耐火材料工艺学：第一章 耐火材料的组成和性能

1、第一章 耐火材料的组成和性能1.1 耐火材料的化学、矿物组成1.2 耐火材料的结构性能 1.3 耐火材料的热学性能1.4 耐火材料的力学性质1.5 耐火材料的使用性能 作为高温结构材料，耐火材料在使用过程中受到多种物理、化学因素的综合作用，为了满足各种使用条件的需要，对不同用途的耐火材料的使用性能要求是不一样的。 耐火材料的使用性能是由其化学矿物组成、结构性能、力学性能和热学性能来决定的。 本章从耐火材料的化学矿物组成入手，介绍了以上几方面的内容。 本章的内容是耐火材料的共性问题，是学习、理解耐火材料的基础。陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能要求耐火材料具有能适应各种操作条件的性质： 耐

2、火材料使用温度：一般为10001800 高温下发生的物理、化学、机械等作用耐火材料在使用过程发生的变化： 容易熔融软化，或被熔蚀磨蚀 产生崩裂损坏等现象，使操作中断 玷污物料 陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能耐火材料的一般性质 化学矿物组成；组织结构；力学性质； 热学性质； 高温使用性质1）耐火材料常温下测定的性质 气孔率、体积密度、真密度和耐压强度等。可以预知耐火材料在高温下的使用情况2）耐火材料高温下测定的性质 耐火度、荷重软化点、热震稳定性、高温体积稳定性 反映在一定温度下耐火材料所处的状态，或反映在该温度下它与外界作用的关系。陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能耐火材料的性

3、能的重要性陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能耐火材料的性能评价制品质量的标准制定和改进生产工艺的依据检查生产过程是否正确稳定的依据正确合理地选用耐火材料依据陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能 既定的原料，即化学矿物组成一定时，采取适当的工艺方法，获得具有某种特性的物相组成(如晶型、晶粒大小、分布及形成固溶体和玻璃相等)，在一定限度内提高制品的工作性质。1.1 耐火材料的化学矿物组成耐火材料的性质耐火材料化学矿物组成物相组成物相分布各物相的特性陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能堇青石莫来石耐火材料原料的化学组成（wt%）原料名称Al2O3SiO2CaOMgOK2ONa2OTiO

4、2Fe2O3铝矾土92.231.80 0.25 0.050.280.034.950.21高岭土41.2254.960.210.161.730.240.400.95滑石0.5959.655.2134.300.010.130.010.04工业氧化铝99.5原料滑石高岭土铝矾土氧化铝含（wt%）38.447.010.64.0合成堇青石材料的化学矿物组成（wt%）合成堇青石材料的化学组成（wt%）化学组成Al2O3SiO2CaOMgOK2ONa2OTiO2Fe2O3堇青石33.3750.431.7510.070.750.300.441.22陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能堇青石莫来石耐火材料化

5、学矿物组成颗粒mm成分2.00.50.500.075合计堇青石(wt%)2661345莫来石(wt%)154625结合剂(wt%)3030结合剂的化学矿物组成组成结合剂各种原料的组成滑石高岭土铝矾土 Al2O3 合计堇青石基38.4 3047 3010.6 3043030莫来石基 201030陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能原料名称Al2O3SiO2CaOMgOK2ONa2OTiO2Fe2O3堇青石基35.3250.431.7510.070.750.300.441.22莫来石基49.3441.251.026.020.990.150.380.64堇青石莫来石耐火材料化学组成堇青石莫来石堇

6、青石基(wt%)7525莫来石基(wt%)4555堇青石莫来石耐火材料物相组成陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能1. 化学组成 化学组成是耐火材料制品的基本特性。 耐火材料化学组成按各成分含量和其作用分两部分 占绝对多量的基本成分主成分 占少量的从属的副成分。 副成分：原料中伴随的夹杂成分 工艺过程中特别加入的添加成分(加入物)。 原料滑石高岭土铝矾土氧化铝含（wt%）38.447.010.64.0合成堇青石材料的化学矿物组成（wt%）化学组成Al2O3SiO2CaOMgOK2ONa2OTiO2Fe2O3堇青石33.3750.431.7510.070.750.300.441.22陶瓷工业

7、用耐火材料-耐火材料的组成和性能1）主成分 主成分是指在耐火材料中对材料的性质起决定作用并构成耐火基体的成分。 一般为氧化物、元素或某些元素的化合物。耐火材料按其主成分的化学性质分为三类： 酸性耐火材料 硅质耐火材料：9497的游离硅氧(SiO2)构成。酸性最强 粘土质耐火材料：游离硅氧(SiO2)的量较少，是弱酸性的。 半硅质耐火材料居于其间陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能中性耐火材料 高铝质耐火材料(A12O345以上)是偏酸而趋于中性 铬质耐火材料是偏碱而趋于中性。 碱性耐火材料MgO和CaO等， 镁质和白云石质耐火材料是强碱性的， 铬镁系、镁橄榄石质和尖晶石耐火材料为弱碱性陶瓷

8、工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能2）杂质成分 耐火材料中由原料及加工过程中带入的非主要成分的化学物质（氧化物、化合物等）称为杂质。 杂质与主要成分在高温下发生反应，生成低熔性物质或形成大量的液相，降低耐火材料基体的耐火性能，也称之为熔剂。即杂质成分对耐火基体起一定的熔剂作用，降低耐火制品的耐火性能。有利作用是降低制品（原料）的烧成温度，促进烧结。 注:杂质的熔剂作用只是相对的，这种作用取决于基体的性质和杂质的组成和比例。耐火制品(耐火材料)中杂质成分作用: 应用制品的化学组成可判断与熔液量变化直接有关的制品的高温性质，如耐火度，荷重变形温度、抗渣性等 杂质成分的熔剂作用使系统的共熔液相生成

