第二章 耐火材料的性能.ppt

1、第二章 耐火材料的组成和性能,2.1 耐火材料的化学矿物组成 2.2 耐火材料的宏观结构 2.3 耐火材料的力学性质 2.4 耐火材料的热学性质及导电性质 2.5 耐火材料的使用性质,耐火材料的性质,耐火材料的性质主要包括： （1）化学-矿物组成 （2）微观组织结构 （3）力学性质、热学性质 （4）高温使用性质 耐火材料的性能决定于： （1）化学组成（原料性质） （2）制造方法（工艺过程）,2.1 耐火材料的化学矿物组成,1、化学组成,化学组成是耐火材料最基本的特性，是决定耐火材料物相组成以及耐火材料诸多重要性质的重要基础。 （1）形成何种物相 （2）显示何种性能 （3）改变其性能（如何）,主

2、成分,根据耐火材料中各种化学成分的含量和起作用，通常将其分为：主成分、杂质和外加成分。 耐火材料中的主成分是指占绝大多数的，对材料高温性质起决定性作用的化学成分。 可以作为耐火材料主成分使用的有：氧化物、碳化物、氮化物、硅化物和硼化物以及碳素等。,杂质成分,在耐火材料中不同于主成分的，含量较少而对于耐火材料的高温性能往往带来危害的化学成分称为杂质。 一般由原料及在加工过程中带入的。杂质往往与主成分在高温下发生反应，生成低熔性或大量的液相，从而降低耐火基体的耐火性能，故也称之为熔剂。 杂质是相对的，其本身的熔点往往不低。,外加成分（外加剂）,耐火材料化学组成中除主成分和杂质成分外，为了特定目的而

3、认为加入的少量成分称外加成分。 目的： （1）促进某些物相的形成和转化 （2）抑制某些物相的形成和转化 （3）促进材料的烧结 种类：按照外加成分的目的和作用可分为矿化剂、稳定剂、促烧剂等。,2、矿物组成,矿物是指由相对固定的化学组成的有确定的内部结构和一定物理性质的单质或化合物。 耐火材料中矿物的种类： （1）单一氧化物 （2）复合氧化物,耐火材料中矿物的聚集状态,（1）单相 （2）多相多晶体 （3）多晶体同玻璃体 共同构成的集合体。 根据耐火材料中构成相的性质、所占比例，以及对耐火材料性质的影响，分为主晶相、次晶相和基质。,主晶相、次晶相和基质,主晶相：构成耐火材料结构主体，熔点较高，对耐火

4、材料的性质起支配作用。 次晶相：在高温下与主晶相共存的第二晶相。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。 基质：是主晶相或主晶相和次晶相以外的物相，往往含有主成分以外的全部或大部分杂质。 基质构成： （1）细微晶体构成 （2）玻璃相构成 （3）两者的复合物构成 基质的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的影响。,2.2 耐火材料的宏观结构,耐火材料是由固相（结晶相与玻璃相）和气孔两部分构成的非均质体。 耐火材料的宏观结构：即耐火材料自身的物理属性。 主要包括气孔率、密度、吸水率、透气度、气孔孔径分布等，是评价耐火材

5、料质量优劣的重要依据。 宏观结构：空间线度在10-610-4cm之间，或用肉眼或借助于普通光学显微镜（102500倍）可以观察、分辨的形状和分布。,1、气孔,气孔（容积、形状、大小、分布）影响耐火材料的性能。 (1)开口气孔：一端封闭而另一端与外界相通，能为流体所填充； (2)闭口气孔：封闭在材料中与外界不相通，不能为流体所填充； (3)贯通气孔，贯通材料两面，能为流体所通过。,2、气孔率,气孔率是指耐火材料所含气孔的体积占耐火材料总体积的百分比 （1）开口气孔率(显气孔率) Pa ：耐火材料中开口气孔的体积占耐火材料总体积之百分比； （2）闭口气孔率Pc：封闭气孔的体积占耐火材料总体积的百分

