耐火材料的组成和性质.pptx

2024/4/25 周四材料科学与工程学院1第一章第一章 耐火材料的组成和性质耐火材料的组成和性质 耐火材料是构筑耐火材料是构筑热工工设备的高温的高温结构材构材料，在使用料，在使用过程中除承受高温作用外，程中除承受高温作用外，还不不同程度地受到同程度地受到机械机械应力力、热应力力作用，作用，高温高温气体、熔体气体、熔体以及以及固体介固体介质的侵的侵蚀、冲刷、磨、冲刷、磨损。耐火材料的耐火材料的质量取决于其性量取决于其性质，为了保了保证热工工设备的正常运行，所的正常运行，所选用的耐火材料用的耐火材料必必须具具备能能够满足和适足和适应各种使用各种使用环境和操境和操作条件的性作条件的性质。2024/4/25 周四材料科学与工程学院2 耐火材料的性耐火材料的性质主要包括主要包括:化学化学-矿物物组成、成、组织结构、力学性构、力学性质、热学性学性质及高温及高温使用性使用性质等等。根据根据这些性些性质可以可以预测耐火材耐火材料在高温料在高温环境下的使用情况。境下的使用情况。耐火材料所具有的各种性耐火材料所具有的各种性质是是热工工设备选择结构材料的重要依据，构材料的重要依据，通常按照通常按照热工工设备的工作性的工作性质与操作与操作环境，来研制、境，来研制、设计、生生产或或选择能适能适应操作操作环境、境、满足使用要求足使用要求的耐火材料。的耐火材料。2024/4/25 周四材料科学与工程学院3 检测标准检测标准 各国的各国的检验标准有所不同，由于准有所不同，由于实验室条室条件下的件下的检验和和实际有一定的差距；有一定的差距；实验室的室的检验结果果仅起到起到预测作用；作用；苏联：TOCT 日本：日本：JIS（Japanese Industrial Standards)英国：英国：BSI（British Standards Institution）美国：美国：ASTM（American Society of Testing Materials）中国：中国：GB2024/4/25 周四材料科学与工程学院4第一节第一节 耐火材料的化学矿物组成耐火材料的化学矿物组成一、化学一、化学组成成耐火材料的化学耐火材料的化学组成即耐火材料的成即耐火材料的化学成分化学成分化学成分化学成分，它是耐火制品的最基本特性之一。是决定耐火材它是耐火制品的最基本特性之一。是决定耐火材料的物相料的物相组成以及很多重要性成以及很多重要性质如抗渣侵如抗渣侵蚀性能、性能、耐高温性能、力学性能等的重要基耐高温性能、力学性能等的重要基础。通常将耐火材料的化学通常将耐火材料的化学组成按各个成分含量成按各个成分含量的多少及作用分的多少及作用分为以下几以下几类：2024/4/25 周四材料科学与工程学院5是耐火材料的特性基是耐火材料的特性基础。主成分可以是。主成分可以是:氧化物氧化物（如（如SiO2、Al2O、ZrO2、Cr2O、MgO、CaO）；可以是）；可以是元素元素（如（如C）；或）；或非非氧化物氧化物（如（如SiC）。）。按主成分将耐火材料分成三按主成分将耐火材料分成三类（如概述如概述介介绍的按化学特性分一的按化学特性分一样）：）：酸性、中性和酸性、中性和碱性耐火材料。碱性耐火材料。1 1、主成分、主成分2024/4/25 周四材料科学与工程学院6耐火材料的原料大多数是天然耐火材料的原料大多数是天然矿物，在耐火物，在耐火材料中含有一定量的材料中含有一定量的杂质。这些些杂质是某些能与是某些能与耐火基体作用而使其耐火性能降低的氧化物或化耐火基体作用而使其耐火性能降低的氧化物或化合物，即通常称合物，即通常称为熔熔熔熔剂剂的的的的杂质杂质。例如例如例如例如镁质耐火材耐火材料化学成分中的主成分料化学成分中的主成分为MgO，其他氧化物成分，其他氧化物成分属于属于杂质成分。