耐火材料基础知识

1、耐火材料基础知识培训耐火材料基础知识培训营口青花集团营口青花集团大连办事处大连办事处耐火材料的定义耐火材料的定义用作高温窑、炉等热工设备，以及高温容器和部件无机非金属材料耐火度不低于1580在高温下能承受相应的物理化学变化及机械作用耐火材料的分类耐火材料的分类根据化学成分可分为： 碱性耐火材料一般是指以氧化镁或氧化镁和氧化钙为主要成分的耐火材料。这类耐火材料的耐火度都较高，抵抗碱性渣的能力强。 酸性耐火材料通常指SiO2含量大于93%的耐火材料，它的主要特点是在高温下能抵抗酸性渣的侵蚀，但易于与碱性熔渣起反应。 中性耐火材料是指高温下与酸性或碱性熔渣都不易起明显反应的耐火材料，如炭质耐火材料和

2、铬质耐火材料。有的将高铝质耐火材料也归于此类。耐火材料的分类耐火材料的分类根据耐火度可分为: 普通耐火制品：耐火度为15801770 高级耐火制品：耐火度为17702000 特级耐火制品：耐火度大于2000 耐火材料的组成和性质耐火材料的组成和性质耐火材料的使用性质 耐火度、高温耐压强度、热稳定性、高温体积稳定性、抗渣性等。耐火材料的物理性质 气孔率、真比重、体积密度、线膨胀率等。耐火材料的机械性质 耐压强度、弹性变形、塑性变形等。耐火度 耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质称为耐火度。(与熔点不同）耐火材料的高温使用性质耐火材料的高温使用性质熔点 纯物质的结晶相与其液体处于平衡状态下

3、的温度；耐火度是多相固体混合物在开始熔融温度与熔融终了温度范围内液相和固相同时共存。 考虑荷重和外物的熔剂作用，并非耐火度越高砖越好。耐火材料的高温使用性质耐火材料的高温使用性质因素： 固相与液相的数量比（液相7080%）、液相粘度（10 50Pas)和材料的分散度。具有强熔剂作用的杂质成分，会严重降低制品的耐火度。（提高原料纯度） 试锥弯倒是其中液相的生成及固相在液相中的溶解所致。耐火材料的高温使用性质耐火材料的高温使用性质高温荷重变形温度高温荷重变形温度耐火材料高温荷重变形温度的测定方法是固定试样承受的压力(0.2MPa)，不断升高温度，测定试样在发生一定变形量和坍塌时的温度，称为高温荷重

4、变形温度耐火材料在高温和荷重同时作用时的抵抗能力，也表示耐火材料呈现明显塑性变形的软化范围。在一定程度上表明制品在与其使用情况相仿条件下的结构强度。各种耐火材料的荷重变形曲线各种耐火材料的荷重变形曲线1-高铝砖，高铝砖，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-粘土砖粘土砖砖种砖种开始变形温开始变形温度度（TH）4%变形变形温度温度40%变形温变形温度度（TK）TK-TH硅砖硅砖（耐火度（耐火度1730）1650167020一级粘土砖一级粘土砖（40%Al2O3）耐）耐火度火度1730140014701600200莫来石砖莫来石砖（70%Al2O3）16001

5、6601800200镁砖（耐火度镁砖（耐火度2000）1550158030几种耐火制品的几种耐火制品的0.2MPa0.2MPa荷重变形温度荷重变形温度高温体积稳定性高温体积稳定性耐火材料在高温下长期使用时，其外形体积保持稳定不发生变化(收缩或膨胀)的性能称为高温体积稳定性。重烧时的体积变化可用体积百分率或线变化百分率表示：高温体积稳定性高温体积稳定性原因： 烧成制品，烧成过程中，物理化学变化未达到该温度下的平衡状态，烧成不充分，使用中受高温，继续反应； 不烧制品，烧烤温度低，时间短，在使用中持续反应。高温体积稳定性高温体积稳定性重烧体积变化的测定方法：将试样在高于使用温度以上(根据制品的要求和

6、使用条件来定)，保温23小时，然后测其体积变化，以百分率表示。各种耐火制品允许的重烧体积变化取决于制品的使用条件和要求，一般不超过0510。多数耐火材料在重烧时产生收缩，少数制品产生膨胀。 热震稳定性热震稳定性耐火材料抵抗温度的急剧变化而不破坏的性能称为热震稳定性。也称为抗热震性或温度急变抵抗性。材料的热震破坏可分为两大类： 瞬时断裂，称为热冲击断裂； 在热冲击循环作用下，先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体损坏，称为热震损伤热震稳定性热震稳定性热应力产生原因： 机械约束； 均质材料中出现温度梯度； 非均质固体中各相之间的热膨胀系数的差别； 单相多晶体中热膨胀系数各向异性。抗渣性抗渣性耐

