耐火材料工艺学课件

2.5耐火材料的使用性能2.5.1耐火度

耐火度是指耐火材料在高温下抵抗熔化的能力。基本指标，可粗略识别耐火材料质量。耐火材料的实际使用温度总要比材料的耐火度低，作为选材参考。耐火度是材料耐高温的特性。(ISO/TC33）1986年公布耐火度达到1500℃以上的无机非金属材料或制品为耐火材料。耐火度不是熔点，多相固体混合物，不是单相的纯物质，表征材料在无荷重和高温作用下熔融和软化的程度，重要质量指标之一。不能把耐火度作为使用温度，达耐火度时已有70％～80％的液相生成，其粘度为10～15Pa·s，不再有机械强度和耐侵蚀性。提高耐火原料的纯度，可提高耐火材料的耐火度。耐火度的测定方法是将材料做成截头三角锥。在规定的加热条件下，与标准高温锥弯倒情况作比较。直至试锥顶部弯倒接触底盘，此时与试锥同时弯倒的标准高温锥可代表的温度即为该试锥的耐火度。试锥在不同熔融阶段的弯倒情况a－熔融开始以前；b－在相当于耐火度的温度下；c－在高于耐火度的温度下耐火度通常都用标准测温锥的锥号表示。各国标准测温锥规格不同，锥号所代表的温度也不一致。有德国的塞格尔锥（SK）、国际标准化组织（ISO）、中国的（WZ）和前苏联（ПК）等。其中ISO、WZ、ПК是一致的，采用锥号乘以10即为所代表的温度。测温锥得WZ、ПК和SK标号对照表中温部分WZ标号ПК标号SK标号德国标准/℃美国标准/℃110110111001160112112211201165114114311401170116116411601190118118511801205120120612001230中温部分WZ标号ПК标号SK标号德国标准/℃美国标准/℃1231237123012501251258125012601281289128012851301301013001305132132111320132513513512135013351381381313801350测温锥得WZ、ПК和SK标号对照表中温部分WZ标号ПК标号SK标号德国标准/℃美国标准/℃1411411414101400143143151435143514614616146014651481481714801475150150181500149015215219152015201531532015401530测温锥得WZ、ПК和SK标号对照表高温部分WZ标号ПК标号SK标号德国标准/℃美国标准/℃158158261580159516116127161016051631632816301615165165291650164016716730167016501691693116901680测温锥得WZ、ПК和SK标号对照表高温部分WZ标号ПК标号SK标号德国标准/℃美国标准/℃171171321710170017317333173017451751753417501760177177351770178517917936179018101821823718251820测温锥得WZ、ПК和SK标号对照表高温部分WZ标号ПК标号SK标号德国标准/℃美国标准/℃1851853818501835188188391880192192401920196196411960200200422000测温锥得WZ、ПК和SK标号对照表影响耐火制品耐火度的因素：杂质成分特别是强溶剂作用的杂质，将严重降低制品的耐火度。成分分布不均匀，不能形成理想的高熔点矿物，耐火度降低。耐火材料在使用中经受高温作用的同时还伴随有荷重和外物的溶剂作用等等。一些耐火原料及制品的耐火度名称耐火度范围/℃名称耐火度范围/℃结晶硅石1730～1770硅砖1690～1730高铝砖1770～2000粘土砖1610～1750镁砖＞2000硬质粘土1750～1770白云石砖＞20002.5.2高温荷重软化温度荷重软化温度指耐火材料在恒定的荷重下，对高温和荷重共同作用的抵抗性能。也为高温荷重变形温度，耐火制品在持续升温条件下，承受恒定载荷产生变形的温度。耐火制品同时抵抗高温和载荷两方面作用的能力。测定荷重软化温度的方法有示差-升温法和非示差-升温法两种。测定一般是加压0.2MPa，从试样膨胀的最高点压缩至它原始高度的0.6％为软化开始温度，4％为软化变形温度及40％变形温度。耐火制品的0.2MPa荷重变形温度/℃耐火砖种类0.6％变形温度（TH）4％变形温度40％变形温度（TK）TK-TH硅砖（耐火度1730℃）1650167020刚玉砖（Al2O390%）18701900莫来石砖（Al2O370%）160016601800200镁砖（耐火度约2000℃）1550158030一级粘土砖（Al2O340%，耐火度1730℃）140014701600200三级粘土砖125013201500250各种耐火材料的荷重变形曲线1－高铝砖（Al2O370%）；2－硅砖；3－镁砖；4，6－粘土砖；5－半硅砖影响高温荷重软化温度因素：(1)化学矿物组成。结晶相、晶体构造和性状，即晶体是否形成网络骨架，或孤岛状分散在液相中，前者软化温度高，后者受液相的含量及其黏度所决定。晶相和液相的数量及液相在一定温度下的黏度，如液相量愈多，或黏度愈小，则软化温度下降愈多。晶相与液相的相互作用会改变液相数量和性质。粘土砖:由耐火粘土和粘土熟料制成。相组成是莫来石和大量硅酸盐玻璃相，高温荷重由玻璃相承担，荷重能力主要决定于玻璃相的含量和黏度。硅酸盐玻璃相在800~900℃下就开始变为黏度很大的液相。随温度升高液相黏度基本没有降低，因为晶相在液相中溶解量增多，使硅氧量增多，黏度增大。粘土砖具有很宽的荷重变形温度范围，达200℃。硅砖:相组成是鳞石英和少量方石英，鳞石英在砖中形成矛状双晶相互交错构成结晶网络，形成了制品的坚固骨架，网络骨架不受破坏。液相的出现并不影响荷软温度（TH）,鳞石英在接近熔点时，由于溶解使骨架破坏，引起砖变形以至坍塌。开始变形温度和终了温度只差10~20℃。（2）制品的致密度影响。致密度提高，开始变形温度升高，但对荷重终了温度影响不大。在工艺因素中，烧成温度、配料颗粒组成，原料纯度，添加物等有影响。（3）

