耐火材料组成、结构与性质.ppt

主讲 廖桂华电话 65928200 o E mail guihua liao 第四篇耐火材料工学基础 2020 3 22 第四篇耐火材料工学基础 耐火材料是冶金 建材 化工 机械等工业高温窑炉的重要基础材料 了解它们的性能并选用合适的耐火材料对于生产控制及降低成本有重要的意义 本课程介绍常用耐火材料的基本性能 应用范围以及易懂的生产工艺与原料知识 2020 3 22 耐火材料工业曾被描绘为冶金工业和其它高温行业的 支撑工业 和 先行工业 耐火材料是高温技术的基础材料 它与高温技术 尤其是钢铁工业的发展有很密切的关系 相互依存 互为促进 共同发展 在一定的条件下 耐火材料的质量 品种对高温技术发展起着关键作用 2020 3 22 耐火材料是构筑热工设备的高温结构材料 在使用过程中除承受高温作用外 还不同程度地受到机械应力 热应力作用 高温气体 熔体以及固体介质的侵蚀 冲刷 磨损 耐火材料的质量取决于其性质 为了保证热工设备的正常运行 所选用的耐火材料必须具备能够满足和适应各种使用环境和操作条件的性质 2020 3 22 第一章绪论 1 传统的定义 耐火度不小于1580 的无机非金属材料 2 ISO的定义 耐火度不小于1500 的非金属材料及制品 一 耐火材料的定义及其性能要求 一 定义 2020 3 22 第一章绪论 1 1耐火材料的定义及其性能要求 二 对耐火材料的性能要求及其表征指标 1 足够高的耐火度 具有在足够高的温度下不软化 不熔融的性能 表征指标 耐火度 2 足够高的荷重软化温度 耐火材料在高温下能够承受大荷载及其他热机械应力 且不丧失结构强度 不发生变形坍塌的性能 表征指标 荷重软化温度 3 良好的高温体积稳定性 在使用过程中 不产生过大的体积膨胀或收缩 以免影响高温设备的结构稳定性或严密性 表征指标 重烧线变化 2020 3 22 1 1耐火材料的定义及其性能要求 二 对耐火材料的性能要求及其表征指标 4 良好的热震稳定性 耐火材料抵抗温度急剧变化而不发生开裂 剥落的能力 表征指标 材料的热膨胀系数和抗热震性指标 5 良好的抗渣性 耐火材料在使用过程中抵抗各种侵蚀性物质的化学作用而不被蚀损的能力 表征指标 抗渣性评价 6 良好的耐磨性 耐火材料在使用过程中 有时会受到高速流动的火焰 含固体颗粒的烟气 液态金属和熔渣 甚至固体物料等物质的直接冲刷或磨蚀作用 因此这时要求耐火材料要具有良好的耐磨性 表征指标 耐压强度和耐磨性 或硬度 指标 7 外形和尺寸准确 对定型制品而言 2020 3 22 1 2耐火材料的分类 耐火材料品种繁多 用途各异 有必要对耐火材料进行科学分类 以便于科学研究 合理选用和管理 耐火材料的分类方法很多 其中主要有化学属性分类法 化学矿物组成分类法 生产工艺和使用部位分类法 材料形态分类法等多种方法 按化学属性分类按化学矿物组成分类其他分类方法 2020 3 22 1 2 1按化学性质分类 耐火材料按化学属性分可分为酸性耐火材料 中性耐火材料 碱性耐火材料 按化学属性分类对于了解耐火材料的化学性质 判断耐火材料在实际使用过程中与接触物之间的化学作用情况具有重要意义 2020 3 22 1 2 1按化学性质分类 耐火材料在使用过程中除承受高温作用外 往往伴随着熔渣 液态 及气体等化学侵蚀 为了保证耐火材料在使用中有足够的抗侵蚀能力 选用的耐火材料的化学属性应与侵蚀介质的化学属性相同或接近 酸性耐火材料对酸性介质的侵蚀具有较强的抵抗能力 中性耐火材料在高温状况下对酸 碱性介质的化学侵蚀都具有一定的稳定性 尤其对弱酸 弱碱的侵蚀具有较好的抵抗能力 碱性耐火材料的耐火度都比较高 对碱性介质的化学侵蚀具有较强的抵抗能力 2020 3 22 1 2 2按化学矿物组成分类 2020 3 22 1 硅质耐火材料含SiO2在90 以上的材料通常称为硅质耐火材料 主要包括硅砖及熔融石英制品 硅砖以硅石为主要原料生产 主要矿物组成为磷石英和方石英 主要用于焦炉和玻璃窑炉等热工设备的构筑 熔融石英制品以熔融石英为主要原料生产 其主要矿物组成为石英玻璃 由于石英玻璃的膨胀系数很小 因此熔融石英制品具有优良的抗热冲击能力 1 2 2按化学矿物组成分类 2020 3 22 SiO2 