6、比； （3）总气孔率Pt：总气孔体积占耐火材料总体积的百分比。 总气孔率 开口气孔率 闭口气孔率,1-抗热震性； 2-线膨胀系数； 3-体积密度； 4-热导率； 5-耐压强度,气孔率对耐火材料性质的影响,3、密度,密度(g/cm3)是指材料的质量与其体积之比 体积密度(bulk density，缩写为Db) 表观密度(apparent density，缩写为Da) 真密度(true density，缩写为Dt), 体积密度：材料的质量(M)与其所包含的材料的实际体积和全部气孔体积之和的总体积之比，即,密度的计算方法, 表观密度：材料的质量与其所含材料的实际体积和闭口气孔体积之和之比，即, 真密

7、度：材料的质量与其实际体积之比，即,Db体积密度，g/cm3； M 试样的质量，g/cm3； Vt试样中材料的实际体积，cm3； Vo试样中开口气孔的体积，cm3； Vc试样中闭口气孔的体积，cm3。,气孔率与密度之间的关系,吸水率：耐火材料中的全部开口气孔被水充满时所吸收水的质量与干燥试样的质量之比，即,式中： Wa吸水率，%； m1干燥试样的质量，g； m3饱和试样在空气中的质量，g。,4、吸水率,透气度：耐火材料制品在一定压差下，允许气体通过的能力,式中：K材料的透气度，m2； 试验温度下气体的动力粘度，Pas； h试样高度，mm； Q气体的体积流量，L/min； p1气体进入试样端的压

8、力，N/mm2； p2气体溢出试样端的压力，N/mm2。,5、透气度,气孔孔径分布：耐火材料中各种孔径的气孔(指开口气孔)占气孔总体积的百分比,6、气孔孔径分布,2.3 耐火材料的力学性质,耐火材料的力学性质：耐火材料在承受载荷时产生形变和断裂的性能。 耐火材料在承受载荷时，要产生形变。这种形变的大小，随所受载荷的增加而增大，一般首先经弹性变形塑性变形断裂。 根据作用于材料上应力方向的不同，如压缩应力、拉应力、剪切应力、弯曲应力、摩擦力或撞击力等，相应地将材料的强度分为耐压强度、抗折强度、抗剪强度、耐磨性和抗撞击性等。,1、常温耐压强度,常温耐压强度：常温下材料单位面积所能承受的最大压力，用N

9、/mm2，即兆帕(MPa)表示。,S-试样常温耐压强度， MPa P-试样产生破坏时的总压力，N A-试样的受压面积，mm2,常用耐火材料的常温耐压强度,一般制品：10-15MPa 高级制品：25-30MPa,2、高温耐压强度,高温耐压强度：耐火材料在1000-1200的高温热态下单位面积所能承受的最大压力，以N/mm2表示。,常用耐火材料的高温耐压强度,1-刚玉砖；2-粘土砖； 3-高铝砖；4-镁砖； 5、6-硅砖,耐火制品高温耐压强度的这种变化是受材料中的某些组分、特别是其中的基质或其结合相在高温下发生的变化所控制。一般而言，完全由晶体构成的烧结耐火材料，因高温下其中晶粒及晶界易发生塑性变

10、形，特别是当其加荷速度较小时更易发生塑性变形，故其强度随温度的升高而降低。当其中部分晶相间在高温下熔融或形成熔融体时，随着温度的升高，此种多相材料的强度也因显微结构随温度变化而降低。但当温度进一步提高后，由于玻璃相的粘度由脆性变为强韧性，使材料颗粒间结合更为牢固，从而使强度明显提高。而后，随着温度升高，因材料中熔体粘度急剧下降，材料的强度也随之急剧下降。,3、抗折强度,抗折强度：亦称抗弯强度或断裂模量，是指材料单位面积所能承受的极限弯曲应力。 耐火材料的抗折强度分为常温抗折强度和高温抗折强度。在常温下测得的抗折强度为常温抗折强度；在1000-1200C的某一特定温度下测得的抗折强度为高温抗折强

