耐火材料-3.

1耐火材料第二章耐火材料的组成和性质2耐火材料的组成和性质•耐火材料的化学矿物组成•耐火材料的组织结构•耐火材料的热学性质和导电性•耐火材料的力学性质•耐火材料的高温使用性质3耐火材料的使用环境•机械磨损•热应力•化学反应4•耐火材料的工作条件为:高温（1000～1800℃）；高温下的物理、化学、机械作用；温度的急剧变化、热冲击。•对耐火材料的要求:1、耐高温；2、耐热冲击；3、高温荷重；4、抗侵蚀。5耐火材料的性质•化学矿物组成—化学成分；•组织结构—气孔率、体积密度、吸水率、真比重、透气度；•力学性质—常温耐压强度、高温耐压强度及抗折强度；•热学性质—导热率；•高温工作性质—耐火度、荷重软化点、热震稳定性、抗渣性、高温体积稳定性。6判定的意义：•评价制品质量的标准；•制定和改进生产、检查生产过程是否正确稳定的依据；•正确合理选用耐火材料的重要依据。7•实验条件与实际使用条件不完全符合，仍可作为签定耐火材料质量的有效手段。•随科学技术的发展和对耐火材料本身及使用损毁机理认识的深化，并不断增加检验项目，不断革新改进其方法和技术8耐火材料的化学矿物组成•耐火材料不是一种均匀的物质组成的，而是一种人工制成的非均质的人造岩石。•其化学组成、组织结构以及所形成各种结晶形状，大小，数量及分布情况差别很大，这些差别直接影响到耐火材料的基本特性9•为了掌握耐火材料的本质必从下述三个方面来理解耐火材料：–构成耐火材料的化学组成；–化学组成是以何种结合状态存在的矿物组成；–这些矿物组成集合构成何种微观组织结构。10化学组成—主成分与副成分•化学组成是构成耐火材料的基础，是耐火制品基本特征。通常按各成分含量多少和其作用分为两部分。•主成分—占绝对多量的基本成分；副成分—占少量的从属的成分。•原料中伴随的杂质成分；•工艺过程中加入的添加成分。11•主成分是构成制品中耐火基体的成分，是耐火材料特性的基础。作为主成分可以是：–氧化物：如SiO2，MgO等；–元素：如各种形态的碳；–非氧化物的化合物：SiC。•主成分的性质和数量直接决定着制品的性质：例如镁砖中主成分为MgO，其熔点2800℃，化学性质为碱性氧化物。12•杂质成分的大部分在高温下起着熔剂作用，对其熔剂作用有两种看法：•由于化学反应生成低熔性液相；•虽然不一定是低熔性的，但在相同温度下生成的液相量较多。•由于溶剂作用，降低制品耐火性能，通常视为有害成分，既使含量甚微也是不容忽视的。因此在标准内都有一定的规定。13•可从下述三方面来衡量杂质成份溶剂作用的强弱：–系统中开始生成共熔液相温度的高低；–单位熔剂（杂质）作用生成液相量的多少；–随温度升高，液相量的增长速度。•即共熔液相生成温度愈低，生成液相量愈高，液相量随温度升高增加速度愈快则杂质成分的熔剂作用愈强，对制品的耐火性能影响愈大。14•分析氧化物对SiO2的溶剂作用强弱可以排成如下顺序：–Na2OAl2O3TiO2Fe2O3……15•比较结果为Al2O3和TiO2与SiO2都有共熔关系：共熔温度差别不大Al2O3—SiO21545℃TiO2—SiO21550℃；在1600℃0.7%含量时，液相量差别都很大：Al2O3—SiO2系为19%TiO2—SiO2系为8%所以Al2O3对SiO2的熔剂作用比TiO2强。16•除上述三个主要方面外液相的性质；如粘度大小也有影响，而用相图来分析杂质的熔剂用时注意相图是处于平衡状态，而实际制品制造和使用是不平衡的，但是仍有较大的实际意义。•杂质成分是降低其耐火材料性能，起着有害作用；同时还具有降低制品（原料）的烧结温度，处进制品烧结的有利作用，应全面考虑。17添加成分•在耐火制品中生产，为了处进其高温变化和降低烧结温度，有时加入少量添加成分，按其目的和作用不同可分为矿化剂、稳定剂和烧结剂等。除可烧掉成分都包含在制品的化学组成中。–如：硅砖中加入CaO，Fe2O3为矿化剂；氧化锆制品中加入CaO，Y2O3作稳定剂；氧化锆制品中为降低烧成温度可加1～2TiO2%等。