成分。一般而言，一般而言，单位熔位熔剂在高温下生成的液相量在高温下生成的液相量愈多，且随温度升高液相量增加愈多，愈多，且随温度升高液相量增加愈多，说明明该杂杂质质熔熔熔熔剂剂作用愈作用愈作用愈作用愈强强，使耐火性能下降愈多。在生使耐火性能下降愈多。在生产中愈要注意降低其含量。中愈要注意降低其含量。、杂质成分、杂质成分2024/4/25 周四材料科学与工程学院7在耐火制品生在耐火制品生产中，中，为了促了促进其其高温高温变化化和降低和降低烧结温度温度，有，有时加入少量的添加成分。加入少量的添加成分。添加成分按其目的和作用的不同分添加成分按其目的和作用的不同分为：矿化化剂、稳定定剂和和烧结助助剂。除可除可烧掉成分外，它掉成分外，它们都都包含在制品的化学成分中。包含在制品的化学成分中。(1)矿化化剂：促促进某相某相转变而加入的成分。而加入的成分。：在硅在硅砖生生产中，加入的中，加入的铁鳞、石灰乳作、石灰乳作为矿化化剂使高温使高温-方石英方石英转变成成-鳞石英。石英。如如、添加成分、添加成分2024/4/25 周四材料科学与工程学院8：ZrO2在高温下在高温下发生以下生以下转变，并伴随体，并伴随体积效效应。11001200单斜斜ZrO2 四方四方ZrO2V（79%）9001000 当当纯ZrO2在冷却在冷却时会会发生体生体积膨膨胀，导致制致制品疏松甚至开裂，所以要加入品疏松甚至开裂，所以要加入稳定定剂如：如：Y2O、CaO、MgO，使四方，使四方ZrO2在常温下能在常温下能够稳定存在。定存在。其中以其中以CaO与与MgO使用的最多。使用的最多。如如()稳定剂：稳定剂：2024/4/25 周四材料科学与工程学院9如：高如：高如：高如：高级级耐火材料耐火材料耐火材料耐火材料-SiC耐火材料耐火材料 它的它的键合性合性质是共价是共价键，共价，共价键份份额占占88%，晶格能非常大，晶格能非常大，难以以烧结，在不加，在不加压固相固相烧结过程中，即使足程中，即使足够高的温度下，粉末（高的温度下，粉末（35m）之）之间也也仅有微量的有微量的颈部部长大，而不大，而不发生体生体积收收缩致致密化。研究表明密化。研究表明SiC能能够在在烧结助助剂活化下不加活化下不加压固相固相烧结得比得比较致密，致密，Mizrah等人用等人用质量分数量分数约为0.5%B0.5%B（以（以（以（以B B4 4C C的形式加入）和的形式加入）和的形式加入）和的形式加入）和3.0%3.0%石墨的石墨的石墨的石墨的烧烧结结助助助助剂剂，使粒度，使粒度为1.7m-SiC生坯可以在生坯可以在2150下下烧结到到99%理理论密度。密度。试验Al2O3-SiC-C捣打料打料时，用多种，用多种烧结助助剂促促进该材料的材料的烧结，得到，得到较好的效果。好的效果。（）烧结助剂（）烧结助剂2024/4/25 周四材料科学与工程学院10二、矿物组成二、矿物组成1 1矿矿物定物定物定物定义义 是指地壳中的化学元素，是指地壳中的化学元素，经过各种地各种地质作用所作用所形成的，并在一定条件下相形成的，并在一定条件下相对稳定的定的单质或化合或化合物。物。矿物具有比物具有比较均一的成分和内部均一的成分和内部结构，因此具构，因此具有一定的几何形有一定的几何形态和物理化学性和物理化学性质。如：石墨（如：石墨（单质C，鳞片状片状结构）、构）、刚玉（玉（简单化合物化合物Al2O、三方晶系，呈桶状，短柱状）、三方晶系，呈桶状，短柱状）目前目前还存在存在“人造人造矿物物”如：人造金如：人造金刚石，石，水泥熟料中的水泥熟料中的A矿（C3S）、）、B矿（C2S）等。）等。