第一、二章 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。 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。耐火材料是高温技术的基础材料，

2、它与高温技术，尤其是钢铁工业的发展关的基础材料，它与高温技术，尤其是钢铁工业的发展关系密切。它们相互依存，互为促进，共同发展。在一定系密切。它们相互依存，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。关键作用。 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。

3、因此，为了保证热工设备的正常运行，所选用的耐火材料必因此，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适应各种使用环境和工况条件的性质。须具备能够适应各种使用环境和工况条件的性质。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（一）（一） 定义定义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

4、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，

5、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（%）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

6、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。 耐火材料品种繁多、用途各异，有必要对耐火材

7、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 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

8、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。 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

9、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。1.2.2 按化学矿物组成分类按化学矿物组成分类1.2.2 按化学矿物组成分类按化学矿物组成分类锆英石材料锆英石材料氧化锆材料氧化锆材料白云石材料白云石材料氧化镁材料氧化镁材料含碳耐火材料含碳耐火材料尖晶石耐火材料尖晶石耐火材料镁铬耐火材料镁铬耐火材料铝硅系耐火材料：铝硅系耐火材料：粘土、硅砖粘土、硅砖莫来石、氧化铝等耐莫来石、氧化铝等耐火材料火材料耐火材料的化学组成耐火材料的化学组成（1）硅质耐火材料）硅质耐火材料 含含S

10、iO2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.

11、2 按化学矿物组成分类按化学矿物组成分类 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（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

12、矿物组成分类（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

13、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（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（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

14、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。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

15、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 1.2.3 其他分类方法其他分类方法不烧砖不烧砖烘烤烘烤混混 合合不定型耐火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1.4 我国耐火材料工业现状及展望我国耐火材料工业现状及展望

16、 （1 1）耐火原料及制品产量稳步增长，基本满足了高温工业）耐火原料及制品产量稳步增长，基本满足了高温工业生产发展的需要。生产发展的需要。 2010年，全国耐火材料进口量、仅占国内耐火材料需求量年，全国耐火材料进口量、仅占国内耐火材料需求量的的0.012%，足以证明国内耐火材料产品的数量、品种和质量，足以证明国内耐火材料产品的数量、品种和质量等可以满足国内高温工业生产运行和技术发展的需要。等可以满足国内高温工业生产运行和技术发展的需要。 2010年世界主要耐火材料生产国的年产量情况年世界主要耐火材料生产国的年产量情况我国九五及十五期间耐火制品的出口量变化情况我国九五及十五期间耐火制品的出口量变

17、化情况（2）产品结构进一步改善，企业自主创新能力明显增强。）产品结构进一步改善，企业自主创新能力明显增强。节能型产品节能型产品(生产过程节能或使用过程节能生产过程节能或使用过程节能)产品产量增加，产品产量增加，如不定型耐火材料产量达到如不定型耐火材料产量达到841万吨，占耐火材料总量的万吨，占耐火材料总量的33.1%；陶瓷纤维近年发展迅速，；陶瓷纤维近年发展迅速，2008年产量已经达到年产量已经达到40万万吨，占到全球总量的吨，占到全球总量的47%，2009年提升至年提升至48%。（3）企业联合重组步伐加快，形成了几个具有较强竞争力）企业联合重组步伐加快，形成了几个具有较强竞争力的大型耐材企业

18、。的大型耐材企业。 “十一五十一五”期间是耐材行业联合重组最快的期间是耐材行业联合重组最快的5年，年， 跨省市的联合重跨省市的联合重组取得了突破性进展。继营口青花集团与上海二耐，山西西小坪与组取得了突破性进展。继营口青花集团与上海二耐，山西西小坪与上海泰山，北京通达与巩义中原联合重组之后，濮耐股份与上海宝上海泰山，北京通达与巩义中原联合重组之后，濮耐股份与上海宝明、昆钢耐火，明、昆钢耐火， 北京利尔与包钢耐火，北京瑞泰与河南火宝，新北京利尔与包钢耐火，北京瑞泰与河南火宝，新密荣耀实现了跨省市联合重组。通过联合重组，优势企业规模迅速密荣耀实现了跨省市联合重组。通过联合重组，优势企业规模迅速扩大，

