耐火材料-2.ppt

耐火材料 第一章耐火材料的组成和性质 1 耐火材料的组成和性质 耐火材料的化学矿物组成耐火材料的组织结构耐火材料的热学性质和导电性耐火材料的力学性质耐火材料的高温使用性质 2 耐火材料的使用环境 机械磨损热应力化学反应 3 耐火材料的工作条件为 高温 1000 1800 高温下的物理 化学 机械作用 温度的急剧变化 热冲击 对耐火材料的要求 1 耐高温 2 耐热冲击 3 高温荷重 4 抗侵蚀 4 耐火材料的性质 化学矿物组成 化学成分 组织结构 气孔率 体积密度 吸水率 真比重 透气度 力学性质 常温耐压强度 高温耐压强度及抗折强度 热学性质 导热率 高温工作性质 耐火度 荷重软化点 热震稳定性 抗渣性 高温体积稳定性 5 判定的意义 评价制品质量的标准 制定和改进生产 检查生产过程是否正确稳定的依据 正确合理选用耐火材料的重要依据 6 实验条件与实际使用条件不完全符合 仍可作为签定耐火材料质量的有效手段 随科学技术的发展和对耐火材料本身及使用损毁机理认识的深化 并不断增加检验项目 不断革新改进其方法和技术 7 耐火材料的化学矿物组成 耐火材料不是一种均匀的物质组成的 而是一种人工制成的非均质的人造岩石 其化学组成 组织结构以及所形成各种结晶形状 大小 数量及分布情况差别很大 这些差别直接影响到耐火材料的基本特性 8 为了掌握耐火材料的本质必从下述三个方面来理解耐火材料 构成耐火材料的化学组成 化学组成是以何种结合状态存在的矿物组成 这些矿物组成集合构成何种微观组织结构 9 化学组成 主成分与副成分 化学组成是构成耐火材料的基础 是耐火制品基本特征 通常按各成分含量多少和其作用分为两部分 主成分 占绝对多量的基本成分 副成分 占少量的从属的成分 原料中伴随的杂质成分 工艺过程中加入的添加成分 10 主成分是构成制品中耐火基体的成分 是耐火材料特性的基础 作为主成分可以是 氧化物 如SiO2 MgO等 元素 如各种形态的碳 非氧化物的化合物 SiC 主成分的性质和数量直接决定着制品的性质 例如镁砖中主成分为MgO 其熔点2800 化学性质为碱性氧化物 11 杂质成分的大部分在高温下起着熔剂作用 对其熔剂作用有两种看法 由于化学反应生成低熔性液相 虽然不一定是低熔性的 但在相同温度下生成的液相量较多 由于溶剂作用 降低制品耐火性能 通常视为有害成分 既使含量甚微也是不容忽视的 因此在标准内都有一定的规定 12 可从下述三方面来衡量杂质成份溶剂作用的强弱 系统中开始生成共熔液相温度的高低 单位熔剂 杂质 作用生成液相量的多少 随温度升高 液相量的增长速度 即共熔液相生成温度愈低 生成液相量愈高 液相量随温度升高增加速度愈快则杂质成分的熔剂作用愈强 对制品的耐火性能影响愈大 13 分析氧化物对SiO2的溶剂作用强弱可以排成如下顺序 Na2O Al2O3 TiO2 Fe2O3 14 比较结果为Al2O3和TiO2与SiO2都有共熔关系 共熔温度差别不大Al2O3 SiO21545 TiO2 SiO21550 在1600 0 7 含量时 液相量差别都很大 Al2O3 SiO2系为19 TiO2 SiO2系为8 所以Al2O3对SiO2的熔剂作用比TiO2强 15 除上述三个主要方面外液相的性质 如粘度大小也有影响 而用相图来分析杂质的熔剂用时注意相图是处于平衡状态 而实际制品制造和使用是不平衡的 但是仍有较大的实际意义 杂质成分是降低其耐火材料性能 起着有害作用 同时还具有降低制品 