2024/4/25 周四材料科学与工程学院112 2矿矿物的同物的同物的同物的同质质多象多象多象多象现现象象象象同种化学成分的物同种化学成分的物质在不同的外界条件下，在不同的外界条件下，可生成可生成结构不同，形构不同，形态和物理性和物理性质方面均有差异方面均有差异的的矿物，物，这种种现象称象称为同同质多象多象现象（象（变体）。体）。如：如：如：如：SiO2在不同的条件下有不同的晶体在不同的条件下有不同的晶体结构，构，表表现出不同的性出不同的性质。又如：又如：又如：又如：耐火原料中的耐火原料中的“三石三石”也属于同也属于同质多多象象变体，它体，它们的化学的化学组成同成同为Al2O3SiO2，但不同，但不同的晶体的晶体结构，所以表构，所以表现出不同的性出不同的性质。对矿物的同物的同质多象多象仅用化学分析是分析不出的，用化学分析是分析不出的，用如下用如下用如下用如下鉴鉴定方法：定方法：定方法：定方法：X-ray射射线衍射；衍射；显微微镜分析；分析；差差热分析（分析（DTA）和）和热重分析（重分析（TG）。）。2024/4/25 周四材料科学与工程学院12、耐火材料的、耐火材料的矿物物组成成耐火材料是一个多相耐火材料是一个多相组成体，其成体，其矿物物组成取决于耐火材料的化学成取决于耐火材料的化学组成和生成和生产工工艺条件，条件，矿物物组成可分成可分为两大两大类：结晶相晶相 （主晶相、次晶相）（主晶相、次晶相）玻璃相玻璃相2024/4/25 周四材料科学与工程学院13主晶相主晶相 主晶相主晶相是指构成耐火制品是指构成耐火制品结构的主体而构的主体而且熔点且熔点较高的高的结晶相，通常是由一定配比的晶相，通常是由一定配比的原料在不同的工原料在不同的工艺条件下，通条件下，通过高温物理化高温物理化学反学反应形成的，耐火制品中的主晶相随着其形成的，耐火制品中的主晶相随着其在平衡体系中的在平衡体系中的组分和相分和相对含量的不同而有含量的不同而有所不同。主晶相的性所不同。主晶相的性质、数量、数量、结合状合状态直直接决定着耐火制品的性接决定着耐火制品的性质。如如如如:镁铬砖中的主晶相是方镁石；镁铬砖中的主晶相是方镁石；镁铝砖中的主晶相是方镁石等。镁铝砖中的主晶相是方镁石等。2024/4/25 周四材料科学与工程学院14主晶相主晶相 次晶相次晶相次晶相次晶相又称第二固相，是在高温下与主晶相共又称第二固相，是在高温下与主晶相共存的第二晶相。次晶相也是熔点存的第二晶相。次晶相也是熔点较高的晶体，它高的晶体，它的存在可以提高耐火制品中固相的存在可以提高耐火制品中固相间的直接的直接结合，合，同同时可以改善制品的某些特定的性能。可以改善制品的某些特定的性能。如如如如:镁铬砖中与方中与方镁石并存的尖晶石，石并存的尖晶石，镁铝砖中的尖晶石，中的尖晶石，镁钙砖中的硅酸二中的硅酸二钙，镁硅硅砖中的中的镁橄橄榄石等。石等。如如如如:镁铬砖中，氧化中，氧化铬与氧化与氧化镁反反应生成的生成的镁铬尖晶石存在与方尖晶石存在与方镁石主晶相石主晶相间，提高了制品中，提高了制品中结晶相晶相间的固的固-固固结合程度和两面角，从而提高了合程度和两面角，从而提高了制品的高温制品的高温结构构强度以及抗熔渣渗透、侵度以及抗熔渣渗透、侵蚀的能的能力。力。2024/4/25 周四材料科学与工程学院15基质基质(一般以细粉形式加入，最终在耐火制品中形成的一般以细粉形式加入，最终在耐火制品中形成的一般以细粉形式加入，最终在耐火制品中形成的一般以细粉形式加入，最终在耐火制品中形成的)填充与主晶相之填充与主晶相之间的不同成分的的不同成分的结晶晶矿物（次晶相）和玻璃相物（次晶相）和玻璃相统称称为基基质，也称，也称为结合相。合相。基基质的的组成和形成和形态对耐火制品的高温性耐火制品的高温性质和抗侵和抗侵蚀性能起着决定性的影响。