19、竞争能力明显增强，目前，企业跨区域联合重组的势头仍在扩大，竞争能力明显增强，目前，企业跨区域联合重组的势头仍在继续。继续。 （4）耐材工业发展的）耐材工业发展的“瓶颈瓶颈”日趋突出，深层次结构日趋突出，深层次结构性矛盾日趋显现。性矛盾日趋显现。 如铝矾土资源配置不尽合理，总体资源利用率不高，产能结构性如铝矾土资源配置不尽合理，总体资源利用率不高，产能结构性过剩导致市场混乱无序竞争，原材料价格高幅上涨，生产企业生过剩导致市场混乱无序竞争，原材料价格高幅上涨，生产企业生产成本压力加大等。产成本压力加大等。 （1）产业特点）产业特点：中小企业众多，产业集中度低，生产规模小。中小企业众多，产业集中度低

20、，生产规模小。产值超过产值超过15亿以上全国只有青花集团一家。但产能过剩，且落后亿以上全国只有青花集团一家。但产能过剩，且落后产能占相当比例。产能占相当比例。（2）产业布局）产业布局：主要分布在河南、山东、辽宁等耐火原料所主要分布在河南、山东、辽宁等耐火原料所在地，与所服务的高温行业的布局不相匹配。在地，与所服务的高温行业的布局不相匹配。4.88%49.58%15.35%2.7%1.76%16.16%5.81%2.03%1.75% 河南河南山东山东辽宁辽宁北京北京河北河北山西山西江苏江苏浙江浙江其它其它2009年主要耐材生产省(市)产量情况（3）产品质量）产品质量：原材料波动、产品质量稳定性与

21、国外先进水原材料波动、产品质量稳定性与国外先进水平相比波动较大。平相比波动较大。（4）产品结构）产品结构：以定形制品为主，低耗能产品和节能隔热材以定形制品为主，低耗能产品和节能隔热材料比例偏低。料比例偏低。日本日本2008年耐火材料总产量为约年耐火材料总产量为约120万吨，定形制品占总万吨，定形制品占总产量的产量的24.6%，不定形产品的比例为，不定形产品的比例为75.4% 。我国当年的。我国当年的情况是：致密定形耐火制品比重为情况是：致密定形耐火制品比重为64.3%，不定形耐火制，不定形耐火制品仅占品仅占33.8%。不定形耐火材料的特点是生产过程节能、减少二氧化碳的不定形耐火材料的特点是生产

22、过程节能、减少二氧化碳的排放，减少了占总能耗的排放，减少了占总能耗的70%的烧成过程能耗。世界发达的烧成过程能耗。世界发达国家的应用不定形耐火材料的比重大多在国家的应用不定形耐火材料的比重大多在50%以上。以上。（6）节能与环保）节能与环保：存在生产过程能耗较大、粉尘较大等能耗存在生产过程能耗较大、粉尘较大等能耗环保问题。环保问题。（5）装备水平）装备水平：与国外先进水平相比，耐火材料行业装备较与国外先进水平相比，耐火材料行业装备较落后，影响着耐火制品的质量稳定性。落后，影响着耐火制品的质量稳定性。（7）绿色环保耐火材料品种少，耐火材料的循环利用）绿色环保耐火材料品种少，耐火材料的循环利用率低

23、。率低。（8）耐火原料资源综合利用率低，浪费严重。）耐火原料资源综合利用率低，浪费严重。 基本指导思想：基本指导思想：以科学发展为主题，以科学发展为主题，以控制生产总量以控制生产总量为前提，以自主创新为主线，为前提，以自主创新为主线，以满足我国高温工业的发以满足我国高温工业的发展需要和国际市场的需求为重点，展需要和国际市场的需求为重点，促进产业结构调整，促进产业结构调整，建立可持续发展模式。树立循环经济的理念，推进建立可持续发展模式。树立循环经济的理念，推进“绿绿色耐材色耐材”战略。加快优化品种、完善产品标准体系，战略。加快优化品种、完善产品标准体系，淘淘汰落后生产工艺和装备，汰落后生产工艺和