Al2O3系矿物是重要的耐火原料 根据从Al2O3含量的不同 可将硅酸铝质耐火材料划分为不同的种类 表1SiO2 Al2O3系耐火材料 1 2 2按化学矿物组成分类 2 硅酸铝质耐火材料 2020 3 22 3 镁质耐火材料镁质耐火材料是指以镁砂为主要原料 以方镁石为主晶相 MgO含量大于80 的碱性耐火材料 1 2 2按化学矿物组成分类 2020 3 22 4 白云石质耐火材料以天然白云石为主要原料生产的碱性耐火材料称为白云石质耐火材料 主要化学成分为30 42 的MgO和40 60 的CaO 二者之和一般应大于90 其主要矿物成分为方镁石和方钙石 氧化钙 5 碳复合耐火材料碳复合耐火材料是指以不同形态的碳素材料与相应的耐火氧化物复合生产的耐火材料 一般而言 碳复合材料主要包括镁碳制品 镁铝碳制品 锆碳制品 铝碳制品等 1 2 2按化学矿物组成分类 2020 3 22 6 含锆耐火材料含锆耐火材料是指以氧化锆 ZrO2 锆英石等含锆材料为原料生产的耐火材料 含锆耐火材料制品通常包括锆英石制品 锆莫来石制品 锆刚玉制品等 1 2 2按化学矿物组成分类 2020 3 22 7 特种耐火材料 高技术陶瓷 上述分类所不能包括的材料 此类材料除其化学组成比较特殊 不宜归类到上述类别中外 通常它们还具有各自的较为突出的特点 如优良的热震稳定性 抗渣性等 利用这些特点往往用于特定的使用条件 特种耐火材料又可分为如下品种 碳质制品 包括碳砖和石墨制品 纯氧化物制品 包括氧化铝制品 氧化锆制品 氧化钙制品等 非氧化物制品 包括碳化硅 碳化硼 氮化硅 氮化硼 硼化锆 硼化钛 塞隆 Sialon 阿隆 Alon 制品等 1 2 2按化学矿物组成分类 2020 3 22 2 按生产工艺 可分为烧成制品 熔铸制品和不烧制品 1 根据耐火度的高低普通耐火材料 1580 1770 高级耐火材料 1770 2000 特级耐火材料 2000 超级耐火材料 3000 1 2 3其他分类方法 2020 3 22 标普型 230mm 113mm 65mm 不多于4个量尺 尺寸比 Max Min 4 1 异型 不多于2个凹角 尺寸比 Max Min 6 1 或有一个50 70 的锐角 特异型 尺寸比 Max Min 8 1 或不多于4个凹角 或有一个30 50 的锐角 1 2 3其他分类方法 3 依据形状及尺寸的不同 2020 3 22 1 3耐火材料生产的一般工艺过程 2020 3 22 1 4 1历史悠久8000年前出现了陶器 2000年前有了瓷器 后来 天然的原料开始使用 如硅线石砖 1637年 石墨粘土坩锅投入使用 我国 解放前仅有少量的耐火材料工厂 生产能力和产品质量较低 严重依赖进口 1 4耐火材料的发展 2020 3 22 1 4 2中国耐火材料工业的现状与发展1 计划经济时代 中国耐火材料由33家重点企业扶持 2 改革开放以后 随着钢铁工业的迅速发展 耐火材料行业快速发展起来 中国耐火材料产量如下表所示 一方面 连铸比和技术进步导致吨钢耐火材料消耗下降 另一方面 钢产量增加 使得1998年以后中国耐火材料产量稳定在1000万吨左右 2002年 中国吨钢消耗耐火材料20kg 日本9kg 美国10kg 1 4耐火材料的发展 2020 3 22 1 4 3存在的问题和今后的发展钢铁工业的竞争日趋激烈 耐火材料生产厂家面临更大的成本压力 洁净钢的生产对耐火材料提出了更高的要求 除了要求长寿以外 还要求对钢水无污染 材料功能化 资源与环境压力愈来愈大 可持续发展战略 如 矿山的管理 耐火材料的回收利用 环境友好耐火材料的使用 1 4耐火材料的发展 2020 3 22 第二章耐火材料的组织结构与性能 2020 3 22 各国的检验标准有所不同 由于实验室条件下的检验和实际有一定的差距 实验室的检验结果仅起到预测作用 俄罗斯 TOCT日本 JIS JapaneseIndustrialStandards 英国 BSI BritishStandardsInstitution 美国 ASTM AmericanSocietyofTestingMaterials 中国 GB 第二章耐火材料的组织结构与性能 耐火材料的性质主要包括化学 矿物组成 组织结构 力学性质 