耐火材料组成、结构与性质

1、 耐火材料是冶金、建材、化工、机械等工业高温窑耐火材料是冶金、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。的生产工艺与原料知识。 2021-7-12 耐火材料工业曾被描绘为冶金工业和其它高温行业耐火材料工业曾被描绘为冶金工业和其它高温行业 的的“支撑工业支撑工业”和和“先行工业先行工业”。耐火材料是高温技术。

2、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。着关键作用。 2021-7-12 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，还不同程度地受到承受高温作用外，还不同程度地受到机械应力机械应力、热应力热应力作用，作用， 高温气体、熔体高温气体、熔

3、体以及以及固体介质的侵蚀、冲刷、磨损固体介质的侵蚀、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。和操作条件的性质。 2021-7-12 1、传统的定义：耐火度不小于、传统的定义：耐火度不小于1580的无机非金属材料。的无机非金属材料。 2、ISO的定义：耐火度不小于的定义：耐火度不小于1500的非金属材料及制品。的非金属材料及制品。 一、耐火材料的定义及其性能要求一、耐火材料的定义及其性能要求

4、 （一）（一） 定义定义 2021-7-12 1.1 耐火材料的定义及其性能要求耐火材料的定义及其性能要求 （二）（二） 对耐火材料的性能要求及其表征指标对耐火材料的性能要求及其表征指标 （1）足够高的耐火度）足够高的耐火度 具有在足够高的温度下不软化、不熔融的具有在足够高的温度下不软化、不熔融的 性能。性能。表征指标表征指标：耐火度：耐火度 （2）足够高的荷重软化温度）足够高的荷重软化温度耐火材料在高温下能够承受大荷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。能。表征指标表征指标：荷重软化

5、温度：荷重软化温度 （3）良好的高温体积稳定性）良好的高温体积稳定性在使用过程中，不产生过大的体在使用过程中，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。积膨胀或收缩，以免影响高温设备的结构稳定性或严密性。表征表征 指标指标：重烧线变化（：重烧线变化（%） 2021-7-12 1.1 耐火材料的定义及其性能要求耐火材料的定义及其性能要求 （二）（二） 对耐火材料的性能要求及其表征指标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）良好的热震稳定性耐火材料抵抗温度急剧变化而不发生耐火材料抵抗温度急剧变化而不发生 开裂、剥落的能力。开裂、剥落的能力。表征指标：表征

6、指标：材料的热膨胀系数和抗热震性指标材料的热膨胀系数和抗热震性指标 （5）良好的抗渣性）良好的抗渣性耐火材料在使用过程中抵抗各种侵蚀性物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。质的化学作用而不被蚀损的能力。表征指标表征指标：抗渣性评价：抗渣性评价 （6）良好的耐磨性）良好的耐磨性耐火材料在使用过程中，有时会受到高速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料等物质的直接冲刷或磨蚀作用，因此这时要求耐火材

7、料要具有 良好的耐磨性。良好的耐磨性。表征指标表征指标：耐压强度和耐磨性（或硬度）指标。：耐压强度和耐磨性（或硬度）指标。 （7）外形和尺寸准确）外形和尺寸准确对定型制品而言。对定型制品而言。 2021-7-12 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，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

8、法等多种方法。法、材料形态分类法等多种方法。 按化学属性分类按化学属性分类 按化学矿物组成分类按化学矿物组成分类 其他分类方法其他分类方法 2021-7-12 耐火材料按化学属性分可分为耐火材料按化学属性分可分为酸性耐火材料、中性耐酸性耐火材料、中性耐 火材料、碱性耐火材料。火材料、碱性耐火材料。 硅质制品硅质制品 半硅质半硅质 粘土质粘土质 高铝质高铝质 碳质制品碳质制品 铬质铬质 镁橄榄石镁橄榄石 铬镁质铬镁质 镁铝尖晶石镁铝尖晶石 镁钙质镁钙质 中性中性 酸酸 性性 渐渐 强强 碱碱 性性 渐渐 强强 按化学属性分类对于按化学属性分类对于 了解耐火材料的化学性了解耐火材料的化学性 质，判

9、断耐火材料在实质，判断耐火材料在实 际使用过程中与接触物际使用过程中与接触物 之间的化学作用情况具之间的化学作用情况具 有重要意义。有重要意义。 2021-7-12 耐火材料在使用过程中除承受高温作用外，往往伴随着熔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。的化学属性相同或接近。 2021-7-12 1.2.2 按化学矿物组成分类按化学矿物组成分