24、装备，增强自主创新能力，增强自主创新能力，突破行业突破行业 重大、共性、关键性技术，重大、共性、关键性技术，推动耐火材料科技进步，促推动耐火材料科技进步，促进节能减排、清洁生产。进节能减排、清洁生产。培育龙头企业，促进耐火材料培育龙头企业，促进耐火材料产业向集团化、规模化、集约化方向发产业向集团化、规模化、集约化方向发 展。展。 1. 产品开发方面：产品开发方面：大力大力发展以高效、功能化、节能、环保为发展以高效、功能化、节能、环保为特征的先进耐火材料，优化产品结构。特征的先进耐火材料，优化产品结构。 发展趋势：发展趋势：2. 优化产业结构。优化产业结构。通过兼并重组，淘汰落后产能，逐步整合通

25、过兼并重组，淘汰落后产能，逐步整合现有产业资源，提高产业集约程度；引导大企业开展产业技术的集现有产业资源，提高产业集约程度；引导大企业开展产业技术的集成创新，面向低碳、新材料等新兴产业，拓展新的应用领域，提高成创新，面向低碳、新材料等新兴产业，拓展新的应用领域，提高产业的核心竞争力。产业的核心竞争力。 3. 进一步提高整个行业的技术装备水平。进一步提高整个行业的技术装备水平。今后要重点研今后要重点研究开发耐火材料生产自动化技术及装备、特种耐火材料成型技术和究开发耐火材料生产自动化技术及装备、特种耐火材料成型技术和装备、耐火材料窑炉节能技术和装备、不定形耐火装备、耐火材料窑炉节能技术和装备、不定

26、形耐火 材料施工装备材料施工装备及技术、新型耐火材料检测技术及装备等。及技术、新型耐火材料检测技术及装备等。 4. 大力提高耐火原料资源的综合利用率。大力提高耐火原料资源的综合利用率。合理利用粉矿合理利用粉矿、低品位矿石、节约资源是耐火材料行业可持续发展的紧迫任务。、低品位矿石、节约资源是耐火材料行业可持续发展的紧迫任务。另外，废弃耐火材料的处理及循环利用对环境保护、节能生产和资另外，废弃耐火材料的处理及循环利用对环境保护、节能生产和资源的高效利用意义重大。源的高效利用意义重大。 发展趋势：发展趋势：5. 提高节能减排和清洁生产水平。提高节能减排和清洁生产水平。今后要重点开发和推今后要重点开发

27、和推广新型节能炉窑，开发综合节能技术，开展广新型节能炉窑，开发综合节能技术，开展“三废三废”的排放控制和的排放控制和“三废三废”资源化回收利用等。资源化回收利用等。 另外，还要加快发展基于我国资源特点的优质合成原料，形成另外，还要加快发展基于我国资源特点的优质合成原料，形成完整的烧结、还原氮化、电熔等合成原料新工艺，满足新型耐火材完整的烧结、还原氮化、电熔等合成原料新工艺，满足新型耐火材料的发展需要。料的发展需要。 发展趋势：发展趋势：6. 大力加强行业标准体系建设。大力加强行业标准体系建设。 随着耐火行业的技术进步，我国耐火材料行业标准在知识产权随着耐火行业的技术进步，我国耐火材料行业标准在

28、知识产权保护、行业发展引导、资源共享、企业参与、标准执行、国际接轨保护、行业发展引导、资源共享、企业参与、标准执行、国际接轨等方面，与我国实际的耐火材料生产规模不相称，耐火材料的标准等方面，与我国实际的耐火材料生产规模不相称，耐火材料的标准体系需要进一步完善，使之更加科学合理。体系需要进一步完善，使之更加科学合理。 今后要加强行业标准体系建设，制定和完善行业国家标准、技今后要加强行业标准体系建设，制定和完善行业国家标准、技术规范及行业准入政策，加强知识产权保护，引导产业健康发展。术规范及行业准入政策，加强知识产权保护，引导产业健康发展。发展重点是：发展重点是：制订行业准入标准；制订制订行业准入