热学性质及高温使用性质等 根据这些性质可以预测耐火材料在高温环境下的使用情况 同样地 通常也要根据热工设备的工作性质与操作环境 来研制 设计 生产或选择能适应操作环境 满足使用要求的耐火材料 2020 3 22 材料的显微结构系指在显微镜下所能观察到的组织结构 其内容通常包括 物相的种类 各相的含量 形状 大小 分布状况 即各相之间的空间分布即取向关系 等 2 1耐火材料的组织结构 2020 3 22 所以 从微观上看 耐火材料是由主晶相和基质两部分组成的多相系统 所谓 基质 是指填充于主晶相之间的物质 或者说是除主晶相以外的物质 它包括玻璃相和次晶相 耐火材料的显微组织结构 a 由硅酸盐 硅酸盐晶体和玻璃体 结合物胶结主晶相颗粒的组织结构 b 由晶体 次晶相 直接结合主晶相颗粒的组织结构 2 1耐火材料的显微结构 2020 3 22 因此 绝大多数耐火材料按其矿物组成的属性可以分为两类 一类是同时含有晶相和玻璃相的制品 如粘土砖 硅砖 高铝砖等 具有a型的显微组织结构 基质由一些细晶和玻璃相构成 陶瓷结合制品 直接结合结构类型 b 的制品的高温使用性能 高温力学强度 热震稳定性 抗渣性等 要比a型结构的制品好得多 2 1耐火材料的显微结构 另一类是仅含晶相的耐火制品 其基质由细晶粒构成 如镁砖 铬镁砖等碱性耐火材料 后者具有b型的显微组织结构 也称为 直接结合制品 2020 3 22 从宏微观上看 耐火材料是由固相 包括晶相和玻璃相 与气孔两部分组成的非均质体 其中各种形状和大小的气孔与固相之间的宏观关系 数量 分布情况等 构成了材料的宏观组织结构 耐火制品中的气孔类型 1 封闭气孔 2 开口气孔 3 贯通气孔 2 1耐火材料的显微结构 2020 3 22 1 气孔率 2 吸水率 3 体积密度 4 真密度与真比重 5 透气度 2 2耐火材料的常温物理性质 2 2 1耐火材料的密度 气孔率与透气性 2020 3 22 一 气孔率 材料中的气孔类型 1 2 气孔率大小 气孔形状及分布状态对材料性能的影响 2 2耐火材料的常温物理性质 3 气孔率 2020 3 22 一 气孔率 在一般情况下 开放气孔体积占总体积的绝大多数 封闭气孔很少且难以直接测定 故常采用显气孔率来表征制品的致密程度 2 2耐火材料的常温物理性质 二 吸水率 吸水率实际上是反映制品中开放气孔量的一个技术指标 由于其便于测定 在生产中常被采用于表征原料或制品的烧结程度 烧结良好的制品或原料 其吸水率应很低 测定吸水率的意义 判断原料或制品质量的好坏 烧结与否 是否致密 同时可以预测耐火材料的抗渣性 透气性能和热震稳定性能 2020 3 22 吸水率的定义 制品中全部开放气孔吸满水的重量与制品的干燥质量之比 气孔率和吸水率指标都只能反映制品中的气孔体积的大小 而不能反映气孔的大小 形状和分布状态 2 2耐火材料的常温物理性质 2020 3 22 三 体积密度 2 体积密度也是反映制品致密程度的一个主要指标 它实际上是制品中的气孔体积量和矿物组成的综合反映 当制品的化学矿物组成一定时 体积密度越大 则意味着制品的烧结程度越高 1 体积密度的定义 制品的干燥质量与其总体积之比 即单位体积的质量 g cm3 2 2耐火材料的常温物理性质 2020 3 22 体积密度与制品性能的关系 力学性能 热学性能 导热性 热容 g cm3 四 真密度 定义 不包括气孔在内的制品单位体积的质量 g cm3 2 2耐火材料的常温物理性质 2020 3 22 五 透气度透气度是表示气体通过耐火制品难易程度的特征值 其物理意义是在一定时间内和一定压差下透过一定断面和厚度的试样的气体量 式中 Q为气体透过的数量 升 d为式样的厚度 米 A为试样的横截面积 平方米 t为气体透过时间 小时 P1 P2为试样两端气体压力差 毫米水柱 K为透气度系数 也称透气率 升 米 米2 毫米水柱 小时 2 2耐火材料的常温物理性质 显然 透气度与制品中的气孔数量 大小 形状及分布状态 开放态或封闭态 有关 2020 3 22 五 透气度 另外 气体的透过量与其粘度也有关 透过量Q与气体粘度 成反比 而气体粘度通常随温度升高而增大 因此 Q将随温度的升高而减小 为此 引入 绝对透气度系数 或 绝对透气率 它与K的关系如下 