18测定化学成分的作用•1、初步判定制品的基本化学特性。•例：制品主成分化学特性硅砖SiO2酸性耐火材料镁砖MgO碱性耐火材料炭砖C中性耐火材料19测定化学成分的作用•2、判断原料的纯度，作为选取原料和制定工艺过程的依据。•作为选取原料和制定工艺过程的依据，检查工艺操作过程，寻找发生某些问题的原因。耐火材料通常测定的氧化物Al2O3，SiO2，Fe2O3，CaO，MgO，TiO2，R2O及灼烧减量。特殊制品或原料根据要求加以分析。20•灼烧减量（简称灼减）—表征原料加热分解的气态产物（如H2O，CO2等）和有机物含量的多少。•测灼减意义在于：判断原料加热过程中是否需要预先对其进行煅烧，是否原料体积稳定。21矿物组成•耐火制品是矿物的组成体，制品的性质是其组成矿物和微观结构的综合反映。单纯从化学组成出发分析问题不够全面。应进一步观察其化学矿物组成。22•矿物组成和化学组成是两个不同概念又互相联系。–化学成分相同，矿物组成不同：C，金刚石，石墨；TiO2，金红石。Al2O3.SiO2，红柱石，蓝晶石，硅线石；ZnS，纤维锌矿，闪锌矿。说明化学组成相同，但可成为不同的矿物，既两个不同的概念。23•制品矿物组成取决于制品的化学组成和工艺条件。–例：镁质制品主要成分MgO，矿物成分为方镁石；杂质成分SiO2，CaO，Fe2O3，Al2O3。又根据杂质成分中CaO/SiO2分子比：111.52M2SCMSC3MS2C2S–杂质成分中MgO与Fe2O3和Al2O3分别形成：MF，MA,表明知道化学组成可估计其矿物组成，即又相互联系。24•化学组成相同的制品由于工艺条件不同所形成的矿物种类，数量，晶粒大小和结合情况也有差异。–例：SiO2含量相同的硅砖，在不同工艺条件下可形成结构和性质不同的两种矿物—鳞石英和方石英，烧成温度过高1430℃后形成方石英。•研究耐火材料矿物组成从：–1）原料加热；–2）制品制造配料间反应；–3）使用中相变化来考虑。•为确定工艺，鉴定质量和判断使用的重要依据。25主晶相与基质•主晶相：是指构成制品结构的主体且熔点高的晶相。•基质（结合相）：是指填充在主晶相间其它不同成分的结晶矿物和玻璃相，也称结合相。26•结合相含量不多，但对制品的性质（如高温特性和耐侵蚀性）起着决定性的影响，使用时往往首先从基质开始损坏的，所以改变基质成分是改善制品性质的有效工艺措施。例：制品基质热震稳定性镁砖硅酸盐矿物1镁铝砖尖晶石20～25次27•绝大多数耐火制品，按其主晶相和基质成分可分为两类：–含有晶相和玻璃相作成分耐火制品：基质玻璃相；如硅砖，粘土砖；–仅含晶相为成分的制品：基质为细微的结晶体；如镁砖，铬镁砖；28耐火制品显微组织结构•耐火制品显微组织结构类型：1．陶瓷结合结构2．直接结合结构例普通镁砖直接结合镁砖1650℃1700℃29•杂质成分中MgO与Fe2O3和Al2O3分别形成：MF，MA•表明知道化学组成可估计其矿物组成，即又相互联系。30耐火材料的宏观结构耐火材料是由固相（包括结晶相和玻璃相）和气孔两部分构成的非均质体，其中各种形状和大小的气孔与固相之间的宏观关系（包括它们的数量和分布结合情况等）构成耐火材料的宏观组织结构。31气孔率、体积密度、真密度•是评价耐火材料质量的重要指标。•本身的意义:表征与其它性质有密切关系─热震，抗渣，透气，导热等；除真密度外，它们之间关系密切。32气孔率•气孔存在形态分类：开口气孔、闭口气孔、贯通气孔。•按气孔分布状态分类:粗颗粒与基质之间的气孔、骨料（粗颗粒）中的气孔、基质中的气孔。33图2－3耐火材料和气孔率的关系1－热震稳定性，2－热膨胀系数；3－体积密度；4－热传导率；5－强度34气孔率•气孔率指制品中气孔体积占总体积的百分率。•按气孔性质不同又分成:开口气孔率（显气孔率）；Pa=Vo/Vb×100%真气孔率（总气孔率）；Pt=（Vc+Vo）/Vb×100％闭口气孔率。