其他。熟料颗粒组成与气孔率含量，熟料用量多会使气孔率提高，降低体密度从而使软化点降低。提高原料纯度、减少低熔物或溶剂含量，会提高荷软温度。耐材使用中注意：实际使用时荷重远小于0.2MPa，开始变形温度将提高。砌体在厚度上受热不均匀，大部分负荷由温度较低部分承担。承受时间很长。同时还承受其他类负荷。高温室璇顶使用温度低于开始软化点。2.5.3重烧线变化率体积稳定性又称重烧收缩或膨胀。耐火材料在高温长期停留时体积发生的不可逆变化。大多数耐火材料高温下会产生残余收缩，而硅砖却膨胀。残余收缩或膨胀过大会使炉体强度受到影响，甚至发生倒塌。选材时要求残余收缩或膨胀小，且不超过其使用温度。重烧线变化计算式中

Lc为试样重烧线变化率，％；L1为加热后试样长度，mm；L0为加热前试样长度，mm。上式计算结果正值表明膨胀，负值表明收缩。当重烧体积变化很小时，可以用3ΔL表示体积变化百分率。各种不烧制品和耐火粉料不经高温烧成即行使用，重烧线变化的测定就更为重要。常用耐火材料的重烧线变化指标材

质品

种测试条件指标值粘土质N-11400℃，2h+0.1-0.4N-2a1400℃，2h+0.1-0.5N-2b1400℃，2h+0.2-0.5N-3aN-3bN-4N-51350℃，2h+0.2-0.5重烧线变化值是砌窑时预留胀缝和烤窑时制订升温曲线与松拉条的依据。尽可能小。较大的重烧线变化增加操作负担，还影响窑炉气密性和寿命。玻璃窑炉对硅砖、电熔锆刚玉砖应多注意。2.5.4抗热震性热稳定性又称为耐急冷急热性。耐火材料抵抗温度的急剧变化而不破裂或剥落的性能。对间歇式作业的设备特别重要。影响抗热震性的因素是耐火材料的热物理性质（如导热性、热膨胀系数）、组织结构、颗粒组成和形状尺寸。热膨胀系数小、弹性模量小、热导率大的材料抗热震性好。YB/T376.1-1995直形砖水急冷法.将长200~230mm、宽100~150mm、厚50~100mm的直形砖的受热端面伸入至1100℃的炉内50mm，保持20min。取出试样迅速将其受热端浸入到流动冷水中急冷3min，然后干燥。用受热端面破损一半的热循环次数表征其抗热震性。2.5.5抗渣性抗渣性指耐火材料在高温下抵抗炉渣侵蚀和冲刷作用的能力。熔渣侵蚀是材料在使用中最常见的一种损坏形式。约有50%损坏是由熔渣侵蚀引起。耐材抗渣性主要与材料的化学矿物组成及组织结构有关，也与熔渣的性质及相互条件有关。采用高纯耐火原料，改善化学矿物组成，尽量减少低熔物及杂质含量，制品产生液相及与外界开始反应的温度提高，可提高制品抗渣性。再者注意选材，尽量选用与渣的化学成分相近的耐材，减弱界面反应强度。或是尽量改变渣的成分。耐材使用应注意到所用材料之间化学特性应相近，防止或减轻高温下界面损毁反应。不同耐火材料间的相互反应温度/℃硅砖无石英砖无无白泡石130013001300粘土砖1300140013001400高铝砖1300145013001400无刚玉砖1400145014001300无无锆刚玉砖800800800900140015001400镁砖无无无无无无无1000锆英石砖测定耐火材料抗渣性方法分为静态法和动态法两类。静态法包括熔锥法、坩埚法和浸渍法。熔锥法。将耐火材料与炉渣分别磨成细粉，按不同比例混合，制成截头三角锥，其形状、大小与标准测温锥相同，然后按耐火度试验方法进行测试，以耐火度降低程度来表示耐火材料抗渣性的优劣。坩埚法。耐火制品上切取边长为80mm，高度为65mm的立方体，或钻取直径50mm、高50mm的圆柱体试样，在其顶面中心钻一直径30~40mm、深度30~40mm孔，装入炉渣，在规定温度下加热，并保持一定时间。冷却后，从钻孔的直径部位切开，观察炉渣对耐火材料的侵蚀情况。浸渍法。将耐火制品切成圆棒状，在规定温度下，浸入熔渣中，浸渍一定时间后，取出观察侵蚀情况，测定其体积变化，计算侵蚀百分率。