原料 的烧结温度 处进制品烧结的有利作用 应全面考虑 16 添加成分 在耐火制品中生产 为了处进其高温变化和降低烧结温度 有时加入少量添加成分 按其目的和作用不同可分为矿化剂 稳定剂和烧结剂等 除可烧掉成分都包含在制品的化学组成中 如 硅砖中加入CaO Fe2O3为矿化剂 氧化锆制品中加入CaO Y2O3作稳定剂 氧化锆制品中为降低烧成温度可加1 2TiO2 等 17 测定化学成分的作用 1 初步判定制品的基本化学特性 例 制品主成分化学特性硅砖SiO2酸性耐火材料镁砖MgO碱性耐火材料炭砖C中性耐火材料 18 测定化学成分的作用 2 判断原料的纯度 作为选取原料和制定工艺过程的依据 作为选取原料和制定工艺过程的依据 检查工艺操作过程 寻找发生某些问题的原因 耐火材料通常测定的氧化物Al2O3 SiO2 Fe2O3 CaO MgO TiO2 R2O及灼烧减量 特殊制品或原料根据要求加以分析 19 灼烧减量 简称灼减 表征原料加热分解的气态产物 如H2O CO2等 和有机物含量的多少 测灼减意义在于 判断原料加热过程中是否需要预先对其进行煅烧 是否原料体积稳定 20 矿物组成 耐火制品是矿物的组成体 制品的性质是其组成矿物和微观结构的综合反映 单纯从化学组成出发分析问题不够全面 应进一步观察其化学矿物组成 21 矿物组成和化学组成是两个不同概念又互相联系 化学成分相同 矿物组成不同 C 金刚石 石墨 TiO2 金红石 Al2O3 SiO2 红柱石 蓝晶石 硅线石 ZnS 纤维锌矿 闪锌矿 说明化学组成相同 但可成为不同的矿物 既两个不同的概念 22 制品矿物组成取决于制品的化学组成和工艺条件 例 镁质制品主要成分MgO 矿物成分为方镁石 杂质成分SiO2 CaO Fe2O3 Al2O3 又根据杂质成分中CaO SiO2分子比 111 5 2M2SCMSC3MS2C2S杂质成分中MgO与Fe2O3和Al2O3分别形成 MF MA 表明知道化学组成可估计其矿物组成 即又相互联系 23 化学组成相同的制品由于工艺条件不同所形成的矿物种类 数量 晶粒大小和结合情况也有差异 例 SiO2含量相同的硅砖 在不同工艺条件下可形成结构和性质不同的两种矿物 鳞石英和方石英 烧成温度过高 1430 后形成方石英 研究耐火材料矿物组成从 1 原料加热 2 制品制造配料间反应 3 使用中相变化来考虑 为确定工艺 鉴定质量和判断使用的重要依据 24 主晶相与基质 主晶相 是指构成制品结构的主体且熔点高的晶相 基质 结合相 是指填充在主晶相间其它不同成分的结晶矿物和玻璃相 也称结合相 25 结合相含量不多 但对制品的性质 如高温特性和耐侵蚀性 起着决定性的影响 使用时往往首先从基质开始损坏的 所以改变基质成分是改善制品性质的有效工艺措施 例 制品基质热震稳定性镁砖硅酸盐矿物 1镁铝砖尖晶石 20 25次 26 绝大多数耐火制品 按其主晶相和基质成分可分为两类 含有晶相和玻璃相作成分耐火制品 基质玻璃相 如硅砖 粘土砖 仅含晶相为成分的制品 基质为细微的结晶体 如镁砖 铬镁砖 27 耐火制品显微组织结构 耐火制品显微组织结构类型 1 陶瓷结合结构2 直接结合结构例普通镁砖直接结合镁砖1650 1700 28 杂质成分中MgO与Fe2O3和Al2O3分别形成 MF MA表明知道化学组成可估计其矿物组成 即又相互联系 29 耐火材料的宏观结构 耐火材料是由固相 包括结晶相和玻璃相 和气孔两部分构成的非均质体 