11、度。,抗折强度的测量及计算,R试样的抗折强度，N/mm2(MPa)； F试样断裂时所承受的最大载荷，N； L两支点间的距离，mm b试样宽度，mm； h试样高度；mm。,抗折强度的影响因素,耐火制品的抗折强度与耐压强度受相同的因素所支配。就烧结耐火制品和不烧耐火制品而言，耐火材料中的基质、结合剂和组织结构(如气孔和裂纹等)的特征，对抗折强度的影响较为明显，特别是对材料的高温抗折强度影响更为明显。当材料中的主晶相仍稳定的情况下，其中的基质或结合剂在高温下是否易于出现熔体及熔体的性质和其分布情况，对高温抗折强度的影响甚为敏感。因此，耐火材料的高温抗折强度常作为评价材料在高温热态下的质量(特别是其结

12、合相质量)的一项重要指标。,4、粘结强度,粘结强度：两种材料粘结在一起时，单位界面之间的粘结力。 耐火材料粘结强度主要是表征不定形耐火材料在各种温度及特定条件下的强度指标。不定形耐火材料在使用时，要有一定的粘结力，以使其有效地粘结于施工基体。 根据受力方向不同，耐火材料的粘结强度可分为抗弯粘结强度和抗剪切粘结强度。,粘结强度的测量及计算,R试样的抗折粘结强度，N/mm2(或MPa)； F试样粘结面断裂时所承受的最大载荷，N； L两支点间的距离，mm b粘结面处试样的宽度，mm； h粘结面处试样的高度；mm。,5、蠕变性,耐火材料在高温下承受低于其极限强度的一定应力时，会产生塑性变形，变形量随负

13、荷时间的延长而增加，甚至导致材料破坏。这种受外力作用产生的变形随时间延长而增加的现象称为蠕变。 耐火材料的高温蠕变性是指制品在高温应力作用下随着时间变化而发生的等温变形。高温蠕变性可分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温弯曲蠕变和高温扭转蠕变等。其中最常用的是高温压缩蠕变。 压缩蠕变性以压缩蠕变率来度量。,蠕变率的测量及计算, 蠕变率，%； L0试样原始高度，mm； L1试样恒温开始时的高度，mm； Ln试样恒温n小时后的高度，mm。,高温蠕变的影响因素,耐火材料的蠕变主要受温度、应力、时间和材料结构的影响。温度愈高，承受应力愈大，时间愈长，蠕变率愈大。 当耐火材料完全由晶体构成时，蠕变除受到与

14、晶体弹性有关的晶体的键强影响以外，主要受晶体内空位扩散、位错移动、晶体滑移和晶粒间的结合状态所控制。晶体缺陷愈小，晶界较少以及晶间穿插结合较强，皆不易产生严重蠕变。 当材料含有玻璃相，特别是当玻璃相为连续相时，材料的蠕变受玻璃相控制。玻璃相的量愈多和粘度愈低，材料在低应力下即可产生粘性流动，故在高温下蠕变愈严重。,6、弹性模量,弹性模量：材料在外力作用下产生变形，在弹性极限内应力与应变(压缩或伸长)成比例关系，此值称为弹性模量。表示材料发生单位应变时所产生的应力，亦可认为是材料抵抗变形的能力。 当材料受到拉伸或压缩时，在弹性极限内的应力与应变之比，称为纵向弹性模量或杨氏模量。,弹性模量的测量及