性能起着决定性的影响。因因为基基质对于主晶相而言是制品的相于主晶相而言是制品的相对薄弱之薄弱之处，在使用中无，在使用中无论物理因素物理因素还是化学是化学因素的破坏，往往首先从基因素的破坏，往往首先从基质部分开始，基部分开始，基质被破坏后主晶相失去基被破坏后主晶相失去基质的保的保护才被才被损坏。坏。2024/4/25 周四材料科学与工程学院16 为了提高耐火制品的使用寿命，在生了提高耐火制品的使用寿命，在生产实践中，往往采取践中，往往采取调整和改整和改变制品的基制品的基质组成的工成的工艺措施，来改善和提高耐火制品的性措施，来改善和提高耐火制品的性质。2024/4/25 周四材料科学与工程学院17 这样在主晶相和基在主晶相和基质的配合方面存在的配合方面存在两种情况：两种情况：a、陶瓷、陶瓷结合合:又称又称为硅酸硅酸盐结合，其合，其结构特征构特征是耐火制品主晶相之是耐火制品主晶相之间由由低熔点的硅酸低熔点的硅酸盐非晶非晶质和晶和晶质联结在一起而形成在一起而形成结合。合。如：如：普通普通镁砖中硅酸中硅酸盐基基质与方与方镁石之石之间的的结合。合。此此类耐火制品在高温使用耐火制品在高温使用时，低熔点的硅酸，低熔点的硅酸盐首先在首先在较低的温度下成低的温度下成为液相（或玻璃相液相（或玻璃相软化），大大降低化），大大降低了耐火制品的高温性能。了耐火制品的高温性能。2024/4/25 周四材料科学与工程学院18MgOABC MgO SiO2 CaO(wt%)A 24.83 39.09 36.08 B 11.70 37.00 51.30 C 11.54 36.29 52.17 耐火材料中陶瓷结合示意图耐火材料中陶瓷结合示意图2024/4/25 周四材料科学与工程学院19 b b、直接结合、直接结合、直接结合、直接结合:指耐火制品中，高熔点的主晶相之指耐火制品中，高熔点的主晶相之间或主晶相与次晶相间直接接触产生结晶网络的间或主晶相与次晶相间直接接触产生结晶网络的一种结合，而不是靠低熔点的硅酸盐相产生结合。一种结合，而不是靠低熔点的硅酸盐相产生结合。直接结合耐火制品一般具有较高的直接结合耐火制品一般具有较高的高高温力学性能温力学性能，与材质相近的硅酸盐结合的，与材质相近的硅酸盐结合的耐火制品相比高温强度可成倍提高，其耐火制品相比高温强度可成倍提高，其抗抗渣蚀性能和体积稳定性渣蚀性能和体积稳定性也较高。也较高。如：如：如：如：高纯镁砖及镁铬砖中方镁石晶体之间、高纯镁砖及镁铬砖中方镁石晶体之间、方镁石与尖晶石之间即为直接结合。方镁石与尖晶石之间即为直接结合。2024/4/25 周四材料科学与工程学院20一种致密氧化铝材料图示一种致密氧化铝材料图示2024/4/25 周四材料科学与工程学院21两种情况的比两种情况的比较：经过实验证明，属于直接明，属于直接结合的耐火制合的耐火制品高温性能（高温力学品高温性能（高温力学强度、荷重度、荷重软化温度、化温度、高温蠕高温蠕变、抗渣性等）要、抗渣性等）要优越的多。越的多。图1-1 硅酸盐结合与直接结合显微结构示意图2024/4/25 周四材料科学与工程学院22 如何制造直接如何制造直接结合？合？采用高采用高纯原料，减少制品中低熔物成分；原料，减少制品中低熔物成分；在高温下使少量液相移向在高温下使少量液相移向颗粒粒间隙中隙中,而而 不是包不是包围在固体在固体颗粒周粒周围，使固体，使固体颗粒粒 构成构成连续的的结晶网，形成直接晶网，形成直接结合的特合的特 征征结构。构。2024/4/25 周四材料科学与工程学院23 耐火材料是由固相（包括耐火材料是由固相（包括结晶相与玻璃晶相与玻璃相）和气孔两部分构成的非均相）和气孔两部分构成的非均质体。其中各体。