其中各种形状和大小的气孔与固相之间的宏观关系 包括它们的数量和分布结合情况等 构成耐火材料的宏观组织结构 30 气孔率 体积密度 真密度 是评价耐火材料质量的重要指标 本身的意义 表征与其它性质有密切关系 热震 抗渣 透气 导热等 除真密度外 它们之间关系密切 31 气孔率 气孔存在形态分类 开口气孔 闭口气孔 贯通气孔 按气孔分布状态分类 粗颗粒与基质之间的气孔 骨料 粗颗粒 中的气孔 基质中的气孔 32 33 图2 3耐火材料和气孔率的关系1 热震稳定性 2 热膨胀系数 3 体积密度 4 热传导率 5 强度 气孔率 气孔率指制品中气孔体积占总体积的百分率 按气孔性质不同又分成 开口气孔率 显气孔率 Pa Vo Vb 100 真气孔率 总气孔率 Pt Vc Vo Vb 100 闭口气孔率 Pc Vc Vb 100 其中Vb Vo Vc分别代表总体积 开口气孔和闭口气孔的体积 34 注意 制品的气孔率指标通常用开口气孔率表示 开口气孔与外界相通对制品使用时影响较重要 在一般制品中 除熔铸制品和轻质隔热制品外 开口气体积占总气孔体积的绝对多数 闭口气孔体积则很少 闭口气孔体积难于直接测定 35 气孔率的高低与原料种类无关 主要决定于生产工艺过程 其数值可小到零或大到75 80 一般致密制品为10 28 36 吸水率 制品中全部开口气孔吸满水的重量与其干重之比 以百分率表示 吸水率Wa m m0 m0 100 其中 m 试样开口气孔中吸满水后的质量m0 干燥试样质量吸水率实质上是反映制品中开口气孔量的一个技术指标 实际生产中采取这种表示方法 主要是由于其测定简便 生产中多用来鉴定原料煅烧的质量 37 上述两项指标只表征制品内部气孔体积的多少 但不能反应气孔的大小 形态和分布状态 目前正成为研究对象 1 制品在使用过程中阻止熔渣侵蚀影响的性能 2 制品的力学性能 38 体积密度 表示制品干重与总体积之比 即制品单位体积 表观体积 的重量 db M Vb克 厘米3其中 M 干燥试样重 Vb 试样的总体积 体积密度也是表征制品致密程度的重要指标 是制品中气孔体积量和矿物组成的综合反映 只有当制品化学矿物组成一定时 此时体积密度才是衡量制品中气孔体积多少的指标 39 由于致密化是提高耐火材料质量的途径 为提高制品的体积密度 在生产上可采用控制 原料煅烧的体积密度和吸水率 砖坯的体积密度 制品的烧结程度 40 测定体积密度的意义 此指标测定较容易 生产中作为判断制品烧结程度的手段 筑炉时作为计算荷重的重要数据 对轻质隔热材料有特殊意义 划分产品种类的指标 与导热性和热容量有密切关系 41 真密度 指不包括气孔在内的单位体积耐火材料的重量 真密度dt M Vt g cm3 其中 M 干试样重Vt 试样总体积 42 比重 真比重 不包括气孔在内的单位体积耐火材料的重量与同温度下水的单位体积重量之比 即耐火材料的真密度与同温度下水的密度之比 当水的真密度等于1时 其真密度值与真比重值相等 其区别是前者单位为克 厘米3 后者为无量纲 43 测定真比重 真密度 的意义 由于各种矿物的真比重有其特有的数值 如 石英 鳞石英 方石英2 652 37 2 352 30 2 34A3S2刚玉3 053 99所以已知制品的化学组成时 可根据真比重判断制品中主要矿物成分 推断烧成中矿物转变情况和使用中可能发生的变化 44 测定真比重 真密度 的意义 反应出原料的纯度和烧结情况 例 1 烧结镁石真密度反映烧结情况和杂质情况的影响 SiO2高时镁石真密度下降 