9、温度愈低，单位熔剂生成的液相量愈多，且随温度升高液相量增长速度愈快，粘度愈小，润湿性愈好，则杂质熔剂作用愈强。 降低制品(原料)的烧成温度，促进其烧结。 使制品的某些耐火性能降低。陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能制品的化学组成、熔液量变化与高温性质关系： (1) 开始生成液相量减少，荷重开始变形温度越高； (2) 生成液相量的温度曲线越平缓，荷重变形温度范围越宽 (3) 耐火度与开始生成的液相量有关； (4) 原料和制造方法相同而配料比不同时，开始生成液相量多的制品，其热震稳定性和抗渣性低而常温耐压强度大。 3)添加成分 耐火材料的化学组成中除主

10、要成分和杂质成分外有时为了制作工艺的需要或改善某些性能往往人为地加入少量的添加成分，引入添加成分的物质称为添加剂。 作用是促进耐火制品在生产中的高温变化和降低烧结温度等。 按照添加剂的目的和作用不同可分为矿化剂、稳定剂、促烧剂（烧结剂）等。陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能二氧化硅结合碳化硅材料配方百分比编号SiCSiO2微粉Si微粉V2O5CaOA11004000A210041.500A31004020A41004001A510041.521陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能SiC粒度wt/%1230目302036目260.50mm20 325F24二氧化硅结合碳化硅材料颗粒级配

11、陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能4）化学组成测试方法专门标准规定。较新方法：比色法、有机试剂（络合物）滴定法、火焰光度法、光谱分析法、x射线荧光分析法等陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能2.矿物（物相）组成 耐火材料（制品）一般说来是一个多相组成体，其矿物组成取决于耐火材料的化学组成和生产工艺条件，矿物组成可分为两大类：结晶相与玻璃相，其中结晶相又分为主晶相和次晶相。 主晶相是指构成耐火制品结构的主体而且熔点较高的结晶相。主晶相的性质、数量、结合状态直接决定着耐火制品的性质。次晶相又称第二固相，是在高温下与主晶相共存的第二晶相。 如镁铬砖中

12、与方镁石并存的铬尖晶石，镁铝砖中的镁铝尖晶石，镁钙砖中的硅酸二钙，镁硅砖中的镁橄榄石等。 次晶相也是熔点较高的晶体，它的存在可以提高耐火制品中固相间的直接结合，同时可以改善制品的某些特定的性能。如：高温结构强度以及抗熔渣渗透、侵蚀的能力。 陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能基质(结合相): 填充于主晶相之间的不同成分的结晶矿物（次晶相）和玻璃相。基质的影响: 基质的熔点一般较低，其组成和形态对耐火制品的高温性质和抗侵蚀性能起着决定性。 采用调整和改变耐火制品的基质 成分是改善制品性能的有效工艺措施。 基质对于主晶相而言是制品的相对薄弱之处。陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能陶瓷工业

13、用耐火材料-耐火材料的组成和性能矿物组成测试方法： 原料的加热相变化 制造中配料间相互反应产生的相变化 耐火材料在使用中的相变化三方面来研究与考察耐火材料的矿物组成目的： 确定耐火制品的生产工艺 制品质量的鉴定 判断是否适用于使用条件 陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能3.耐火材料的显微结构 耐火材料显微结构: 固相（结晶相与玻璃相）和气孔两部分构成的非均质体。它们之间的相对数量及其分布和结合形态 耐火制品的显微组织结构表征内容： 耐火材料中主晶相与基质间的结合形态。陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能 (a) (b)耐火制品的显微组织结构 (a) (b)耐火材料主晶相与基质的结合形

14、态： a 陶瓷结合（硅酸盐结合） b 直接结合陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能a 陶瓷结合(硅酸盐结合) 结构特征:耐火制品主晶相之间由低熔点的硅酸盐非晶质和晶质联结在一起而形成结合（图a）， 普通镁砖中硅酸盐基质与方镁石之间的结合。 使用注意点：此类耐火制品在高温时，低熔点的硅酸盐首先在较低的温度下成为液相（或玻璃相软化），大大降低了耐火制品的高温性能。 陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能直接结合结合，其结构特征是耐火制品主晶相之间由晶体颗粒直接交错结合成结晶网而形成结合（图b） 如氮化硅结合碳化硅制品的中氮化硅基质与碳化硅之间的结合。 使用注意点： 属于直接结合结构类型的制品

15、的高温性能(高温力学强度、抗渣性和热震稳定性)要优越得多。 用高纯原料，减少砖中低熔硅酸盐结合物。 高温下使少量液相移向颗粒间隙中，而不包围在固体颗粒周围，使固体颗粒构成连续的结晶网陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能 B 2000倍 D 3000倍13500C合成以莫来石基为结合剂堇青石莫来石复合材料的SEMC 2000倍 D 3000倍 13500C烧成以堇青石基为结合剂堇青石莫来石复合材料SEM图陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能方石英的晶间玻璃陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能富含C2F的镁沙结构特征陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的

16、组成和性能C2F胶结方镁石陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能硅砖基质中玻璃相及其中的磷石英析晶状态陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能硅酸盐结合碳化硅制品的结构模型陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能氮化硅结合碳化硅制品的结构模型陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能氧氮化硅结合碳化硅制品的结构模型陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能符生于SiC晶面上自由发育的Silon陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能编号A10A2Si 1.5A3V2O52 A4CaO1A5Si1.5V2O5 2 CaO 1陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能1# 2# 5%SiO23#5%Si4#5%Al(OH)3陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能刚玉晶间填充玻璃相并析出钛酸铝固溶体陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能镁砖的显微结构陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的组成和性能陶瓷工业用耐火材料-耐火材料的