15、计算,E弹性模量，N/mm2； 材料所受应力，N/mm2； 材料的应变。,弹性模量的影响因素,G剪切弹性模量，N/mm2； 剪切应力，N/mm2； 剪切应变，以弧度表示,当材料受剪切应力时，在弹性极限内剪切应力同剪切应变之比，称为剪切弹性模量，或称刚性模量。如下式表示：,材料的弹性模量受晶体键强控制，原子晶体的共价键结合最强，故弹性模量最大；分子晶体的结合力最弱，弹性模量最小。若晶体中空位和位错等缺陷较多，或晶界、晶粒中解离充分，则弹性模量较低。另外，材料的弹性模量也与其密实程度和各组分间的结合强度等状况有关。一般而言，材料的气孔率愈高，其弹性模量愈低。,7、耐磨性,耐火材料的耐磨性是指其抵抗

16、固体、液体和含尘气流对其表面的机械磨损作用的能力。 耐火材料的耐磨性取决于材料的组成与结构。当材料为单一晶体构成的致密多晶时，其耐磨性主要取决于组成材料的矿物晶相的硬度。硬度越高，材料的耐磨性越好。当矿相为非同向性晶体时，晶粒越细小，材料的耐磨性越好。当材料由多相构成时，其耐磨性还与材料的体积密度或气孔率有直接关系，也与各组分间的结合强度有关。因此，对常温下某一耐火材料而言，其耐磨性能与其耐压强度成正比，烧结良好的制品其耐磨性也较好。 耐火材料的耐磨性与温度有关。有的耐火材料(如铝硅系耐火制品)，一般认为它在一定温度下(如700-900C以内的弹性范围内)，温度愈低耐磨性愈差。当温度继续升高，

17、弹性模量达到最大值以后，随着弹性模量的降低，耐磨性又有所提高。当温度计一步提高，达1400C以上时，由于制品中的液相粘度急剧降低，耐磨性随之降低。但有些耐火材料，如含铬制品，随温度升高，耐磨性增加。,耐火材料的热学性质主要是指耐火材料的比热容、导热率和热膨胀性等。这些性质是衡量耐火制品能否适应具体热过程的重要依据，工业窑炉设计的基本数据。耐火材料的热学性质与原料组成，制造工艺，显微结构和晶相结构等都密切相关。,2.4 耐火材料的热学性质及导电性,Cp 、C0温度为t和0时比定压热容，kJ/（kg ） a、b、c实验测得的系数 t温度，,1、比热容,比热容：常压下加热1kg物质使之升高1所需要的

18、热量,影响因素：（1）化学矿物组成 （2）温度,1-粘土砖；2-镁砖；3-硅砖；4-硅线石砖；5-白云石砖；6-铬砖,热膨胀性：材料的尺寸随温度的升高(或降低)而增加(或减小)的性能。 耐火材料的热膨胀性是耐火材料使用时的重要性能之一。炉窑在常温下砌筑，而在高温下使用时炉体则要产生膨胀。为抵消因热膨胀所产生的应力，需预留膨胀缝，而且必须根据耐火材料的热膨胀性和砌筑体的构造情况制定正确的烘烤制度。,2、热膨胀性,耐火材料的热膨胀性有两种表示方法，即线膨胀率和线膨胀系数。,（1）线膨胀率: 由室温至试验温度间，试样长度的相对变化率。,试样由室温至试验温度的各温度间隔的线膨胀率按下式计算：,试样的线膨胀率，%； L0试样在室温下的长度，mm； Lt试样加热到试验温度t时的长度，mm； Ak(t)在温度t时仪器的矫正系数，mm。,耐火材料热膨胀性的表示方法,试样由室温至试验温度的线膨胀系数按下式计算：,（2）线膨胀系数:, 试样的线膨胀系数，10-6-1； 0试样的线膨胀率，%； t0室温，C； t试验温度，C。,耐火材料热膨胀性的表示方法,1-镁砖；2-硅砖；3-铬镁砖；4-半硅砖；5-粘土砖；6-高铝砖；7-粘土砖,各种耐火制品的热膨胀性差别很大，主要取决于其化学矿物组成，而与制品的生产工艺无关。