10、类 2021-7-12 （1）硅质耐火材料）硅质耐火材料 含含SiO2在在90%以上的材料通常称为硅质耐火材料以上的材料通常称为硅质耐火材料，主要包括，主要包括 硅砖及熔融石英制品。硅砖及熔融石英制品。硅砖以硅砖以硅石硅石为主要原料生产，主要矿物为主要原料生产，主要矿物 组成为组成为磷石英磷石英和和方石英方石英，主要用于焦炉和玻璃窑炉等热工设备主要用于焦炉和玻璃窑炉等热工设备 的构筑。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，因此熔融石英制为石英玻璃。由于石英玻璃的膨胀系数很小，因

11、此熔融石英制 品具有优良的抗热冲击能力。品具有优良的抗热冲击能力。 1.2.2 按化学矿物组成分类按化学矿物组成分类 2021-7-12 SiO2Al2O3系矿物是重要的耐火原料。根据从系矿物是重要的耐火原料。根据从Al2O3含量含量 的不同，可将硅酸铝质耐火材料划分为不同的种类。的不同，可将硅酸铝质耐火材料划分为不同的种类。 表表1 SiO2Al2O3系耐火材料系耐火材料 1.2.2 按化学矿物组成分类按化学矿物组成分类 （2）硅酸铝质耐火材料）硅酸铝质耐火材料 2021-7-12 （3）镁质耐火材料）镁质耐火材料 镁质耐火材料是指以镁质耐火材料是指以镁砂镁砂为主要原料，以为主要原料，以方镁

12、石方镁石为主晶相，为主晶相， MgO含量大于含量大于80%的碱性耐火材料。的碱性耐火材料。 1.2.2 按化学矿物组成分类按化学矿物组成分类 2021-7-12 （4）白云石质耐火材料）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。耐火材料。主要化学成分为主要化学成分为30-42%的的MgO和和40-60%的的CaO， 二者之和一般应大于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。其主要矿物成分为方镁石和方钙石 （氧化钙）。（氧化钙）。 （5）碳复合耐火材料）碳复合耐火材料 碳复合耐火材料是指

13、以不同形态的碳素材料与相应的耐火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。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按化学矿物组成分类 2021-7-12 （6）含锆耐火材料）含锆耐火材料 含锆耐火材料是指以氧化锆（含锆耐火材料是指以氧化锆（ZrO2）、锆英石等含锆材料为原料）、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、锆莫来石生产的耐火材料。含锆耐火材料制品通常包

14、括锆英石制品、锆莫来石 制品、锆刚玉制品等。制品、锆刚玉制品等。 1.2.2 按化学矿物组成分类按化学矿物组成分类 2021-7-12 （7）特种耐火材料）特种耐火材料 （高技术陶瓷）（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，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，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：条件。

15、特种耐火材料又可分为如下品种： 碳质制品：碳质制品：包括碳砖和石墨制品；包括碳砖和石墨制品； 纯氧化物制品：纯氧化物制品：包括氧化铝制品、氧化锆制品、氧化钙制品等；包括氧化铝制品、氧化锆制品、氧化钙制品等； 非氧化物制品：非氧化物制品：包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化锆、包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化锆、 硼化钛、塞隆硼化钛、塞隆(Sialon）、阿隆）、阿隆(Alon)制品等；制品等； 1.2.2 按化学矿物组成分类按化学矿物组成分类 2021-7-12 1.2.3 其他分类方法其他分类方法 2021-7-12 2021-7-12 不烧砖不烧砖烘烤烘烤 混混 合合不定型耐火

16、材料不定型耐火材料 熔铸制品熔铸制品混合混合熔融熔融浇注浇注退火处理退火处理机加工机加工 混合混合熔融熔融喷吹喷吹收棉收棉除渣除渣耐火纤维耐火纤维 烧成砖烧成砖烧成烧成原料原料 配料配料混练混练成型成型干燥干燥破粉碎破粉碎困料困料 2021-7-12 1.4 耐火材料的发展耐火材料的发展 2021-7-12 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；使得方面，钢产量增加；使得1998年以后中国耐火材料产量稳定在年以后中国耐火材料产量稳定在1000 万吨左右。万吨左右。 2002年，中国吨钢消耗耐火材料年，中国

