动变化较大的窑炉部位要选用热稳定性好的耐火材料。
耐火原料 可分为天然的和人工合成的两大类：
天然耐火原料 主要有:①硅质耐火原料，如结晶硅石、胶结硅石等;②耐火粘土，如硬质粘土、软质粘土等；③天然高铝原料，如高铝矾土、硅线石族矿物等；④菱镁矿；⑤白云石；⑥铬铁矿［(Fe，Mg)O·(Cr，Al)2O3］；⑦锆英石(ZrO2·SiO2)。中国拥有丰富的耐火原料资源，特别是菱镁矿和高铝矾土，储量大，品位高，是发展优质耐火制品的有利条件。
人工合成耐火原料 近十多年来发展很快。主要有海水镁砂、烧结刚玉、合成莫来石、碳化硅等。人工合成耐火原料质地纯净，组织结构致密，化学组成易于控制，可以制造各种高级耐火材料。
生产工艺 各种耐火材料制品（烧成砖或不烧成砖、制成焦油结合砖、熔铸砖或不定形耐火材料等）的工艺流程的一般原则，大致如图2所示，具体生产方法则随品种而有所区别；几个主要工序如下：
煅烧 大部分耐火原料，在制砖前要经过煅烧。这是因为它们在高温作用下重量和体积都会发生变化，如果采用全生料制砖，一般会使砖坯的体积发生很大变化，甚至会出现大量的变形和开裂的废品。粘土、高铝矾土的煅烧温度一般为1350～1550℃，失重15％左右；菱镁矿、白云石的煅烧温度一般为1650～1850℃，失重50％左右。煅烧设备主要有竖窑和回转窑。
原料加工 主要包括原料的拣选、破碎和粉碎、细磨和筛分。拣选是选出混入的杂物、生烧料、未烧尽的燃料块和熔瘤块，以确保原料质量。磨碎和筛分是为了将块状原料制备成具有一定粒度组成的颗粒，以供配料。
泥料制备 主要包括配料、混合、困料等工序。配料是按各种物料的重量和颗粒组成的适当比例配合，以保证成型后坯体的密实和制品的性能符合要求。混合过程就是使泥料中各组成分，经混炼后达到均匀分布。困料就是把混合的泥料，在一定的温度和湿度条件下贮放一定时间以改善泥料成型性能的过程。随着生产技术水平的提高，大部分耐火材料制品的生产已取消了困料工序。
成型 借助于外力(压力)作用，使松散的泥料获得一定形状、尺寸和尽可能致密的坯体。砖坯的致密程度决定着烧成品的致密度。成型方法通常有：注浆法、可塑法、半干法（包括干法）、熔铸法和等静压法。通常多用半干法机压成型。机压成型的主要设备有各种类型的摩擦压砖机、杠杆压砖机、回转压砖机以及高压液压机等。对于大型和特异型制品，则可采用振动成型、气锤捣固或手工捣打成型。
烧成 成型后的半成品一般都要经过干燥后烧成。入窑砖坯水分过高，容易开裂。经干燥后的砖坯，强度有很大提高，可降低运输及装窑过程中的破损率。
在烧成过程中产生一系列物理化学变化。坯体在高温作用下，密度和强度提高，形成高温稳定晶相，并产生体积变化。根据产品特性，应制订一个合理的烧成制度;一般分为四个阶段，即预热、烧成、保温和冷却。烧成设备有倒焰窑和隧道窑。目前，以隧道窑为主，但对生产量小或形体特殊的耐火制品，倒焰窑仍有一定的使用价值。
使用 耐火材料必须具备在高温使用条件下，能够抵抗各种物理、化学以及机械作用的性能。正确选用耐火材料，对高温设备的长时间正常运转有重要意义。选用耐火材料的基本原则是：①技术合理性。选择与使用条件相适应的、能保证设备正常运转、寿命较长、不易损毁的耐火材料。②综合经济效果。不仅要考虑耐火材料自身价格，而且还要考虑由于选用耐火材料而影响到的技术经济指标和生产能力等综合经济效果。
目前，耐火材料在各产业部门的消费比例大致如下：钢铁60％，有色金属4％，机械5％，水泥、玻璃、陶瓷等13％，化工4％，其他14％。
钢铁工业消费的耐火材料占总产量一半以上，耐火材料的生产和发展同钢铁工业密切相关。70年代后期，世界钢产量约为7.0～7.5亿吨，耐火材料产量约为2500～3000万吨。随着耐火材料质量提高，高级优质品种增多，以及钢铁工业向大型化、自动化、连续化方向发展，生产每吨钢消耗的耐火材料近年已有所减小。
耐火材料的品种和质量对高温技术尤其是冶炼技术的发展起重要作用。如氧气转炉炉衬用耐火材料的发展（例如采用烧成油浸砖等），提高了炉龄；连续铸钢采用浸入式水口和保护渣浇铸，对解决板坯纵裂，提高钢坯质量起了很大作用。大量事例说明，现代冶炼新技术的发展有赖于优质耐火材料的开发。近十多年来，耐火纤维和空心球等新型轻质耐火材料的推广应用，对发展轻型结构窑炉、降低工业炉能源消耗起着重要作用。