耐火材料二教材

耐火材料基礎知識

（二）耐火材料的性能結構性能熱學性能力學性能使用性能第一節(jié)、結構性能耐火材料是由固相（包括結晶相與玻璃相）和氣孔兩部分構成的非均質(zhì)體。其中各種形狀的氣孔和固相之間的宏觀關系構成耐火材料的宏觀組織結構。其結構性能包括氣孔率、吸水率、體積密度、真密度和透氣度。一、氣孔率耐火材料中的氣孔可分為三大類：1、閉口氣孔：封閉在制品中，不與外界相通；2、開口氣孔：一端封閉，另一端與外界相通，能被液體填充；3、貫通氣孔：貫通制品的兩面，能為液體所通過。一、氣孔率

在研究氣孔對耐火制品使用過程中被外界介質(zhì)侵入而加速其破壞時發(fā)現(xiàn)，貫通氣孔和開口氣孔起著主要作用，閉口氣孔影響很小。因此，為了簡便起見，通常將上述三類氣孔合并為兩類，即開口氣孔（包括貫通氣孔）和封閉氣孔。

一、氣孔率由于貫通氣孔和開口氣孔占總氣孔體積的絕大部分，而且對制品的使用性能影響最大，因此在耐火材料的檢測標準中，以顯氣孔率來表示，即多孔體中所有開口氣孔的體積與其總體積的比值。二、吸水率

吸水率是耐火制品全部開口氣孔所吸收的水的質(zhì)量與干燥試樣的質(zhì)量百分比。

測定意義：判斷原料或制品質(zhì)量的好壞、燒結與否、是否致密。同時可以預測耐火材料的抗渣性、透氣性能和熱震穩(wěn)定性能。三、體積密度

體積密度是耐火制品的質(zhì)量與其總體積（包括氣孔）的比值。它表征耐火材料的致密程度，是耐火原料和耐火制品質(zhì)量標準中的基本指標之一。對于同一種耐火制品而言，其體積密度與顯氣孔率呈負相關關系，即制品的體積密度大則顯氣孔率就低。四、真密度

真密度是耐火制品的質(zhì)量與其真體積（不包括氣孔體積）之比。耐火制品的真密度指標，可以反映材質(zhì)的成分純度或晶型轉變的程度、比例等，以此亦可以推知在使用中可能產(chǎn)生的變化。五、透氣度

透氣度是耐火制品允許氣體在壓差下通過的性能。透氣度主要是由貫通氣孔的大小、數(shù)量和結構決定的。耐火材料中存在以下兩種情況：

（1）盡量減少制品的透氣度。如：熱電偶保護管，高爐上部的砌磚以及其他爐體的襯磚，透氣度要求越小越好。

（2）要求制品有良好的透氣度。如：近年來，鋼包、中間包通過透氣磚吹氬對鋼液進行凈化處理，要求該耐火材料有一定的貫通氣孔。小結氣孔率和體積密度等技術指標只是表征耐火制品中氣孔體積的多少和制品的致密程度，但并不能夠反映氣孔的大小，分布和形狀。耐火制品在使用過程中侵蝕介質(zhì)浸入、滲透與氣孔的大小、形狀等密切相關，一般而言，耐火制品的透氣度越高，其抵抗熔渣滲透、侵蝕的能力越差。第二節(jié)、熱學性能由于耐火材料通常是在熱態(tài)狀態(tài)下使用，因此耐火材料的熱學性質(zhì)成為其性質(zhì)的重要方面。熱學性質(zhì)主要包括熱膨脹、熱導率和比熱容。一、熱膨脹耐火材料的體積或長度隨著溫度的升高而增大的物理性質(zhì)稱為熱膨脹。表示方法：

膨脹系數(shù)

線膨脹系數(shù)或體積膨脹系數(shù)

膨脹百分率

線膨脹百分率或體積膨脹百分率膨脹系數(shù)

膨脹系數(shù)：耐火制品由室溫至試驗溫度間，溫度每升高1℃，長度（體積）的相對變化率。

線膨脹系數(shù)：α=(lt－l0)/l0(t－t0)

體積膨脹系數(shù)：β=(Vt－V0)/V0(t－t0)

Vt

、lt—分別是試樣在溫度為t時的體積和長度。

V0

、l0—分別是試樣在溫度為t0時的體積和長度。注：如果線膨脹系數(shù)很小，則β=3α。

膨脹百分率

膨脹百分率：耐火材料由室溫加熱至試驗溫度時，試樣長度（體積）的變化百分率。測定熱膨脹系數(shù)的作用窯爐設計的重要參數(shù)；用耐火材料砌筑爐體內(nèi)襯時，應預留一定的膨脹縫；新砌的窯爐在烘烤時，應有合理的烘烤溫度曲線；