17、吨钢消耗耐火材料20 kg；日本；日本9 kg，美国，美国10 kg； 1.4 耐火材料的发展耐火材料的发展 2021-7-12 1.4 耐火材料的发展耐火材料的发展 2021-7-12 2021-7-12 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。一定的差距；实验室的检验结果仅起到预测作用。 俄罗斯：俄罗斯：TOCT 日日 本：本： JIS（Japanese Industrial Standards） 英英 国：国： BSI（British Standards Institutio

18、n） 美美 国：国：ASTM（American Society of Testing Materials） 中中 国：国：GB 耐火材料的性质主要包括耐火材料的性质主要包括化学化学-矿物组成、组织结构、力学性质、矿物组成、组织结构、力学性质、 热学性质及高温使用性质等热学性质及高温使用性质等。根据这些性质可以根据这些性质可以预测预测耐火材料在高耐火材料在高 温环境下的使用情况。同样地，温环境下的使用情况。同样地，通常也要根据热工设备的通常也要根据热工设备的工作性质工作性质 与与操作环境操作环境，来研制、设计、生产或选择能适应操作环境、满足使，来研制、设计、生产或选择能适应操作环境、满足使 用要

19、求的耐火材料用要求的耐火材料。 2021-7-12 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。间的空间分布即取向关系）等。 2021-7-12 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。所谓系统。所谓 “基质基质”，是指填充于主晶相之间的物质，或者说是除主，是指填充于主晶相之间的物质，或

20、者说是除主 晶相以外的物质，它包括玻璃相和次晶相。晶相以外的物质，它包括玻璃相和次晶相。 主晶相主晶相 基质基质 a: 由硅酸盐（硅酸盐晶体由硅酸盐（硅酸盐晶体 和和 玻璃体）结合物胶结主晶相颗粒的组织结构。玻璃体）结合物胶结主晶相颗粒的组织结构。 b: 由晶体由晶体(次晶相次晶相)直接结合主晶相颗粒的组织结构。直接结合主晶相颗粒的组织结构。 2021-7-12 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，具有是同时含有晶相和玻璃相的制品，如粘土砖、硅砖、高铝砖等，

21、具有a型型 的显微组织结构，基质由一些细晶和玻璃相构成（的显微组织结构，基质由一些细晶和玻璃相构成（陶瓷结合制品陶瓷结合制品）。）。 直接结合结构类型（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、）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）要比热震稳定性、抗渣性等）要比a型结构的制品好得多。型结构的制品好得多。 主晶相主晶相 基质基质 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。后者具有等碱性耐火材料。后者具有b型的显微组织结构型的显微组织结构, 也称为也称为“直接

22、结合制直接结合制 品品”。 2021-7-12 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。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：耐火制品中的气孔类型：1 封闭气孔；封闭气孔；2 开口气孔；开口气孔；3 贯通气孔贯通气孔 2021-7-12 2021-7-12 （一）（一） 气孔率气孔率 材料中的气孔类型材料中的气孔

23、类型 2. 气孔率大小、气孔形状及分布状态对材料性能的影响气孔率大小、气孔形状及分布状态对材料性能的影响 真气孔率真气孔率 = (总气孔率）总气孔率） V1+V2 V0 100% 显气孔率显气孔率 = (开口气孔率）开口气孔率） V1 V0 100% V0: 制品总体积制品总体积 V1: 制品中的开放气孔体积制品中的开放气孔体积 V2 : 制品中的封闭气孔体积制品中的封闭气孔体积 开放气孔开放气孔 封闭气孔封闭气孔 3. 气孔率：气孔率： 2021-7-12 （一）（一） 气孔率气孔率 在一般情况下在一般情况下, , 开放气孔体积占总体积的绝大多数，封闭气孔开放气孔体积占总体积的绝大多数，封闭

24、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。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。 （二）（二） 吸水率吸水率 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。结良好的制品或原料，其吸水率应很低。 测定吸水率的意义：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

25、抗渣性、透气性能和热震稳定性能。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。 2021-7-12 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，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。而不能反映气孔的大小、形状和分布状态。 G1 G 100% 吸水率吸水率= 2021-7-12 （三）（三） 体积密度体积密度 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