1 SiO2下降0 005 Fe2O3高镁石真密度升高 1 Fe2O3增大0 005硅砖真比重下降 石英向鳞石英 方石英转化程度越高 使用时残余膨胀越小 45 假比重 包括闭口气孔体积在内的单位体积耐火材料的重量与同温度下单位体积水的重量之比 体积比重 材料的开口气孔和闭口气孔体积都计入总体积之内 46 二 透气度 透气度是表示气体通过耐火制品难易程度的特性值 测定透气度的意义透气度是影响使用寿命的因数 透气度 熔渣 气体渗透增加 损坏加剧 透气度是与热损失有关的重要性质 综上述因素 耐火制品的透气度是愈低愈好 为满足特殊的使用条件 有时也要求制品有良好的透气性 47 表示方法 耐火材料的透气度是在一定时间内 由一定压力的气体 透过一定断面和厚度的试样的数量来表示 Q p1 p2 A t d其中 Q 气体透过的数量 升 d 试样的厚度 米 A 试样的横截面积 米2 t 气体透过的时间 小时 p1 p2 试样两端的压力差 毫米水柱 透气度系数 也称透气率 48 影响耐火制品的透气度的因素 透气度主要决定于制品的组织结构 显然与气孔率有一定关系 气孔率仅表示制品内存在数量情况 而透气度还要取决于气孔的大小和相互连接的情况 制品成型时加压后的方向情况 49 提高制品的透气性 一般是通过调整配料的颗粒组成 适当减少细粉量增加中间颗粒配比等途径 50 耐火材料的热学性质和导电性 热膨胀性导热性比热容导温性导电性 51 一 热膨胀性 耐火材料的热膨胀是指其体积或长度随温度升高而增大的物理性质 可用线膨胀系数或体膨胀系数表示 也可以用线膨胀百分率或体膨胀百分率表示 当材料被加热后 温度从t1上升到t2 长度也相应地从L1变化到L2则该材料在t1到t2的温度范围内 平均线膨胀系数为 L2 L1 L1 t2 t1 52 在恒压条件下 当t1 t2上式的极限值即为真线膨胀系数 1 L dL dt 体积膨胀率 1 V dV dt 其膨胀百分率则为 在某温度范围内制品长度变化指占原长度的百分数 L2 L1 L1 100 或 L L 100 当线膨胀系数很小 则体膨胀系数约等于线膨胀系数三倍 3 对各向异性晶体 各方向膨胀系数不同 分别为 a b c则有 a b c 53 影响热膨胀系数因素 主要取决于其化学矿物组成 对于组成相同的材料 由于结构不同 热膨胀系数也不同 材料的热膨胀与结构和键强有关 1 键强度高的热膨胀系数低 如SiC低 2 结构紧密的晶体热膨胀系数大 3 无定形的玻璃 则往往有较小的热膨胀系数 54 氧离子紧密堆积结构的氧化物热膨胀系数大 如MgO Al2O3 组成相同结构紧密的晶体热膨胀系数大 如多晶石英12 10 6 组成相同无定型 玻璃的热膨胀系数小 如石英玻璃0 5 10 6 55 各向异性 各方向上的热膨胀系数不同 如石墨平行层间热膨胀系数1 10 6 垂直层间热膨胀系数27 10 6 结构上高度各向异性材料体膨胀系数小 如堇青石 耐火材料的热膨胀系数取决于其化学矿物组成而异 当含有多晶转变晶体时导致热膨胀系数不均匀 56 测定热膨胀系数意义 对热震稳定性一直接影响 所以 其它条件相同时产生热应力 增加 E t当温度急变时制品易损坏 热震稳定性差 某些制品生产的重要参数 如复合材料 梯度材料 膨胀缝 57 58 二 导热性 概念 单位温度梯度下 单位时间内通过单位垂直面积的热量 是直接表征物质导热能力的一个重要物理量 常用单位 千焦 米 时 导热系数的表示方法 q dT dx