通常 耐火材料的透气性用其透气度系数K来衡量 式中 为透过气体的粘度 2020 3 22 耐火材料的力学性质是指制品在不同条件下的强度 弹性模量 断裂韧性等物理指标 表征了耐火材料抵抗外力造成的形变和应力而不破坏的能力 耐火材料的力学性质通常包括耐压强度 抗折强度 扭转强度 耐磨性 弹性模量及高温蠕变性等 2 2耐火材料的常温物理性质 2 2 2耐火材料的力学性质 2020 3 22 一 弹性模量与泊松比材料在其弹性范围内 在荷载 应力 作用下产生变形 应变 当荷载去除后 材料仍恢复原来的形状和尺寸 此时应力和应变的比值称为弹性模量 也称杨氏模量 E亦即材料在应力作用下发生弹性变形时的应力与应变之比 它表示了材料抵抗变形的能力 式中 E 弹性模量 材料所受应力 材料相对长度变化 2 2 2耐火材料的力学性质 2020 3 22 材料的弹性模量E在一定条件下是一个定值 即与外力的大小无关 属于材料的固有力学性质 从上式可以看出 材料的弹性模量愈大 在相同的应力下应变愈小 即弹性愈小 2 2 2耐火材料的力学性质 弹性模量是材料的重要弹性力学参数 它是材料中原子间结合 键合 强度的反映 键合愈强 使得原子间距增大所需的应力愈大 因而材料的弹性模量就较高 所以 弹性模量的大小是衡量材料在弹性范围内受到应力破坏之前所产生的应变量 在很大程度上反映了材料的结构特征 弹性模量小的材料可以允许有较大的应变而不破坏 反之允许的应变量就小 因此弹性模量与材料由于温度梯度造成的热应力有直接的关系 也就对材料的热震稳定性有直接的影响 一般地 材料的弹性模量与其热震稳定性呈反比关系 2020 3 22 泊松比 是指材料在拉伸试验中 由均匀分布的纵向应力所引起的所产生的横向应变 A与纵向应变 L之比 2 2 2耐火材料的力学性质 泊松比 也叫横向变形系数 它是反映材料横向变形的弹性常数 大多数无机材料的 值介于0 2 0 25 2020 3 22 二 耐压强度耐火材料的耐压强度包括常温耐压强度和高温耐压强度 分别是指常温和高温条件下 耐火材料单位面积上所能承受的最大压力 以牛顿 毫米2 或MPa 表示 可按下式计算 式中S 耐火制品的耐压强度 单位 MPa P 试样破坏时所承受的极限压力 N A 试样承受载荷的面积 mm2 2 2 2耐火材料的力学性质 2020 3 22 三 抗折强度耐火材料的抗折强度包括常温抗折强度和高温抗折强度 分别是指常温和高温条件下 耐火材料单位截面积上所能承受的极限弯曲应力 以牛顿 毫米2 或MPa 表示 它表征的是材料在常温或高温条件下抵抗弯矩的能力 采用三点弯曲法测量时 可按下式计算 式中 R 抗折强度 N mm2 MPa W 试样断裂时所施加的最大载荷 N l 试样底面两支撑点之间的距离 mm b 上刀口部位试样的宽度 mm d 上刀口部位试样的厚度mm 2 2 2耐火材料的力学性质 2020 3 22 常温耐压强度指标通常可以反映生产中工艺制度的变动 高的常温耐压强度表明制品的坯料加工质量 成型坯体结构的均一性及砖体烧结情况良好 因此 常温耐压强度也是检验现行工艺状况和制品均一性的可靠指标 耐火材料的高温耐压强度则反映了耐火材料在高温下结合状态的变化 特别是加入一定数量结合剂的耐火可塑料和浇注料 由于温度升高 结合状态发生变化时 高温耐压强度的测定更为有用 2 2 2耐火材料的力学性质 耐火材料在使用时很少由于常温下的静荷重而破坏 但是 由于常温耐压强度和抗折强度可以反映制品的烧结程度 耐磨性 以及组织结构情况 而且它们的测定也简单易行 因此 实际生产中 常温耐压强度和抗折强度是常测的两项指标 2020 3 22 四 断裂韧性韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力 是材料强度和塑性的综合表现 衡量材料韧性的力学性能指标称之为韧度 我们考察较多的是材料的冲击韧性和断裂韧性 与之对应的力学性能指标为冲击韧度 k 和断裂韧度 KIC 2 2 2耐火材料的力学性质 冲击韧性是用来评价材料在冲击载荷作用下的脆断倾向的 它是指材料在冲击加载下吸收塑性变形功和断裂功的能力 2020 3 22 材料内部的裂纹往往会导致材料发生低应力脆断 针对这种情况 