26、学矿物组成一定时，体积密度越大，则意味着制品的烧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。结程度越高。 体积密度体积密度= G V （g/cm3） G: 制品干燥质量制品干燥质量 V : 制品的总体积制品的总体积 1. 体积密度的定义：体积密度的定义：制品的干燥质量与其总体积之比，即单制品的干燥质量与其总体积之比，即单 位体积的质量（位体积的质量（g/cm3）。）。 2021-7-12 体积密度与制品性能的关系：力学性能、热学性能（导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）热性、热容） （g/cm3） （四）（四） 真密度真密度 定义：不包括气孔在

27、内的制品单位体积的质量（定义：不包括气孔在内的制品单位体积的质量（g/cm3）。）。 V: 制品总体积制品总体积 V1: 制品中的开放气孔体积制品中的开放气孔体积 V2 : 制品中的封闭气孔体积制品中的封闭气孔体积 G V（V1+V2） 真密度真密度= 2021-7-12 （五）透气度（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：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：式中：Q 为气体透过的数量（升）；为气体透过的数量（升）；

28、 d 为式样的厚度（米）；为式样的厚度（米）； A 为试样的横截面积（平方米）；为试样的横截面积（平方米）； t 为气体透过时间（小时）；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）；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（升为透气度系数，也称透气率（升米米/米米2毫米水柱毫米水柱小时）小时） d tAPP KQ )( 21 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。或封闭态）有关。 2021-7-12 （五）透气度（五）透气度 另外，气体的透过量

29、与其粘度也有关另外，气体的透过量与其粘度也有关透过量透过量Q与气体粘度与气体粘度 成成 反比。而气体粘度通常随温度升高而增大，因此，反比。而气体粘度通常随温度升高而增大，因此，Q 将随温度的将随温度的 升高而减小。为此，引入升高而减小。为此，引入“绝对透气度系数绝对透气度系数” 或或 “绝对透气率绝对透气率” , 它与它与 K 的关系如下：的关系如下： 通常，耐火材料的透气性用其透气度系数通常，耐火材料的透气性用其透气度系数 K 来衡量：来衡量： K = (P1P2) A t Q d = K 式中式中 为透过气体的粘度。为透过气体的粘度。 2021-7-12 耐火材料的力学性质是指制品在不同条

30、件下的强度、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，表征了弹性模量、断裂韧性等物理指标，表征了耐火材料抵抗耐火材料抵抗 外力造成的形变和应力而不破坏的能力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、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。扭转强度、耐磨性、弹性模量及高温蠕变性等。 2021-7-12 E （一）弹性模量与泊松比（一）弹性模量与泊松比 材料在其弹性范围内，在荷载材料在其弹性范围内，在荷载（应力）作用下产生变形（应力）作用下产生变形（应（应 变），当荷载去

31、除后，材料仍恢复原来的形状和尺寸，此时应力和变），当荷载去除后，材料仍恢复原来的形状和尺寸，此时应力和 应变的比值称为应变的比值称为弹性模量弹性模量，也称，也称杨氏模量杨氏模量。E 亦即材料在应力作用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：力： 式中：式中：E 弹性模量；弹性模量； 材料所受应力；材料所受应力； 材料相对长度变化。材料相对长度变化。 l l 2021-7-12 材料的弹性模量材料的弹性模量 E 在一定条件下是一个定值，即与外力的大小在一定条件下是一个定值，即与外力的大小 无关，

32、属于材料的固有力学性质。从上式可以看出，材料的弹性模无关，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量愈大，在相同的应力下应变愈小 (即弹性愈小即弹性愈小)。 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（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。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

33、 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。模量与其热震稳定性呈反比关系。 2021-7-12 泊松比泊松比 是指材料在拉伸试验中，由均匀分

34、布的纵向应力所引起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的所产生的横向应变A与纵向应变与纵向应变 L之比：之比： = L - A 泊松比泊松比 也叫横向变形系也叫横向变形系 数，它是反映材料横向变数，它是反映材料横向变 形的弹性常数。大多数无形的弹性常数。大多数无 机材料的机材料的 值介于值介于 0.20.25。 2021-7-12 （二）耐压强度（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，以牛常温和高温条件下，耐火材料

35、单位面积上所能承受的最大压力，以牛 顿顿/毫米毫米2（或（或MPa）表示。可按下式计算：）表示。可按下式计算： 式中式中 S 耐火制品的耐压强度，单位：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，试样破坏时所承受的极限压力，N； A 试样承受载荷的面积，试样承受载荷的面积，mm2。 S压 压 = P A (MPa) P A 2021-7-12 （三）抗折强度（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是指常温和高温条件下，耐火材料单

