第一讲-耐火材料结构与性能基础

耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义耐火材料结构与性能讲义耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义重点介绍常用耐火材料的结构、基本性能等知识。耐火材料可用作高温窑炉等热工设备的结构材料以及工业用的高温容器和部件，能承受在其中进行的各种物理化学变化及机械作用。是冶金、玻璃、水泥、陶瓷、机械热加工、石油化工、动力和国防工业等高温工业所必须的重要基础材料。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义定义和概念；不同耐火材料制品的组成、性能；耐火材料力学性能和结构的关系耐火材料热震稳定性和结构的关系耐火材料抗侵蚀性能和结构的关系耐火材料的耐碱性；其它需要了解和掌握的一些内容：耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义高铝砖刚玉砖镁砖镁铬砖耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义相关基础知识一、耐火材料的定义传统的定义：耐火度不小于1580℃的无机非金属材料；ISO的定义：耐火度不小于1500℃的非金属材料及制品；二、耐火材料的分类主要有使用温度、化学属性、组成、生产工艺、材料形态等多种分类方法。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义1、根据耐火度的高低普通耐火材料：1580℃～1770℃高级耐火材料：1770℃～2000℃特级耐火材料：2000℃耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义标普型：230mm×113mm×65mm；不多于4个量尺，（尺寸比）Max:Min4:1；异型：不多于2个凹角，（尺寸比）Max:Min6:1；或有一个50～70°的锐角；特异型：（尺寸比）Max:Min8:1；或不多于4个凹角；或有一个30～50°的锐角；2、依据形状及尺寸的不同耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义砖制品：烧成砖、不烧砖；散状耐火材料；3、从外观来分大致可分为酸性耐火材料、中性耐火材料、碱性耐火材料。化学属性对于了解耐火材料的化学性质，判断耐火材料在实际使用过程中与接触物之间的化学作用情况具有重要意义。4.按化学属性分类耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义耐火材料在使用过程中除承受高温作用外，往往伴随着熔渣（液态）及气体等化学侵蚀。为了保证耐火材料在使用中有足够的抵抗侵蚀介质侵蚀能力，选用的耐火材料的化学属性应与侵蚀介质的化学属性相同或接近。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义（1）酸性耐火材料通常是指其中含有相当数量二氧化硅的耐火材料。特点：游离二氧化硅含量很高(大于94%)，是酸性最强的耐火材料；粘土质耐火材料中游离二氧化硅含量较少，是弱酸性的；半硅质耐火材料居于期间。也有将锆英石质耐火材料和碳化硅质耐火材料归入酸性耐火材料的，因为此类材料中含有较高的SiO2或在高温状态下能形成SiO2。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义（2）中性耐火材料中性耐火材料按严格意义讲是指碳质耐火材料。但通常也将以三价氧化物为主体的高铝质、刚玉质、锆刚玉质、铬质耐火材料归入中性耐火材料（两性氧化物如Al2O3、Cr2O3等）。此类耐火材料在高温状况下对酸、碱性介质的化学侵蚀都具有一定的稳定性，尤其对弱酸、弱碱的侵蚀具有较好的抵抗能力。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义（3）碱性耐火材料一般是指以MgO、CaO或以MgO·CaO为主要成分的耐火材料（镁质、石灰质、镁铬质、镁硅质、白云石质耐火制品及其不定形材料）。这类耐火材料的耐火度都比较高，对碱性介质的化学侵蚀具有较强的抵抗能力。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义5.按化学矿物组成分类此种分类法能够很直接地表征各种耐火材料的基本组成和特性，在生产、使用、科研上是常见的分类法，具有较强的实际应用意义。（1）硅质耐火材料含SiO2在90%以上的材料通常称为硅质耐火材料，主要包括硅砖及熔融石英制品。硅砖以硅石为主要原料生产，其SiO2含量一般不低于93%，主要矿物组成为鳞石英和方石英。