29、标准；制订“节能、环境友好节能、环境友好”等新型等新型耐火材料产品标准及能耗标准；积极推进具有我国自主知识产权的耐火材料产品标准及能耗标准；积极推进具有我国自主知识产权的标准工作，争取检验方法标准进入国际标准，产品标准达到国际先标准工作，争取检验方法标准进入国际标准，产品标准达到国际先进水平，基础标准与国际标准接轨。进水平，基础标准与国际标准接轨。 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（

30、Japanese Industrial Standards） 英英 国：国： BSI（British Standards Institution） 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、力学矿物组成、组织结构、力学性质、热学性质及高温使用性质等性质、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耐火材料在高温环境下的使用情况。同样地，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通常也要根据热工设备

31、的工工作性质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、，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满足使用要求的耐火材料。 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。 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。

32、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。 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

33、，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，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

34、显微组织结构型的显微组织结构, 也称为也称为“直接结合制直接结合制品品”。 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（一）（一） 气孔率气孔率材料中的气孔类型材料中的气孔类型开口气孔开口气孔贯

35、通气孔贯通气孔1.2. 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+V2V0100% 显气孔率显气孔率 = (开口气孔率）开口气孔率）V1V0100%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：（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，封闭气孔很少且难以直接测定，故常采用显

36、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抗渣性、透气性能和热震稳定性能。致密。同时可以

37、预测耐火材料的抗渣性、透气性能和热震稳定性能。G1: 制品中开放气孔吸满的水重量制品中开放气孔吸满的水重量G : 制品的干燥质量制品的干燥质量吸水率的定义：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。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，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。G1G100%吸水率吸水率=（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

38、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=GV（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）。）。 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

39、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GV（V1+V2）真密度真密度=（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

40、体透过的数量（升）；为气体透过的数量（升）； 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） dtAPPKQ)(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。（五）透气度（五）透气度另外，气体

41、的透过量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 tQ d = K式中式中 为透过气体的粘度。为透过气体的粘度。 耐火材料的力学性质是指制品在不同条件下的强度、耐火材料的力

42、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。 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（应变），当荷载去除后，材料仍恢复原来的形状和尺寸，此时应（应变），当荷载去

43、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力和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 E 亦即材料在应力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：的能力： 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。 ll 材料的弹性模量材料的弹性模量 E E 在一定条件下是一个定值，即与外力的大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，材料的弹性小无关，属于材料的固有力学性

44、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。模量愈大，在相同的应力下应变愈小。 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。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

45、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。性模量与其热震稳定性呈反比关系。 泊松比泊松比 是指材料在拉伸试验中，由均匀分布的纵向应力所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引起的所产生的横向应变A A与纵向应变与纵向应变 L L

46、之比：之比： = L- A 泊松比泊松比 也叫横向变形也叫横向变形系数，它是反映材料横向系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。大多数变形的弹性常数。大多数无机材料的无机材料的 值介于值介于 0.20.250.20.25。（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，以牛顿牛顿/ /毫米毫米2 2（或（或MPaMPa）表示。可按下式计算：）表示。可按下式计算： 式中式中 S S 耐火制

47、品的耐压强度，单位：耐火制品的耐压强度，单位：MPaMPa； P 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 N； A A 试样承受载荷的面积，试样承受载荷的面积，mmmm2 2。 S压压 = PA(MPa)PA（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 2（或（或MPaMPa）表示。它表征的是材料在常温或高）表示。它表征

48、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。 223bdWlR bWLd 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

49、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状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，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

50、。 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的两项指标。（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

51、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。KIC=Yca1/2Y-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

52、力a -a -材料内部裂纹长度的一半（四）断裂韧性（四）断裂韧性 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（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

53、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，故可用来检验原材料和控制冷热加工质量。应关系，故可用来检验原材料和控制冷热加工质量。（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

54、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（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，卸除主试验力，根据残余压痕深度计算被测材料的硬度。洛氏硬度卸除主试验力，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。值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 HRC10HBS（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

55、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。压痕面积大，能反映较大范围的

56、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（五）耐磨性（五）耐磨性实际上，测

57、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 3D - - 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 M2D2.2.3 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

58、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 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

59、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，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-2tFxTQ)(（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：

60、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（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）。）。xT2.2.3 耐火材料的热学性质耐火材料的热学性质 （二）热导率（二）热导率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 t t 1/3. 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（