Pc=Vc/Vb×100%其中Vb，Vo，Vc分别代表总体积，开口气孔和闭口气孔的体积。35注意：制品的气孔率指标通常用开口气孔率表示。•开口气孔与外界相通对制品使用时影响较重要；•在一般制品中（除熔铸制品和轻质隔热制品外）开口气体积占总气孔体积的绝对多数，闭口气孔体积则很少；•闭口气孔体积难于直接测定；36气孔率的高低与原料种类无关，主要决定于生产工艺过程，其数值可小到零或大到75～80％。一般致密制品为10～28％。37吸水率•制品中全部开口气孔吸满水的重量与其干重之比，以百分率表示。•吸水率Wa＝（m－m0）/m0×100％其中：m-试样开口气孔中吸满水后的质量m0-干燥试样质量•吸水率实质上是反映制品中开口气孔量的一个技术指标，实际生产中采取这种表示方法，主要是由于其测定简便。•生产中多用来鉴定原料煅烧的质量。38•上述两项指标只表征制品内部气孔体积的多少，但不能反应气孔的大小，形态和分布状态。目前正成为研究对象：1）制品在使用过程中阻止熔渣侵蚀影响的性能；2）制品的力学性能。39体积密度•表示制品干重与总体积之比，即制品单位体积（表观体积）的重量。•db=M/Vb克/厘米3其中：M－干燥试样重；Vb－试样的总体积.•体积密度也是表征制品致密程度的重要指标，是制品中气孔体积量和矿物组成的综合反映。只有当制品化学矿物组成一定时，此时体积密度才是衡量制品中气孔体积多少的指标。40•由于致密化是提高耐火材料质量的途径,为提高制品的体积密度,在生产上可采用控制：–原料煅烧的体积密度和吸水率；–砖坯的体积密度；–制品的烧结程度。41测定体积密度的意义：•此指标测定较容易；•生产中作为判断制品烧结程度的手段；•筑炉时作为计算荷重的重要数据；•对轻质隔热材料有特殊意义；•划分产品种类的指标；•与导热性和热容量有密切关系。42真密度•指不包括气孔在内的单位体积耐火材料的重量。•真密度dt=M/Vt(g/cm3)其中：M—干试样重Vt—试样总体积43比重•真比重：不包括气孔在内的单位体积耐火材料的重量与同温度下水的单位体积重量之比。•即耐火材料的真密度与同温度下水的密度之比。•当水的真密度等于1时，其真密度值与真比重值相等。•其区别是前者单位为克/厘米3，后者为无量纲。44测定真比重（真密度）的意义：由于各种矿物的真比重有其特有的数值。如：－石英－鳞石英－方石英2.652.37～2.352.30～2.34A3S2刚玉3.053.99所以已知制品的化学组成时，可根据真比重判断制品中主要矿物成分，推断烧成中矿物转变情况和使用中可能发生的变化。45测定真比重（真密度）的意义：反应出原料的纯度和烧结情况。例：1．烧结镁石真密度反映烧结情况和杂质情况的影响。SiO2高时镁石真密度下降，1％SiO2下降0.005%Fe2O3高镁石真密度升高，1％Fe2O3增大0.005硅砖真比重下降，石英向鳞石英、方石英转化程度越高，使用时残余膨胀越小。46•假比重：包括闭口气孔体积在内的单位体积耐火材料的重量与同温度下单位体积水的重量之比。•体积比重：材料的开口气孔和闭口气孔体积都计入总体积之内。47•透气度是表示气体通过耐火制品难易程度的特性值。•测定透气度的意义透气度是影响使用寿命的因数：透气度，熔渣、气体渗透增加，损坏加剧；透气度是与热损失有关的重要性质。综上述因素，耐火制品的透气度是愈低愈好。为满足特殊的使用条件，有时也要求制品有良好的透气性。二、透气度48表示方法：•耐火材料的透气度是在一定时间内，由一定压力的气体，透过一定断面和厚度的试样的数量来表示。•Q=（p1－p2）·A·t/d其中：Q—气体透过的数量（升）d—试样的厚度（米）A—试样的横截面积（米2）t—气体透过的时间（小时）(p1－p2)—试样两端的压力差（毫米水柱）—透气度系数，也称透气率49影响耐火制品的透气度的因素：透气度主要决定于制品的组织结构，显然与气孔率有一定关系。气孔率仅表示制品内存在数量情况；而透气度还要取决于气孔的大小和相互连