36、位截面积上所能承受的极限弯 曲应力，以牛顿曲应力，以牛顿/毫米毫米2（或（或MPa）表示。它表征的是材料在常温或高）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，采用温条件下抵抗弯矩的能力，采用三点弯曲法三点弯曲法测量时，可按下式计算：测量时，可按下式计算： 式中：式中： R 抗折强度，抗折强度，N/mm2（MPa）；）； W 试样断裂时所施加的最大载荷，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，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，上刀口部位试样的宽度，mm； d 上刀口部位试样的厚度上刀口部位试样的厚度mm。 2 2 3 bd Wl

37、 R b W L d 2021-7-12 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。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，状态的

38、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。有用。 耐火材料在使用时很少由于常温下的静荷重而破坏。但是，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，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，产中，常温耐压强度和抗折强度是常测的两项指标。常温耐压强度和抗折强度是常测

39、的两项指标。 2021-7-12 （四）断裂韧性（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，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。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（击韧度（k）和断裂韧度（）和断裂韧度（KIC）。）。 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，冲击韧性是用来评价材料在冲击载荷作用下

40、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。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。 2021-7-12 KIC=Yca1/2 Y-Y-与裂纹形状及加载方式有关的 量 c c- 裂纹失稳扩展的应力，即断 裂应力 a -a -材料内部裂纹长度的一半 （四）断裂韧性（四）断裂韧性 2021-7-12 P - P - 气孔率气孔率 f f- - 材料断裂强度材料断裂强度 0 0 - - 气孔率为气孔率为 0 0 时的强度时的强度 （四）断裂韧性（四）断裂韧性 f = 0 exp (-nP) f = 0 + KI/d1/2 例如，晶粒大小对材料的强度与断裂韧性有明显

41、影响：例如，晶粒大小对材料的强度与断裂韧性有明显影响： f f- - 材料断裂强度材料断裂强度 d - - 晶粒尺寸晶粒尺寸 K KI 与材料有关的常数与材料有关的常数 2021-7-12 （五）硬度（五）硬度 概念：概念：硬度反映了材料表面抵抗其他硬物压入的能力。硬度反映了材料表面抵抗其他硬物压入的能力。 意义：意义：硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的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变化，与强度、耐磨性以及工艺性能往往存在一定对 应关系。应关系。 2021-7-12 （五）硬度（五）硬度 概念：将一定直径的淬火钢球或硬质合金球，在

42、规定载荷下压入被概念：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。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。 布氏硬度计布氏硬度计 2021-7-12 （五）硬度（五）硬度 概念：用锥顶角概念：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，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，

43、 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。可直接从硬度计读取。 h1-h0 洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图 2021-7-12 HRC10HBS 2021-7-12 （五）硬度（五）硬度 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度并计算出压痕的表面积 A，以，以 F/A 的数值表示维

44、氏硬度值。的数值表示维氏硬度值。 维氏硬度载荷小，压痕深度维氏硬度载荷小，压痕深度 浅，适应于测量较薄的材料浅，适应于测量较薄的材料 或表面硬化层的硬度，所以或表面硬化层的硬度，所以 维氏硬度广泛用来测定金属维氏硬度广泛用来测定金属 镀层、薄片金属以及化学热镀层、薄片金属以及化学热 处理后的表面硬度。处理后的表面硬度。 2021-7-12 压痕面积大，能反映较大范围的组压痕面积大，能反映较大范围的组 成的平均性能，数据稳定，准确，成的平均性能，数据稳定，准确， 重复性强重复性强 布氏硬度布氏硬度 洛氏硬度洛氏硬度 维氏硬度维氏硬度 优优 点点 缺缺 点点 硬度值可直接读出，简便，压痕硬度值可直

45、接读出，简便，压痕 小，可在关键表面进行实验。小，可在关键表面进行实验。 代表性差代表性差 压痕清晰，数据准确可靠，载荷压痕清晰，数据准确可靠，载荷 小，压痕浅，适合薄件、表面层，小，压痕浅，适合薄件、表面层， 且软硬材料均适用，范围广。且软硬材料均适用，范围广。 硬度值测定麻烦硬度值测定麻烦 压痕直径测量麻烦，压痕直径测量麻烦， 不适于成品、薄件不适于成品、薄件 2021-7-12 （五）耐磨性（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。具实际意义。 耐磨性耐磨性是材料表面抵抗磨损的能力，常用