通常采用断裂韧度KIC 或称断裂韧性 来评定 KIC是对材料抵抗裂纹失稳扩展的能力的度量 反映了材料抵抗低应力脆断的能力 KIC Y ca1 2 Y 与裂纹形状及加载方式有关的量 c 裂纹失稳扩展的应力 即断裂应力a 材料内部裂纹长度的一半 四 断裂韧性 2020 3 22 影响材料强度与韧性的因素 1 气孔率 体积密度 P 气孔率 f 材料断裂强度 0 气孔率为0时的强度 四 断裂韧性 2 材料的化学矿物组成与显微结构 例如 晶粒大小对材料的强度与断裂韧性有明显影响 f 材料断裂强度d 晶粒尺寸KI 与材料有关的常数 2020 3 22 五 硬度 测量方法 静载压入法根据压头和载荷的不同 主要有布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 和维氏硬度 HV 等 概念 硬度反映了材料表面抵抗其他硬物压入的能力 意义 硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化 与强度 耐磨性以及工艺性能往往存在一定对应关系 2020 3 22 五 硬度 布氏硬度 HB 概念 将一定直径的淬火钢球或硬质合金球 在规定载荷下压入被测材料的表面 并保持一定时间 然后卸除载荷 以材料表面球形压痕单位面积上所承受载荷的大小来表示被测金属材料的硬度 2020 3 22 五 硬度 洛氏硬度 HR 概念 用锥顶角120 的金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头 在一定试验力的作用下 将压头压入试样表面 经规定的保持时间后 卸除试验力 根据残余压痕深度计算被测材料的硬度 洛氏硬度值可直接从硬度计读取 2020 3 22 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围 HRC 10HBS 2020 3 22 五 硬度 维氏硬度 HV 维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同 但维氏硬度试验是用两面夹角为136 的金刚石四棱锥体作为压头 试验时测出压痕对角线长度并计算出压痕的表面积A 以F A的数值表示维氏硬度值 维氏硬度载荷小 压痕深度浅 适应于测量较薄的材料或表面硬化层的硬度 所以维氏硬度广泛用来测定金属镀层 薄片金属以及化学热处理后的表面硬度 2020 3 22 压痕面积大 能反映较大范围的组成的平均性能 数据稳定 准确 重复性强 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 优点 缺点 硬度值可直接读出 简便 压痕小 可在关键表面进行实验 代表性差 压痕清晰 数据准确可靠 载荷小 压痕浅 适合薄件 表面层 且软硬材料均适用 范围广 硬度值测定麻烦 压痕直径测量麻烦 不适于成品 薄件 2020 3 22 五 耐磨性 实际上 测定耐火材料的硬度没有多大意义 耐火材料的耐磨性更具实际意义 耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力 常用磨损率表示 A 材料的磨损量 cm3D 材料的体积密度M1 M2 磨损实验前后的质量 2020 3 22 2 2 3耐火材料的热学性质 一 热容 2 讨论热容的意义 在烘 冷窑 炉 时 筑体材料的热容会影响窑炉体的升 降 温速度 筑体材料的热容直接影响着窑炉体的蓄热量 3 影响 的因素 材料的化学组成 温度T 耐火材料的热容一般随T升高而增大 1 概念 常压条件下 加热单位质量的物质使之温度升高1 所需要的热量 单位 KJ kg 2020 3 22 2 2 3耐火材料的热学性质 一 热容 工程上所用的平均热容是指从温度T1到T2所吸收的热量的平均值 平均热容是比较粗略的 温度范围越大 精度越差 应用时要特别注意使用的温度范围 物质的热容与温度有关 对于大多数氧化物与碳化物而言 它们的热容随温度升高而增大 Cp a bT cT 2 2020 3 22 二 热导率1 概念 耐火材料的导热率是指单位温度梯度下 单位时间内通过单位垂直面积的热量 用 表示 其中 导热率 单位 