7、火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀作用而不破坏的能力称为抗渣性。熔渣：冶金炉渣、燃料灰分、飞尘、各种材料（包括固态、液态材料，如烧结水泥块、煅烧石灰、铁屑、熔融金属、玻璃液等）和气态物质（煤气、一氧化碳、氟、硫、锌、碱蒸气）等。抗渣性抗渣性上述熔渣物质在高温下多形成液态物质直接与耐火材料接触，有些固体物质甚至气体，在高温下与耐火材料接触之后，最终也会形成液相。熔液侵蚀过程主要是耐火材料在熔渣中的溶解过程和熔渣向耐火材料内部的侵入(渗透)过程。抗渣性抗渣性耐火材料向熔渣中溶解的过程可分为： 单纯溶解 耐火材料与熔渣不发生化学反应的物理溶解作用。 反应溶解 耐火材料与熔渣在其界面处发生化学反应，使耐火材料

8、的工作面部分转变为低熔物(反应产物)而溶于渣中，同时改变了熔渣和制品的化学组成。 侵入变质溶解 高温溶液或熔渣通过气孔侵入耐火材料内部深处，或通过耐火材料的液相扩散和向耐火材料的固相中扩散，使制品的组织结构发生质变而溶解。抗渣性抗渣性从生产工艺角度出发，有效地提高耐火材料的抗渣性，应从下列两个主要途径着手： 保证和提高原料的纯度，改善制品的化学矿物组成 选择适宜的生产方法，获得具有致密而均匀的组织结构的制品。 耐火材料抗渣性的测定方法常用坩埚法、回转渣蚀法等。耐真空性耐真空性通常在常温下耐火材料的蒸气压都很低，可以认为是极稳定而不易挥发的。但在高温减压下工作（如真空熔炼炉或钢水脱气处理等）时，

9、会因其挥发减量而造成损耗，加速其损坏。耐火材料的挥发速度如下式：挥发速度与耐火材料的蒸气压成正比，气相的分子量越大挥发量也愈大。耐火材料形状的正确性和尺寸的准确性耐火材料形状的正确性和尺寸的准确性形状的正确性和尺寸的准确性对于窑炉砌筑体的严密性具有直接的影响，而砌筑体的严密性在很大程度上决定着砌筑体的使用寿命。砖缝在砌筑体中是最薄弱的和最易损坏的部分，同砖相比较，砖缝的密度和强度要小得多，因此它更容易溶解于渣中，从而削弱整个内衬的抗渣性和热震稳定性。耐火材料生产基本工艺原理耐火材料生产基本工艺原理耐火原料的选择准则 耐火性能准则：原材料的熔点稍高于耐火度。 技术经济准则：用哪种原料生产耐火材料

10、，需 满足技术经济条件。耐火原料的加工耐火原料的加工耐火原料的加工主要包括以下几方面： 选矿与提纯 原料的煅烧 原料的破粉碎 机械化学和超细粉 助磨剂选矿与提纯选矿与提纯选矿：利用多种矿物的物理和化学性质的差别，将矿物集合体的原矿粉碎，并分离出多种矿物。提纯：利用一系列化学及物理化学反应，矿物富集的过程。 选矿方法：机械法、物理-化学法、纯化学法、电气法等。原料的煅烧原料的煅烧原料煅烧时产生一系列物理化学反应，能改善制品的成分及其组织结构，保证制品的体积稳定及其外形尺寸的准确性，提高制品性能。原料煅烧目的： 去除原料中易挥发的杂质和夹杂物 使原料的颗粒致密化及结晶长大 促使完成同质异晶的晶型转

11、化根据原料特点根据原料特点和工艺要求分为和工艺要求分为活化烧结轻烧活化二步煅烧死烧原料的破粉碎原料的破粉碎破粉碎是克服物料表面质点的表面张力和克服物料内部质点间的库仑引力的过程。破粉碎方式大致可分四种：挤压、冲击、磨碎和劈裂。各种粉碎机械的作用，都是以上几种方式的组合。 机械化学和超细粉机械化学和超细粉机械粉碎不仅是一个机械力学过程，而是一个对固体施以机械能之后，物料产生物理、化学变化的过程称机械化学晶体结构的变化 晶粒大小、晶格畸变、晶格缺陷、结晶结构等变化。表面活性的变化 表面能增加，比表面增大。固体表面形成氧化层、非晶层 例如Si02细磨后，生成可溶性表面层，促发矽肺病。 助磨剂助磨剂助