dT dx 沿X轴方向材料内温度梯度 m q 热量密度 W m2 在 t时间内传过 F截面的热量 导热系数 W m 59 影响导热系数的因素 化学矿物组成单质的导热系数最大 耐火材料导热系数无方向性 化学组成越复杂 杂质含量越高 加入另一组分形成固溶体越多 下降越明显 矿物的晶体结构越复杂 下降越明显 如MA比MgO小 非同相晶体 在沿晶体中质点堆积比较紧密的方向 导热系数较大 晶体存在缺陷 晶界引起热散射 含有玻璃相和气相时导热系数降低 60 组织结构 气孔率升高 气孔尺寸下降 则 下降 温度 晶体有负的导热率温度系数 即d dT 0 1 玻璃体和非晶物质有正的导热率温度系数 即d dT 0 2 大部分耐火材料T 如粘土砖 硅砖 3 温度上升 导热系数下降 如镁砖 SiC砖等 61 意义 1 是高温热工设备设计中不可缺少的数据 2 对要求绝热性能良好的材料检验其导热率更是重要意义 3 直接影响制品热震稳定性的重要因素 62 三 比热容 概念 常压下加热一公斤物质使之升温1 所需热量 以kJ计 即 比热容 也称热容 单位 千焦 公斤 kJ kg 影响因素 热容大小1 取决于耐火材料的相组成 2 与材料所处温度有关 63 意义 1 设计窑炉和在蓄热砖中有重要意义 所以影响窑炉加热 冷却速度 计算蓄热室格子砖蓄热量 2 影响制品热震稳定性因素之一 热容下降 温度升高 温差下降 热震稳定性增加 64 四 导温性 表示物体加热时温度传递速度 用导温系数表示 导温系数a Cp m2 h 其中 耐火材料的导热系数 W m Cp 等压比热容 kJ kg 体积密度 g cm3 影响因素 由于耐火材料的Cp差别不大故主要取决于 和 意义 决定着温度急变时耐火制品内部温度梯度大小 65 五 导电性 通常耐火材料在常温下是电的不良导体 随着温度升高 电阻减小导电性增强 如加热至熔融状态时 则会呈现出很大的导电性 耐火材料的导电性强弱 通常用电阻率来表示 66 电阻率 电阻率 AeB T其中 电阻率T 绝对温度A B 与材料特性有关的常数杂质对耐火材料高温下的电阻率有显著的影响 电阻率随其气孔率的增加而增大 67 1 4耐火材料的力学性质耐火材料的力学性质是指材料在不同温度下的强度 弹性和塑性性质 这类性质表征材料在不同温度下抵抗因外力作用产生的各种形变和应力而不破坏的能力 68 常温力学性能常温耐压强度 表示常温下耐火材料在单位面积上所能承受的最大压力 常温耐压强度 P A 公斤 厘米2 A 试样受压面的总面积 P 压碎试样所需的极限压力 69 意义 1 检验现行工艺状况 混料 成型 烧成等 2 与其它性能检验结果综合判断制品的组织结构与质量 3 间接了解其他强度性能好坏 如耐压 抗冲击及不烧制品的结合强 度等 4 测定方法简便快速 所以作为判断制品质量的常用检验项目之一 70 常温耐压强度取决于 1 颗粒本身强度 2 颗粒间结合牢固性 3 气孔数量及存在形式 71 高温耐压强度高温抗折强度高温扭转强度 72 高温蠕变强性蠕变 当材料在高温下承受小于其极限强度的某一恒定荷重时 产生塑性变形 变形量会随时间增长而逐渐增加 甚至会使材料破坏 这种现象叫蠕变 73 耐火材料的高温蠕变性系指材料在恒定的高温和一定的荷重作用下 产生的变形和时间的关系 施加荷重不同分为 1 高温压缩蠕变 2 高温拉伸蠕变 3 高温扭转蠕变 其中压缩蠕变和抗折蠕变容易测定 所以应用较多普遍 74 高温蠕变的表示方法 变形量 和时间 小时 的关