可間接判斷耐材熱震穩(wěn)定性能。二、熱導率熱導率是指在單位時間內(nèi)，在單位溫度梯度下，單位面積試樣所通過的熱量，用λ表示。通俗的講就是指耐火材料材料導熱的能力。熱導率對高溫熱工設備設計必不可少的重要數(shù)據(jù)。如：采用熱導率小的隔熱材料砌筑可以減少厚度和熱損失；采用熱導率大的材料作為隔煙板和換熱器管，可以提高爐膛溫度和傳熱效率。氣孔對熱導率的影響耐火材料中所含的氣孔對其熱導率的影響最大。一般說來，在一定的溫度范圍內(nèi)，氣孔率越大，熱導率越低。氣體熱導率較低，所以耐火材料中的氣孔降低了熱導能力。三、比熱容耐火材料比熱容的定義是常壓下加熱1千克的樣品使之升溫1℃所需的熱量。耐火材料的比熱容指標，在設計和控制爐體的升溫、冷卻，特別是蓄熱能力計算中，具有重要意義。第三節(jié)、力學性能

耐火材料的力學性質(zhì)是指制品在不同條件下的強度等物理指標，是表征耐火材料抵抗不同溫度下外力造成的形變和應力而不破壞的能力。耐火材料的力學性質(zhì)通常包括耐壓強度、抗折強度、扭轉強度、耐磨性、彈性模量及高溫蠕變等。一、耐壓強度耐火材料的耐壓強度包括常溫耐壓強度和高溫耐壓強度，分別是指常溫和高溫條件下，耐火材料單位面積上所能承受的最大壓力，以牛頓/毫米2（或MPa）表示。意義

常溫耐壓強度指標通常可以反映生產(chǎn)中工藝制度的變動。因此，常溫耐壓強度也是檢驗現(xiàn)行工藝狀況和制品均一性的可靠指標。

高溫耐壓強度表明制品的成型坯料加工質(zhì)量、成型坯體結構的均一性及磚體燒結情況良好;同時還反映了耐火材料在高溫下結合狀態(tài)的變化。特別是加入一定數(shù)量結合劑的耐火可塑料和澆注料，由于溫度升高，結合狀態(tài)發(fā)生變化時，高溫耐壓強度的測定更為有用。二、抗折強度耐火材料的抗折強度包括常溫抗折強度和高溫抗折強度，分別是指常溫和高溫條件下，耐火材料單位截面積上所能承受的極限彎曲應力，以牛頓/毫米2（或MPa）表示。它表征的是材料在常溫或高溫條件下抵抗彎矩的能力。三、高溫蠕變性1、定義：指耐火制品在高溫下受應力作用，隨著時間變化而發(fā)生的等溫形變。2、根據(jù)施加荷重形式分類：高溫壓縮蠕變、高溫抗折蠕變、高溫拉伸蠕、高溫彎曲蠕變、高溫扭轉蠕變，常用的是高溫壓縮蠕變。高溫壓縮蠕變表示方法一般以某一恒定溫度（℃）和荷重（MPa）條件下，制品的變形量（%）與時間（h）的關系曲線即蠕變曲線來表示。也可用某一時段內(nèi)（如25-50小時）制品的變形量（%）來表示。典型的蠕變曲線

分三個階段:（1）1次蠕變：也叫初次蠕變或減速蠕變。這一階段較為短暫。（2）2次蠕變：也叫粘性蠕變或均速蠕變。（3）3次蠕變：加速蠕變。

隨溫度升高，壓力增加，蠕變曲線會變陡。彈性變形1次蠕變2次蠕變3次蠕變ⅠⅡⅢ蠕變變形率/%時間第四節(jié)、使用性能

耐火材料制品在各種不同的窯爐中服役時，長期處于高溫狀態(tài)下。耐火材料耐高溫的性能好壞能否滿足各類窯爐工作條件的要求，是材料選用的重要依據(jù)，因此耐火制品的高溫性質(zhì)也是最重要的基本性質(zhì)。主要有耐火度、高溫荷重軟化溫度、高溫體積穩(wěn)定性、抗熱震性（熱震穩(wěn)定性)、抗渣性。一、耐火度耐火度是指耐火材料在無荷重時抵抗高溫作用而不熔化的性能。耐火度是判定材料能否作為耐火材料使用的依據(jù)。