12、磨剂在粉磨过程中，吸附在物料颗粒表面，使物料表面自由能和晶格畸变程度减小，促使颗粒软化，另外，助磨剂的吸附可平衡颗粒表面上因粉碎而产生的不饱和价键，防止颗粒重新聚结。水是一种最简单的助磨剂，适量水可助磨又可防尘。坯料的制备坯料的制备 耐火材料制品几乎都是由粉料颗粒经加工制备而成，所涉及的颗粒，通常是指毫米至微米级的颗粒。颗粒的几何学性质 粉体颗粒的构造 一次颗粒 ；二次颗粒或团聚体；废旧制品重新利用 颗粒粒度 通常指粒径和粒度分布。工程实际上没有任何耐火粉料是由同一粒度颗粒组成，而是由不同粒度组成的多分散颗粒系统。 颗粒形状 颗粒形状直接影响粉体的性质，如物料的流动性，充填性，制品的体积密度，

13、不定形耐火材料(如耐火泥浆、浇注料等)的施工性能。坯料的制备坯料的制备粉料流动与液体流动不同粉料流动与液体流动不同粉料在静态条件下能传递剪切应力，静态摩擦角大于零。所以粉料可堆放，液体则不能；在一般粉料上施加压力后具有粘结强度，并在负载下保持一定形状。粉料流动时，其剪切应力与剪切速率无关，与作用在固体中的平均压力有关；液体恰恰相反，剪切应力与压实力无关，而与剪切速率有关。粉料流动与液体流动不同粉料流动与液体流动不同传统的描述粉料的指标休止角：未加负荷的粉料堆积在水平面上，假设落在料堆顶上的料流速度是可忽略不计的，则料堆与水平面的交角称为休止角。（用于确定料堆的形状）注：贮料仓中的拱结构坯料的颗

14、粒组成坯料的颗粒组成理想的堆积：粗颗粒构成框架，中间颗粒填充于大颗粒构成的空隙间，与大颗粒相切，细粉填充于中间颗粒构成的空隙中。在耐火材料生产中，通常采取粗颗粒、中颗粒和细颗粒配合。单一颗粒的堆积方式与气孔率单一颗粒的堆积方式与气孔率序号序号堆积方式堆积方式配位数配位数气孔率气孔率%1立方立方647.642六方型六方型839.553复六方型复六方型1030.204角锥型角锥型1225.755四面体型四面体型1225.95多组分球体堆积特征多组分球体堆积特征球体组分球体组分球体体积球体体积%气孔率气孔率%气孔率下气孔率下降降%16238285.614.423.6394.65.49.04982.0

15、3.4599.20.81.2 采用单一的颗粒不能达到紧密堆积；采用多组分可达紧密堆积，而且组分颗粒尺寸相差越大越好，一般相差45倍以上效果方显著； 较细颗粒的数量，应足够填充于紧密排列的颗粒构成的间隙之中。实际当有两种组分时，粗细颗粒的数量比为7：3（65：35），当有三种组分时7：1：2； 增加组分的数目可提高堆积密度，使它接近于最紧密堆积，但当组分大于3时，实际意义不大。 在可能条件下，应适当增大临界颗粒尺寸，以使各组分颗粒尺寸相差大些。颗粒颗粒坯料的颗粒组成坯料的颗粒组成在连续颗粒系列中，设D是最大颗粒粒径，d是任意大小颗粒的粒径，y 是粒径d以下的含有量，若取配合料的总量为100%，则

16、q值随颗粒形状等因素变化，一般为0.30.5例：D5mm, d=3mm时， y=81.5, 则53： 18.5%；D=1mm, y=52.5, 3-1:29%; 1-0:17.5%(以65：35算），则：53 18.5%；31 29%；10 17.5%配料配料配料的组成 包括按规定比例配合的各种原料和同一原料的各不同颗粒组成的粉料。 配料的化学组成必须能满足制品的要求，并且应比制品指标要求高些。 在配料中应含有结合成分，使坯料具有足够的结合性。 原料中含有水分和灼减成分时，原料、配料和制品的化学组成之间应进行换算。注意：目前多采用重量配料法。混练混练使两种以上不均匀物料的成分和颗粒均匀化，促进