焦尔 米 秒 K W m K Q t时间沿x轴方向穿过 F截面上的热量 焦耳 沿x轴方向的温度梯度 K m 1 2 2 3耐火材料的热学性质 2020 3 22 二 热导率 2 讨论 的意义 是窑炉结构设计的重要依据 涉及窑炉的保温节能设计 影响着材料 窑炉 的抗热震性 E t 3 影响 的因素 材料的化学组成 通常材料的化学组成越复杂 多 其 越小 矿物晶体结构 晶体结构越复杂的材料 其 也越小 如MgAl2O4的 比MgO和Al2O3的 都小 温度T 大部分耐火材料的 随T升高而增大 即d dT 0 但有些材料则相反 d dT 0 2020 3 22 膨胀系数是指耐火材料由室温加热至试验温度的区间内 温度每升高1 试样体积或长度的相对变化率 三 热膨胀 1 概念 耐火材料的体积或长度随着温度的升高而增大的物理性质称为热膨胀 体积密度 气孔的存在总是降低材料的热导率 故体积密度增大时 材料的 也增大 反之亦然 故轻质材料一般都可用作保温材料 3 影响热导率 的因素 材料中的气孔形状 大小 分布状态对 也有影响 一般说来 开口气孔 尤其是贯通气孔 和大气孔会使材料的 增大 2020 3 22 体积膨胀系数 1 3 热膨胀性的表示方法 线膨胀系数 1 材料的热膨胀系数是温度t的函数 不是一个定值 三 热膨胀 2 意义 窑炉结构设计的重要参数 依据 为什么留膨胀缝 可间接判断耐材热震稳定性能 2020 3 22 2 2 3耐火材料的热学性质 3 热膨胀性的表示方法 L1 V1 温度t1时的试样长度或体积 L2 V2 温度t2时的试样长度或体积 2020 3 22 三 热膨胀 影响热膨胀性的因素 物质的内部结构 通常结构紧密的 值较大 如石英晶体 12 10 6 石英玻璃 0 5 10 6 物质的化学矿物组成 键强 通常碱性耐火材料 中性耐火材料 酸性耐火材料 5 材料的热膨胀性 与其热震稳定性的关系材料因温度变化会在内部产生热应力 环境温度 通常 f t 成正比 2020 3 22 1 耐火度 2 荷重软化温度 3 高温蠕变 4 高温体积稳定性 5 热震稳定性 6 抗渣性 耐火材料制品在各种不同的窑炉中服役时 长期处于高温状态下 耐火材料耐高温的性质好坏能否满足各类窑炉工作条件的要求 是材料选用的重要依据 因此耐火制品的高温性质也是最重要的基本性质 2 3耐火材料的高温使用性质 2020 3 22 一 耐火度 2 3耐火材料的高温使用性质 概念 材料在自重作用情况下 抵抗高温作用而不破坏的能力 最高温度 b 表征方法 c 影响因素 主要是化学组成 铝硅比 铁与碱氧化物含量 实验条件 如升温速度 炉内气氛 试锥安装倾斜程度等 2020 3 22 耐火材料达到耐火度时实际上已不具有机械强度了 因此耐火度的高低与材料的允许使用温度并不等同 也就是说耐火度不是材料的使用温度上限 只有综合考虑材料的其它性能和使用条件 才能作为合理选用耐火材料的参考依据 以镁砖为例 其耐火度高达2000 以上 但允许使用温度大大低于耐火度 耐火度的意义 评价原料纯度和难熔程度 一 耐火度 一些耐火材料的耐火度 粘土砖 1610 1750 硅砖 1690 1730 高铝砖 1770 2000 镁砖 2000 2020 3 22 二 荷重软化温度 2 3耐火材料的高温使用性质 1 概念 在一定外加荷重情况下 材料抵抗高温作用而不破坏的性质 其表示形式也是一个温度值 高温荷软温度是耐火材料的一个极其重要的性能指标 它在一定程度上反映了制品在与其使用条件下相仿的条件下的结构强度与变形情况 2 测定方法 按规定制样 安置于炉中并施加一定荷重 通常是200KPa 按一定速率均匀连续地升温 分别测定试样被压缩0 6 4 和40 时的温度 并获得试样的温度 变形曲线 2020 3 22 2 测定方法 试样尺寸 36 50或 50 50外加荷重 200KPa 二 荷重软化温度 各种耐火材料的荷重变形曲线 1 高铝砖 Al2O370 2 硅砖 3 镁砖 4 粘土砖 5 半硅砖 6 粘土砖 2020 3 22 3 影响荷重软化温度的因素 材料的化学矿物组成 材料的显微组织结构 致密程度 晶相含量 晶界数量 玻璃相的组成及含量等 实验条件 升温速度 气氛 炉内温度的均匀性等 