46、磨损率表示：是材料表面抵抗磨损的能力，常用磨损率表示： A A - - 材料的磨损量，材料的磨损量，cmcm3 3 D - - 材料的体积密度材料的体积密度 M1、 M2 - - 磨损实验前后的质量磨损实验前后的质量 A = M1 M2 D 2021-7-12 2.2.3 耐火材料的热学性质耐火材料的热学性质 （一）热容（一）热容 2. 讨论热容讨论热容 的意义：的意义： 在烘、冷窑（炉）时，筑体材料的热容会影响窑炉体的升在烘、冷窑（炉）时，筑体材料的热容会影响窑炉体的升 （降）温速度；（降）温速度； 筑体材料的热容直接影响着窑炉体的蓄热量。筑体材料的热容直接影响着窑炉体的蓄热量。 3. 影响

47、影响 的因素：的因素： 材料的化学组成材料的化学组成 温度温度T：耐火材料的热容一般：耐火材料的热容一般 随随 T 升高而增大。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：所需要的热量，单位：KJ/kg 2021-7-12 2.2.3 耐火材料的热学性质耐火材料的热学性质 （一）热容（一）热容 工程上所用的工程上所用的平均热容平均热容是指从温度是指从温度T T1 1到到T T2 2所吸收的所吸收的 热量的平均值。平均热容是比较粗略的，温度范围越大，热量的平均值。平均热容是比较粗略的，温度范围越大，

48、 精度越差，应用时要特别注意使用的温度范围。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：化物而言，它们的热容随温度升高而增大： Cp = a + bT + cT-2 2021-7-12 tF x T Q )( （二）热导率（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）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。用内通过单位垂直面积的热量。用表示：表示： 其中：其中： 导热率，单位：焦尔导热率，单位：焦尔/米米秒秒K

49、（W/mK）；）； Q t时间沿时间沿x轴方向穿过轴方向穿过F截面上的热量（焦耳）；截面上的热量（焦耳）； 沿沿x轴方向的温度梯度（轴方向的温度梯度（Km-1）。）。 x T 2.2.3 耐火材料的热学性质耐火材料的热学性质 2021-7-12 （二）热导率（二）热导率 2. 2. 讨论讨论 的意义：的意义： 是窑炉结构设计的重要依据是窑炉结构设计的重要依据涉及窑炉的保温节能设计；涉及窑炉的保温节能设计； 影响着材料（窑炉）的抗热震性：影响着材料（窑炉）的抗热震性： E E t t t 1/ 3. 3. 影响影响 的因素：的因素： 材料的化学组成：通常材料的化学组成越复杂（多），其材料的化学组

50、成：通常材料的化学组成越复杂（多），其越小。越小。 矿物晶体结构：晶体结构越复杂的材料，其矿物晶体结构：晶体结构越复杂的材料，其也越小。如也越小。如MgAlMgAl2 2O O4 4 的的比比 MgOMgO和和 AlAl2 2O O3 3 的的都小。都小。 温度温度T T：大部分耐火材料的：大部分耐火材料的 随随T T升高而增大，即升高而增大，即d d/dT/dT0; 0; 但但 有些材料则相反，有些材料则相反， d d/dT/dT0 0。 2021-7-12 膨胀膨胀系数系数是指耐火材料由室温加热至试验温度的区间内，温度是指耐火材料由室温加热至试验温度的区间内，温度 每升高每升高1，试样体积

51、或长度的，试样体积或长度的相对变化率相对变化率。 （三）热膨胀（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）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。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。也增大；反之亦然。故轻质材料一般都可用作保温材料。 3. 影响热导率影响热导率 的因素：的因素： 材料中的气孔形状、大小、分布状态对材料中的气孔形状、大小、分布状态对也有影响。一般说来，也有影

52、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开口气孔（尤其是贯通气孔）和大气孔会使材料的 增大。增大。 2021-7-12 p t v v )( 1 体积膨胀系数：体积膨胀系数： -1 3 3） 热膨胀性的表示方法热膨胀性的表示方法 p t l l )( 1 线膨胀系数：线膨胀系数： -1 材料的热膨胀系数是温度材料的热膨胀系数是温度 t 的函数，不是一个定值。的函数，不是一个定值。 （三）热膨胀（三）热膨胀 2）意义：）意义：窑炉结构设计的重要参数（依据）；为什么留膨胀缝？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。可间接判断耐材热震稳定性能