17、颗粒接触和塑化的操作过程称混练。混练质量好的坯料标准混练质量好的坯料标准各个成分是均匀分布的（包括不同原料的颗粒，同一原料的不同大小的颗粒和水分等）；坯料的结合性得到充分的发挥；空气充分排除；再粉碎程度小。混合机理混合机理对流混合（移动混合），颗粒成团的移动；扩散混合，颗粒分散到新出现的粉料面上；剪切混合，在物料团块内部颗粒之间相对的缓慢移动，在物料中形成若干滑移面。混合过程混合过程I快速混合阶段扩散混合阶段后期混合阶段四种力：四种力：液体架桥和毛液体架桥和毛细管引力细管引力粘结剂附着力粘结剂附着力范德华引力范德华引力机械捏合力机械捏合力混练时的加料顺序混练时的加料顺序通常先加入粗颗粒料，然后

18、加水或泥浆、纸浆废液，混合12min后，再加细粉。若粗细颗粒同时加入，易出现细粉集中成小泥团及“白料”。 坯料的塑化处理可采用困料（陈腐） 困料中的水化反应，有时能产生胶体物质水化反应水化反应例如含CaO偏高的镁质坯料在困料时发生下述化学反应： MgO+H2O Mg(OH)2 CaO十H2O Ca(OH)2 生成物呈胶体性质，提高坯料的结合性和可塑性，降低体积效应的危害性。 水化反应水化反应 坯体可塑性在很大程度上取决于颗粒周围的水溶剂化膜的作用，因为它起润滑剂的作用，降低颗粒间的摩擦，促使其滑动。与此相反，颗粒周围的空气则使颗粒分离，降低其可塑性。耐火材料成型工艺耐火材料成型工艺耐火坯料借助

19、于外力和模型，成为具有一定尺寸、形状和强度的坯体或制品的过程叫成型。 按坯料含水量的多少，成型方法可分如下三种： 半干法坯料水分5左右； 可塑法坯料水分15左右； 注浆法坯料水分40左右。半干法压制的理论基础半干法压制的理论基础半干法压制的物理实质 压制过程中，借助于压力的作用坯料颗粒重新分布，在机械结合力、静电引力以及摩擦力的作用下，坯料颗粒紧密结合，发生弹性和脆性形变，空气排出，坯料颗粒结合成具有一定尺寸及形状和一定强度的制品。压制的动力学过程 压制的过程可用压力-压缩曲线表示。按三段进行：1颗粒重排；2弹性及脆性变形；3极限压力下致密半干法压制的理论基础半干法压制的理论基础半干法压制的理

20、论基础半干法压制的理论基础压制压力使坯体获得一定密度的压力，由三部分组成：克服坯料颗粒间内摩擦力的压力；克服坯料颗粒与模壁间的外摩擦力； 由于坯料水分、颗粒组成及其在模内填充的不均匀性，使压力的分布在某些部分呈现不均匀性，为克服这种压力分布不均匀性，需要过剩压力。半干法压制的理论基础半干法压制的理论基础压制时压力的分布与层密度现象距受压面近的地方密度大，而随着离受压面距离的增加，气孔率逐渐增大，密度下降，坯体的这种现象称层密度。 坯体被压制时，施加于坯体上的外力被方向相反、大小相等的内部弹性力所均衡。外力取消后，由于压制过程中产生的弹性而引起坯体膨胀的作用称弹性后效。 层裂层裂气相的影响。坯料

21、中的气体，能够增加物料的弹性变形和弹性后效 。水分的影响。水的压缩性小，具有弹性，在高压力下，水在颗粒的间隙进出。加压次数对层裂的影响。在条件相同的情况下，间断地卸荷比一次压制密度高。 压制时间及压力的影响。在条件相同的情况下，慢慢地增加压力，即延长加压时间，也能得到类似压缩程度很大的结果。注浆成型法注浆成型法粉状原料加入适当的解胶剂(反絮凝剂)，调成泥浆，浇注到吸水性模型(一般为石膏模)中吸去水分，形成坯体。 要求：泥浆浓稠，易流动，有粘性，脱模时间短，脱模后强度大。 泥浆在实际生产中会出现以下异常现象：1泥浆冻结；2泥浆的触变；3泥浆的沉降容大。可塑成型法可塑成型法可塑法所用坯料的水分，一