耐火度與熔點的區(qū)別

（1）、熔點指純物質(zhì)的結晶相與液湘處于平衡時的溫度，且是一個物理常數(shù)；如：純氧化鋁熔點：2050℃；純氧化鎂熔點：2800℃；純二氧化硅熔點：1713℃。（2）、耐火材料是由各種礦物相組成的多相固體混合物，并非單相的純物質(zhì)，（故沒有一定的熔點。當達到某一溫度時，某些礦物相會熔化，而某些礦物相不會熔化。隨溫度繼續(xù)升高，熔化的程度增加，）即熔融是在一定的溫度范圍內(nèi)進行的，是一個工藝指標。耐火度不是使用溫度耐火材料達到耐火度時實際上已不具有機械強度了，因此耐火度的高低與材料的允許使用溫度并不等同，也就是說耐火度不是材料的使用溫度上限，只有綜合考慮材料的其它性能和使用條件，才能作為合理選用耐火材料的參考依據(jù)。以鎂磚為例，其耐火度高達2000℃以上，但允許使用溫度大大低于耐火度。耐火度的意義：評價原料純度和難熔程度。二、荷重軟化溫度

荷重軟化溫度是指耐火制品在持續(xù)升溫條件下承受恒定載荷產(chǎn)生某一特定形變的溫度。它表示了耐火制品同時抵抗高溫和載荷兩方面作用的能力，在一定程度上表明制品在其使用條件相仿情況下的結構強度與變形情況，因而是耐火制品的重要性能指標。各種耐火材料的荷重變形曲線

1-高鋁磚（Al2O370%）；2-硅磚；3-鎂磚；4-粘土磚Ⅰ；5-半硅磚；6-粘土磚

Ⅱ三、高溫體積穩(wěn)定性

高溫體積穩(wěn)定性是評價耐火材料質(zhì)量的一項重要物理指標，表示耐火材料在高溫下長期使用時，其外形及體積保持穩(wěn)定而不發(fā)生變化（膨脹或收縮）的性能。

一般情況下，耐火材料發(fā)生重燒收縮，因為大多數(shù)耐火材料為陶瓷燒結，在使用時，玻璃相重新粘性流動。必須減少收縮量，否則磚縫加大，發(fā)生損失或掉磚。少數(shù)耐火材料發(fā)生膨脹，按照理論說，微小膨脹對使用壽命有好處。但膨脹太大，耐火材料結構松散，使壽命降低。對于不燒制品，不經(jīng)高溫燒成直接使用，測定此項指標就更為重要。四、抗熱震性抗熱震性指耐火材料抵抗溫度急劇變化而不被破壞的能力。也稱為熱震穩(wěn)定性，抗溫度急變性，耐急冷急熱性等。高溫窯爐等熱工設備在運行過程中，其運行溫度常常發(fā)生變化甚至劇烈的波動。一般而言，耐火制品在溫度變化時會產(chǎn)生體積膨脹或收縮。當這種膨脹和收縮受到約束時，材料內(nèi)部就會產(chǎn)生應力，這種應力稱之為熱應力。當材料內(nèi)部由于溫度變化而產(chǎn)生的熱應力超過制品的強度時，制品將會產(chǎn)生開裂、崩落或斷裂。另一個方面，不同礦相之間熱膨脹性的差異，產(chǎn)生的應力。由于抗熱震穩(wěn)定性問題的復雜性（除了彈性模量因素影響以外還有材料的強度、膨脹系數(shù)、熱導率、形狀和尺寸等），至今還未能建立一個十分完善的理論，因此任何試圖改進材料抗熱震性能的措施，都必須結合具體的使用條件和要求，綜合各種因素的影響，同時必須和實際經(jīng)驗相結合。目前人們所認可的是：材料的膨脹系數(shù)越小，熱導率越大，其抗熱震性就越好。五、抗渣性

耐火材料在高溫下抵抗熔渣侵蝕的性能稱為抗渣蝕性能。作為高溫結構材料，耐火材料在使用過程中，通常暴露于包含有腐蝕性介質(zhì)的高溫環(huán)境中，這些腐蝕性介質(zhì)通常稱之為“熔渣”。

所謂“熔渣”，包括高溫下與耐火材料接觸的各種固態(tài)、液態(tài)物料（如水泥熟料、石灰、熔融金屬、玻璃液等）、冶金爐渣、燃料灰分、飛灰以及各種氣態(tài)物質(zhì)等。高溫環(huán)境下，熔渣物質(zhì)與耐