53、。 2021-7-12 2.2.3 耐火材料的热学性质耐火材料的热学性质 3 3） 热膨胀性的表示方法热膨胀性的表示方法 平均体积膨胀系数：平均体积膨胀系数： V2V1 V1 (t2t1) = V V1t (1/)= 平均线膨胀系数：平均线膨胀系数： L2L1 L1 (t2t1) = L L1t (1/) = L L1 1、V V1 1 温度温度t t1 1时的试样长度或体积；时的试样长度或体积； L L2 2、V V2 2 温度温度t t2 2时的试样长度或体积；时的试样长度或体积； 2021-7-12 （三）热膨胀（三）热膨胀 ） 影响热膨胀性的因素影响热膨胀性的因素 物质的内部结构：通常

54、结构紧密的物质的内部结构：通常结构紧密的（）值较大。如石英晶体）值较大。如石英晶体 = 1210-6/ ；石英玻璃；石英玻璃 = 0.510-6/ 。 物质的化学矿物组成（键强）：通常碱性耐火材料物质的化学矿物组成（键强）：通常碱性耐火材料 （）中）中 性耐火材料性耐火材料 （） 酸性耐火材料酸性耐火材料（） 5）材料的热膨胀性）材料的热膨胀性（）与其热震稳定性的关系）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材料因温度变化会在内部产生热应力： E: 材料的弹性模量材料的弹性模量 t: 材料内外表的温差材料内外表的温差 E t 环境温度：通常环境温度：通常 （） f (t) ，成正

55、比。，成正比。 2021-7-12 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。是最重要的基本性质。 2021-7-12 （一）耐火度（一）耐火度 a. 概念概念：材料在自重作用情况下，抵抗高温作用而不破坏：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）。的能力（最高温度）。 b.

56、 表征方法：表征方法： a b c 试锥在不同阶段的弯倒情况试锥在不同阶段的弯倒情况 a：熔融开始前；：熔融开始前；b: 在相当于耐火度的在相当于耐火度的 温度下；温度下；c: 在高于耐火度的温度下在高于耐火度的温度下 c. 影响因素：影响因素： 主要是化学组成（铝硅主要是化学组成（铝硅 比、铁与碱氧化物含比、铁与碱氧化物含 量）、实验条件（如升量）、实验条件（如升 温速度、炉内气氛、试温速度、炉内气氛、试 锥安装倾斜程度等）。锥安装倾斜程度等）。 2021-7-12 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

57、的允许使用温度并不等同，也就是说耐火度不是材料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。以上，但允许使用温度大大低于耐火度。 耐火度的意义耐火度的意义：评价原料纯度和难熔程度：评价原料纯度和难熔程度 （一）耐火度（一）耐火度 一些耐火材料的耐火度：一些耐火材料的耐火度： 粘土砖：粘土砖：161016101

58、750 1750 硅硅 砖：砖：169016901730 1730 高铝砖：高铝砖：177017702000 2000 镁镁 砖：砖： 2000 2000 2021-7-12 （二）（二）荷重软化温度荷重软化温度 1. 概念：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。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定程度上反映了制品在与其使用条件下相仿

59、的条件下的结构强度 与变形情况。与变形情况。 2. 测定方法：测定方法：按规定制样，安置于炉中并施加一定荷重（通常是按规定制样，安置于炉中并施加一定荷重（通常是 200 KPa），按一定速率均匀连续地升温，分别测定试样被压缩），按一定速率均匀连续地升温，分别测定试样被压缩 0.6%、4%和和40%时的温度，并获得试样的温度时的温度，并获得试样的温度 变形曲线。变形曲线。 2021-7-12 2. 测定方法：测定方法： 试样尺寸：试样尺寸： 3650 或或 5050 外加荷重：外加荷重： 200 KPa 200 KPa （二）（二）荷重软化温度荷重软化温度 - 0.6% 各种耐火材料的荷重变形曲

60、线各种耐火材料的荷重变形曲线 1-高铝砖高铝砖(Al2O3 70%)； 2-硅砖；硅砖； 3-镁砖；镁砖； 4-粘土砖粘土砖； 5-半硅砖；半硅砖； 6-粘土砖粘土砖 2021-7-12 3. 影响荷重软化温度的因素影响荷重软化温度的因素 材料的化学矿物组成。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。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。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：测定荷软的意义：可以作为确定材料最高使用温度的参考。可以作为