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义（2）镁质耐火材料镁质耐火材料是指以镁砂为主要原料，以方镁石为主晶相，MgO含量大于80%的碱性耐火材料。镁质制品：MgO含量≥87%，主要矿物为方镁石；镁铝质制品：含MgO75%，Al2O3含量一般为7-8%，主要矿物成分为方镁石和镁铝尖晶石（MgAl2O4）；镁铬质制品：含MgO60%，Cr2O3含量一般在20%以下，主要矿物成分为方镁石和铬尖晶石;耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义镁橄榄石质及镁硅质制品：主成分：MgO，第二化学成分为SiO2。镁橄榄石砖比镁硅砖含有更多的SiO2，前者的主要矿物成分为镁橄榄石，其次为方镁石；后者的主要矿物为方镁石，其次镁橄榄石；镁钙质制品：此种镁质材料中含有一定量的CaO,主要矿物成分除方镁石外还含有一定量的硅酸二钙（2CaO•SiO2）。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义（3）白云石质耐火材料以天然白云石为主要原料生产的碱性耐火材料称为白云石质耐火材料。主要化学成分为：30-42%的MgO和40-60%的CaO，二者之和一般应大于90%。其主要矿物成分为方镁石和方钙石（氧化钙）。（4）碳复合耐火材料碳复合耐火材料是指以不同形态的碳素材料与相应的耐火氧化物复合生产的耐火材料。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义（5）含锆耐火材料含锆耐火材料是指以氧化锆（ZrO2）、锆英石等含锆材料为原料生产的耐火材料。含锆耐火材料制品通常包括锆英石制品、锆莫来石制品、锆刚玉制品等。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义（6）特种耐火材料特种耐火材料又可分为如下品种：碳质制品：包括碳砖和石墨制品；纯氧化物制品：包括氧化铝制品、氧化锆制品、氧化钙制品等；非氧化物制品：包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化锆、硼化钛、塞隆(Sialon）、阿隆(Alon)制品等；耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义按生产工艺，可分为烧成制品、熔铸制品和不烧制品；6.其他分类方法耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义8000年前出现了陶器；2000年前有了瓷器；后来，天然的原料开始使用，如硅线石砖；1637年，石墨粘土坩埚投入使用。我国，解放前仅有少量的耐火材料工厂，生产能力和产品质量较低，严重依赖进口；近代中国最早在河北唐山生产耐火材料。目前仍然在生产的厂家已经有100年的历史:山东一耐。三、耐火材料的发展历史历史悠久耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义冶炼技术的进步导致吨钢耐火材料消耗下降；另一方面，钢产量增加；使得2002年以后中国耐火材料产量呈上升趋势。2002年、2004年和2006年，中国粗钢产量分别为：1.8、2.8和4.1亿吨；2007年在4.9亿吨左右。2012年在7亿吨左右。耐火材料的使用领域：（1）钢铁冶金、有色冶金（2）建材，如水泥、玻璃、陶瓷（3）化工、电力（4）其它行业，如环保方面，比如垃圾等废弃物处理。钢铁工业占70%以上耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义耐火材料的性质主要包括力学性质、热学性质及高温使用性质等。耐火材料的性质研究这些性质的目的根据这些性质可以预测耐火材料在高温环境下的使用情况。反过来可以选择热工设备所需要的耐火材料。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义气孔占耐火材料总体积的0-90%。耐火材料中气孔体积与总体积之比称为气孔率。耐火材料中的气孔可分为三类：开口气孔（显气孔）、贯通气孔、封闭气孔。若把开口气孔与贯通气孔合并为一类，则耐火材料的气孔可分为开口气孔和封闭气孔两类。（1）气孔和气孔率（Porosity）I：耐火材料的重要物理性质耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义耐火材料中气孔的类型开口气孔闭口气孔耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义气孔的形成•（1）挤压等产生过程中产生•气孔•裂缝•（2）热处理产生•收缩•干燥水蒸气排出产生•气孔合并•（3）毛细孔•（4）原料本身的气孔耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义气孔的重要性•气孔是耐火材料不可分割的一部分，是耐火材料的有机组成部分。