测定荷软的意义 可以作为确定材料最高使用温度的参考 几个定义 i 压缩0 6 0 3mm 时的温度 荷重软化开始温度Ts 即通称的 荷软温度 ii 压缩40 20mm 时的温度 荷重软化终止温度Te 即通称的 坍塌温度 二 荷重软化温度 2020 3 22 三 高温蠕变性能耐火材料的高温蠕变性能是指在某一恒定的温度以及固定载荷下 材料的形变与时间的关系 根据施加荷重形式的不同可分如高温压缩蠕变 高温拉伸蠕变 高温抗折蠕变等 由于高温压缩与高温抗折蠕变较易测定 故应用较多 我国通常采用压缩蠕变 高温压缩蠕变的表示方法 一般以某一恒定温度 和恒定荷重 MPa 条件下 制品的变形量 与时间 h 的关系曲线即蠕变曲线来表示 也可用某一时段内 如25 50小时 制品的变形量 来表示 2 3耐火材料的高温使用性质 2020 3 22 概念 高温蠕变系指材料在一定高温条件下 承受一定外加应力作用时 随时间变化而发生的等温变形的现象 当耐火材料在高温下承受某一恒定荷重W时 W 耐压强度 会产生塑性变形 且变形量会随时间的延长而增大 直至材料最终破坏 因此 对于耐火材料的质量 不能仅仅考虑其强度指标 还需同时考虑温度和时间的效应 而高温蠕变性正是综合地反映了应力 温度 时间同时作用于耐火材料时的效应 故其为一个极其重要的性能指标 2 3耐火材料的高温使用性质 三 高温蠕变性能 2020 3 22 表示方法 高温蠕变性通常用材料在恒温 恒定荷重情况下的变形率 和时间 t 的关系曲线 或采用在此情况下经过若干小时后的变形率 来表示 如某高铝制品的蠕变率为 0 3 1400 50h 2Kg cm2 Li 试样原始高度 mmL0 恒温开始时的试样高度 mmLn 恒温n小时的高度 mm 三 高温蠕变性能 根据对材料施加的荷重性质不同 高温蠕变性分为高温压 拉伸 扭转 蠕变几种 其中高温压蠕变测定容易 故应用较多 即通常所说的 高温蠕变 均指的是压蠕变 2020 3 22 三 高温蠕变性能 2020 3 22 影响材料高温蠕变性的因素 材料的化学矿物组成 尤其是玻璃相的组成和含量 材料的显微组织结构 结构致密 组织均匀 晶粒粗大 晶界少 的材料 其蠕变率小 实验 使用 条件 温度 荷重 气氛等 三 高温蠕变性能 测定耐材高温蠕变意义 研究耐材在高温下应力作用产生的组织结构变化 检验制品质量 评价生产工艺 窑炉设计中预测耐火制品在实际应用中承受负荷的变化 评价制品的使用性能等 2020 3 22 四 高温体积稳定性 1 概念 材料在长期经受高温作用时 其外形体积 尺寸 保持稳定的性质 2 表征方法 以试样的重烧线变化 L 或重烧体积变化 V 表示材料的高温体积稳定性 测定方法 按规定制样 准确测量其有关尺寸 之后安置于炉中均温区 按一定速率均匀升温至实验温度 并保温3 5h 然后停止实验使之冷却至常温 再测定试样重烧后的长度尺寸或体积 按下式计算试样的重烧尺寸变化 2020 3 22 四 高温体积稳定性 重烧体积变化的大小表征了耐火制品的高温体积稳定性 对高温窑炉等热工设备的结构及工况的稳定性具有十分重要的意义 测定意义 可用以衡量材料的烧结情况 2020 3 22 四 高温体积稳定性 3 材料产生重烧线 体积 变化的原因 所用原料未充分烧结 制品在烧成过程中 其间发生的化学反应未充分进行完全 或者制品中尚存有未充分烧结的部分 1 概念 耐火材料抵抗温度急剧变化而不破坏的性质 或称抗热震性 热稳定性 五 热震稳定性 2020 3 22 耐火材料因热震破坏有两种类型 五 热震稳定性 热震试验后的耐火材料电镜图片 2020 3 22 2 测试和表征方法 有几种 可以根据要求加以选择 主要考虑加热温度 冷却方式 风冷或水冷 和试样受热部位等实验条件 2 1热交换次数表示法 将长条状试样 或标型砖 的一端在炉内加热至一定高温并保温一定时间 以使其被加热部分的内外温度一致 然后取出在流动冷水中急冷 如此反复进行急冷急热处理 直至损失砖总重量的一半为止 以试样经受的热循环次数作为其抗热震稳定性指标 五 热震稳定性 2 2重量损失表示法 将试样砖的一端插入炉内加热至1400 1500 并保温一定时间 然后取出用鼓风机鼓风冷却 如此反复多次 直至试样砖开裂剥落 