22、般在16以上坯料坯料挤泥机挤泥机泥条泥条荒坯荒坯规定尺寸规定尺寸形状坯体形状坯体振动成型振动成型 物料在每分钟3000次左右频率的振动下，坯料质点相互撞击，动摩擦代替了质点间的静摩擦，坯料变成具有流动性的颗粒。使颗粒能够密集并填充于模型的各个角落而将空气排挤出去。热压成型热压成型在烧结过程中，气孔中的气压增大，抵消了作为推动力的界面能的作用（制品难致密）；另一方面，封闭的气孔中，只能通过晶体内部物质扩散来充填，比界面扩散慢得多。为使制品达到理想致密状态，有两种方法： 采用真空烧结法，避免在气孔中聚集气体； 烧结时施加压力，以保证足够的推动力-热压成型。热压注成型热压注成型( (热压注浆热压注浆

23、) ) 以有机结合剂作为分散介质，以硅酸盐矿物粉末为分散相，在一定温度 (7085)下，配制成料浆，然后在金属模型中成型制品。( 蜡饼） 电熔注（铸）法电熔注（铸）法 将耐火原料在电弧炉中熔融，然后将熔体浇注到耐火铸模内铸造成型。因为流体的流动性要好，一般浇注温度须在1900 2000。铸造物在凝固过程中生成稳定的晶相，同时形成细致的结晶组织。（退火） 电熔锆刚玉砖电熔锆刚玉砖等静压成型等静压成型传给粉料的成型技术。对液体加压，通过橡皮膜将其压力均匀地成型性 加压无方向性，可以得到密度均匀的坯体，不会出现其它机械压制时的层密度现象。烧结性 由于坯体密度均匀，烧成时收缩无方向性，故不致于因密度差

24、产生应力而出现烧成裂纹。对成型坯体的共同的要求对成型坯体的共同的要求具有符合设计要求的形状、尺寸、精度坯体结构致密、均匀、不分层、不开裂坯体具有足够的机械强度坯体符合预期的化学组成和物理化学性能要求耐火材料的干燥耐火材料的干燥干燥：用蒸发的方法从坯体中排除所含水分的过程。目的：提高坯体机械强度，有利于装窑操作并保证烧成初期能够顺利进行。干燥过程干燥过程干燥分为三个阶段（预热阶段时间较短）：第一阶段等速干燥，是干燥过程中最主要的阶段。大量水分（表面）排出，排出速度始终是恒定。第二阶段降速干燥，坯体含水量减少，坯体表面的有效蒸发面积逐渐减少，干燥速度降低；第三阶段干燥速度接近零，坯体中水分不再减少

25、（0？）。粘土砖坯体干燥时的体积收缩和排水量粘土砖坯体干燥时的体积收缩和排水量干燥制度干燥制度 干燥制度是砖坯进行干燥时的条件总和。包括干燥时间、进入和排出干燥介质的温度和相对湿度，砖坯干燥前的水分和干燥终了后的残余水分等。干燥时间是关系到正确选择干燥设备，保证正常生产和经济性的一个重要问题。砖坯干燥残余水分根据下列因素确定砖坯干燥残余水分根据下列因素确定砖坯的机械强度满足运输装窑的要求；满足烧成初期快速升温的要求；为制品的大小和厚度所决定，通常形状复杂的大型和异型制品的残余水分应低些；不同类型烧成窑有不同的要求。 干燥方法干燥方法分为常温干燥和加热干燥常温干燥：一般堆放在空气流通的厂房内风干

26、或阴干。加热干燥1干燥坑 2室式干燥 3隧道干燥 4电热干燥新干燥方法：高频电干燥、微波干燥等耐火材料的烧成耐火材料的烧成烧成过程中的物理化学变化耐火材料在烧成过程中的物理化学变化，是确定烧成过程中的烧成制度的重要依据。烧成过程中的物理化学变化主要取决于制品的化学矿物组成、烧成制度等。耐火制品烧成过程大致分为以下阶段耐火制品烧成过程大致分为以下阶段坯体排出水分阶段 (10200)分解、氧化阶段 (2001000) 液相形成和耐火相合成阶段 (1000以上) 烧结阶段 冷却阶段 烧结烧结烧结：物料经高温作用，变成具有一定强度和低气孔率，甚至无气孔的致密石状物的工艺过程。衡量烧结程度通常用灼减，密度，体积密度，气孔率，晶体粒径，水化程度等指标。 坯体的烧结过程可以概括为以下三个阶段 热态接触 开始阶段 形成封闭气孔阶段完成烧结过程的两个必要条件是温度和时间。 烧成制度的确定烧成制度的确定耐火制品的烧成制度包括升温速度、烧成最高温度、保温时间、冷却速度和烧成气氛等 。 升温速度或冷却速度的允许值取决于坯料承受的应力。 最高烧成温度由原料的性质和对制品性能要求决定。保温时间在保证制品充分烧结下尽量缩短。