动态法包括回转渣蚀法、转动浸渍法、撒渣法、高温滴渣法和感应炉法。回转渣蚀法。将被检测的耐火制品切制成一定形状的试块，可以是6块或9块。砌在一个小型回转炉内，炉体可自由倾斜，转速为0~10r/min。用燃气加热到试验温度。在一定时间内加入一定量的炉渣，视其渣蚀情况，持续一段时间，将渣倒出。冷却后，拆开砌在一起的试块，沿试块的长度方向垂直渣蚀面切开，测量试验前、后试块厚度变化，计算渣蚀量，用mm或%表示。这是比较好的一种动态测定耐火材料抗渣性的试验方法，特点是直观、对比性强、重复性好。缺点是炉内气氛较难控制，试验后试块的厚度测量不易掌握。中国（GB8931）、美国（ASTMC874）以及英国（BS1902：5·13）都规定用这种方法作为检测耐火材料抗渣性的标准方法。转动浸渍法。亦称旋棒法，与浸渍法不同点是将圆棒试样浸入熔渣中旋转一定时间后取出，观察侵蚀情况。撒渣法。将耐火材料切制成长方体试样，置于电炉内，加热到试验温度，将一定量的炉渣通过石英管分次均匀地撒布在试样顶面中心处，保温一定时间，冷却后，测量熔渣侵蚀前后试样的体积变化，计算其侵蚀百分率。高温滴渣法。将炉渣压制成棒状，与水平面成10°角插入到耐火材料试样的试验炉内，试样的受蚀面与水平面成3010°角斜靠在炉壁上，当加热到试验温度时，渣棒熔化，不断向前移动，使渣滴落在试样的受蚀面上，流蚀成沟。冷却后，从试样下边缘38mm处切开，测量渣蚀的宽度和深度，并测量蚀损的体积。感应炉法。把要被检测的耐火材料作成小型感应炉炉衬，置于感应圈内，加入一定量的金属，待其熔化后，再加入一定量的炉渣，在试验温度下保持一定时间。冷却后，切开炉衬的断面，观察比较其侵蚀情况。这种方法比较好，特点是直观、对比性强、炉内气氛易于控制。缺点是设备复杂、昂贵。耐玻璃侵蚀性是高温下抵抗玻璃料粉、玻璃液及碱、硼蒸气等侵蚀的性能。以试样被侵入深度和侵蚀后矿相的变化来表示。浸渍法坩埚法2.5.6抗酸性耐火材料抵抗酸侵蚀的能力。根据《致密耐火制品耐酸性的规定》：

1组，失重量≤2%；

2组，2%＜失重量≤4%；3组，4%＜失重量≤7%。显气孔率：分为A级≤15%；B级＞15%。耐酸耐火制品牌号表示，用失重量的组别号数加表示级别的字母。测定耐火制品抗酸性的方法：选用硫酸作为侵蚀剂，如国际标准《致密定型耐火制品—抗硫酸的测定》（ISO8890）和PRE/R22，规定将耐火制品破碎，磨细到0.63~0.80mm的颗粒，放入质量分数为70%的硫酸中，煮沸6h，然后测定其质量损失，以原干料的质量分数表示。2.5.7抗碱性抗碱性是耐火材料在高温下抵抗碱侵蚀的能力。耐火材料在使用中会受到碱的侵蚀，例如在高炉冶炼，关系到高炉炉衬的使用寿命，提高耐火制品的抗碱性，可以延长高炉的使用寿命。测定耐火材料制品抗碱性的方法：（1）混合侵蚀法。用焦碳颗粒与无水K2CO3混合，把试块埋置其中，在高温密封条件下进行侵蚀反应，测定试块被侵蚀前后的尺寸变化或强度下降率。（2）直接接触熔融侵蚀法。在高温密封条件下，以熔融的K2CO3与试块直接接触进行侵蚀反应，测定试块被侵蚀前后各种性能的变化，2.5.8抗氧化性含碳耐火材料在高温氧化气氛下抵抗氧化的能力。含碳耐火材料优良的抗渣及抗热震性使其在冶金行业上的应用越来越广泛。但是碳在高温下易氧化，损坏的重要原因。要提高含碳耐火材料的抗氧化性，可选择抗氧化能力强的炭素材料；改善制品的结构特征，增强制品致密程度，降低气孔率；使用微量添加剂，如Si、Al、Mg、Zr、SiC、B4C等。GB/T13244-1991规定了含碳耐火材料抗氧化性试验方法。含氧化抑制剂的含碳耐火材料，将试样置于炉内，在氧化气氛中按规定的加热速率加热至试验温度，并保持一定时间，冷却至室温后切成两半，测量其脱碳层厚度。试样为边长50mm的立方体或直径与