以试样经受若干次冷热循环后的重量损失作为其抗热震稳定性指标 2020 3 22 2 测试和表征方法 2 3残余强度表示法 多用于科研工作 方法是将长条状试样整体置于电炉内加热至一定温度并保温一定时间 然后取出用风机鼓风冷却或浸入流动冷水中急冷 如此反复若干次 然后将试样烘干或冷却至室温 测其抗折强度 再算出其强度损失率或强度保持率 以此作为其抗热震稳定性指标 五 热震稳定性 2020 3 22 3 抗热震性评价参数 3 1第一抗热应力断裂因子R1 系指使材料开始破坏的最大温差 Tmax f 材料的断裂强度 MPaS 材料形状因子 对于平面薄板材料S 1 3 2第二抗热应力断裂因子R2 考虑了材料导热系数的影响 在科学研究中 还常采用 抗热应力断裂因子 来评价材料的抗热震性能 2020 3 22 3 抗热震性评价参数 3 3第三抗热应力断裂因子R3 在R1 R2中 没有考虑材料的密度 及热容c的影响 事实上 密度大 热容小的材料 热量从表面向内部传递快 产生的温差小 故抗热震性会好 因此 在R2中引入 c即得到R3 称为导温系数 或热扩散系数 以上三个因子是从热弹性力学出发 以强度 应力为判据 认为材料中的热应力达到抗张强度极限后 材料就产生开裂 而一旦有裂纹产生就会导致材料完全破坏 所导出的结果比较适合于一般的玻璃 瓷器等结构和组成相对比较均匀的材料 但大多数耐火材料是组织结构不太均匀的多相材料 以上各因子都不太适合用来表征其抗热震性 2020 3 22 3 抗热震性评价参数 R4 R5就是从断裂力学出发来表征抗热震性的 它们认为 材料因热震而产生的裂纹大小及裂纹的扩展程度 与材料中积聚的弹性应变能及裂纹扩展所需的断裂表面能有关 当材料中积聚的弹性应变能越小 而断裂表面能越大时 材料的抗热震性越好 例如 当密度增大 气孔率降低时 R2 R3都增大 材料的抗热震性应该提高 但实际情况并非如此 事实上 气孔的存在可以阻止裂纹的扩展 从而提高材料的抗热震断裂能力 因此 仅从热弹性力学出发来表征耐火材料的抗热震性不够 还应从断裂力学出发来表征 3 4第四抗热应力断裂因子R4 2020 3 22 3 抗热震性评价参数 3 5第五抗热应力断裂因子R5 R4只考虑了材料的弹性应变能 用来比较具有相同断裂表面能V的材料的抗热震性 R5则同时考虑了材料的弹性应变能和断裂表面能 主要用来比较具有不同表面能的材料 R4和R5越大 材料的抗热震性越好 2020 3 22 热膨胀系数 弹性模量E 导热率 材料本身强度 材料的显微结构 如气孔 微裂纹 气孔与裂纹既可起到防止裂纹瞬时扩展的作用 还可在一定程度上起到吸收热膨胀 减小材料内部热应力的作用 制品的形状及体积大小 通常 制品的体积越大 形状越复杂 其抗热震性越差 4 抗热震性的影响因素 Q 热应力 2020 3 22 3 影响材料热震稳定性的因素 六 抗渣性 1 概念 耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀而不损坏的性质 作为高温结构材料 耐火材料在使用过程中 通常暴露于包含有腐蚀性介质的高温环境中 这些腐蚀性介质通常称之为 熔渣 高温环境下 熔渣物质与耐火材料相接触 并与之发生复杂的物理化学反应 导致耐火材料的侵蚀损毁 因熔渣侵蚀被损坏的情况占耐火材料被损坏总量的50 以上 2020 3 22 钢水及熔渣对耐火材料的侵蚀 六 抗渣性 2020 3 22 熔渣侵蚀是耐火材料使用过程中最主要的一种损毁形式 耐火材料在熔渣中的溶蚀损毁一般可分为以下几种情况 1 单纯溶蚀 系指耐火材料与熔渣不发生化学反应 仅因物理溶解作用所造成的耐火材料损毁 如碳素材料向钢铁溶液中的溶解即属于单纯溶蚀作用 2 反应溶蚀 耐火材料与熔渣物质在其接触界面处发生化学反应 生成低熔点的化合物 导致耐火材料工作面的溶蚀损毁 六 抗渣性 2 侵蚀机理 2020 3 22 3 渗透 侵入变质溶蚀 熔渣物质通过耐火材料中的气孔或微裂缝向材料内部扩散 渗入耐火材料基体中 并与其中的基质和结晶相发生反应 使耐火制品的组织结构发生质变而造成耐火材料的溶蚀损毁 六 抗渣性 熔渣侵入机制主要有以下几种方式 1 通过气孔 2 通过耐火材料中形成的液湘 3 在耐火材料固相中扩散 碱性耐火