对耐火材料性能既有有利影响，也有不利影响。•气孔率和气孔尺寸大小及分布•热震稳定性；•影响抗侵蚀性能；•透气度；•强度；•等等；耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义气孔的检测•气孔率：传统的排水法•气孔尺寸分布：压汞法•透气度：•基于伯努利方程。透气性和气体的黏度和温度具有依赖关系。•高温下所有耐火材料的透气性都会下降。800℃大约是20℃的一半。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义•耐火材料的寿命和气孔率关系密切,还和气孔尺寸和透气率关系密切。上述指标和气孔率、尺寸及分布之间的定量关系尚未建立。烧结过程和使用过程中气孔仍然可能发生变化。比如气孔可能发生长大合并或迁移。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义镁质制品气孔率变化和工艺参数的关系工艺参数气孔率%贯通气孔率透气率贯通气孔尺寸成型压力兆帕烧结温度℃总气孔率显气孔率毛细孔贯通气孔率5050150150140017501400175024.9215.021.711.424.214.020.99.921.28.819.06.14.98.62.75.419.861.312.954.50.060.900.0380.32510.831.28.624.2耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义（2）体积密度定义：耐火制品单位表观体积的质量，通常用kg/m3或g/cm3表示。体积密度大则显气孔率就低。式中：Db为体积密度（g/cm3）G为试样质量gVb为试样表观体积cm3bbVGD耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义测量方法：干重W1；饱和重W2；悬浮重W3；悬浮金属丝重量WW；D体积密度123()W：浸渍液体的比重耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义显气孔率：式中：Pa为显气孔率V1为制品中开口气孔的体积V0为制品的总体积，即试样外表面围成的体积，亦称表观体积。10100%aVPV耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义测量显气孔率方法：干重W1；饱和重W2；悬浮重W3；悬浮金属丝重量WW；Po显气孔率%100)]([)(3212WO注意：体积密度和显气孔率通常一起测定耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义（3）真密度与真比重耐火材料的质量与其真体积（即不包括气孔体积）之比，称为真密度，通常也用g/cm3来表示。式中：Dt为真密度（g/cm3）G为试样质量gVt为试样真体积cm3ttVGD耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义真比重的概念：单位体积耐火材料的重量与4℃单位体积水的重量之比值。从数值上来说，真密度和真比重是相等的。真气孔率＝显气孔率＋闭口气孔率耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义（4）透气度其物理意义是在一定时间内和一定压差下气体透过一定断面和厚度的试样的量：dtAPPKQ)(21式中：Q为气体透过的数量（升）；d为试样的厚度（米）；A为试样的横截面积（平方米）；t为气体透过时间（小时）；P1-P2为试样两端气体压力差（牛顿/平方米）；K为透气度系数，也称透气率（升·米/牛顿·小时）耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义气孔率和体积密度等技术指标只是表征耐火制品中气孔体积的多少和制品的致密程度，并不能够反映气孔的大小、分布和形状。耐火制品在使用过程中，侵蚀介质浸入、渗透的程度与耐火制品气孔的大小、形状等密切相关，一般而言，耐火制品的透气度越高，其抵抗熔渣渗透、侵蚀的能力越差。耐火材料耐火材料结构与性能讲义结构与性能讲义II：耐火材料的热学性质和导电性质（1）热膨胀定义：耐火材料的体积或长度随着温度的升高而增大的物理性质。耐火材料的热膨胀可以用线膨胀系数或体膨胀系数表示，也可以用线膨胀百分率或体积膨胀百分率表示。膨胀系数：耐火材料由室温加热至试验温度的区间内，温度每升高1℃，试样体积或长度的相对变化率。意义：窑炉设计的重要参数、预留膨胀缝的依据，可