其中各种形状的气孔和固相之种形状的气孔和固相之间的宏的宏观关系构成耐关系构成耐火材料的宏火材料的宏观组织结构。构。第二节第二节 耐火材料的组织结构耐火材料的组织结构包括：气孔率（包括：气孔率（包括：气孔率（包括：气孔率（porosityporosity）吸水率（吸水率（吸水率（吸水率（water absorbilitywater absorbility）真密度（真密度（真密度（真密度（true densitytrue density）体积密度（体积密度（体积密度（体积密度（bulk density or volume bulk density or volume densitydensity）2024/4/25 周四材料科学与工程学院24一：气孔率（一：气孔率（porosity）耐火材料（或耐火制品）中气孔体耐火材料（或耐火制品）中气孔体积与与总体体积之比称之比称为气孔率。耐火材料中的气孔可分气孔率。耐火材料中的气孔可分为三三类（见图1-2）：）：耐火制品中气孔类型耐火制品中气孔类型2024/4/25 周四材料科学与工程学院25 在研究气孔在研究气孔对耐火制品使用耐火制品使用过程中被外程中被外界介界介质侵入而加速其破坏侵入而加速其破坏时发现，贯通气孔通气孔和开口气孔起着主要作用，和开口气孔起着主要作用，闭口气孔影响很口气孔影响很小。因此，小。因此，为了了简便起便起见，通常将上述三，通常将上述三类气孔合并气孔合并为两两类，即开口气孔（包括即开口气孔（包括贯通气通气孔）和封孔）和封闭气孔。气孔。（1 1）封闭气孔：）封闭气孔：）封闭气孔：）封闭气孔：封闭在制品中不与外界相通；封闭在制品中不与外界相通；（2 2）开口气孔）开口气孔）开口气孔）开口气孔：一端封闭，另一端与外界相一端封闭，另一端与外界相 通，能为流体填充；通，能为流体填充；（3 3）贯通气孔：）贯通气孔：）贯通气孔：）贯通气孔：贯通制品的两面，能为流体流过。贯通制品的两面，能为流体流过。2024/4/25 周四材料科学与工程学院26耐火材料中存在的气孔耐火材料中存在的气孔1）原料中的气孔（原料没有烧好）；）原料中的气孔（原料没有烧好）；2）制品成型时，颗粒间的气孔；）制品成型时，颗粒间的气孔；2024/4/25 周四材料科学与工程学院27气孔率有三种表示，即：气孔率有三种表示，即：（1 1）总总气孔率（真气孔率）气孔率（真气孔率）气孔率（真气孔率）气孔率（真气孔率）P Pt t（total porositytotal porosity）：）：）：）：它是它是总气孔体气孔体积与制品体与制品体积之比；之比；（2 2）开口气孔率（）开口气孔率（）开口气孔率（）开口气孔率（显显气孔率）气孔率）气孔率）气孔率）P Pa a(apparent porosity)(apparent porosity)：它是开口气孔体它是开口气孔体积与制品体与制品体积之比；之比；（3 3）闭闭口气孔率口气孔率口气孔率口气孔率P Pc c(close porosity)(close porosity)：它是它是闭口气孔口气孔 体体积与制品体与制品体积之比；之比；三者之三者之三者之三者之间间的关系：的关系：的关系：的关系：Pt=Pa+Pc2024/4/25 周四材料科学与工程学院28 由于由于显气孔率的气孔率的测定定较为容易，所以耐容易，所以耐火材料气孔率的指火材料气孔率的指标常以常以显气孔率来表示：气孔率来表示：式中：式中：Pa显气孔率；气孔率；V1制品中开口气孔的体制品中开口气孔的体积；V0制品的制品的总体体积，即，即试样外表面外表面围成的体成的体积亦亦 称表称表观体体积。2024/4/25 周四材料科学与工程学院29显气孔率的测定方法：显气孔率的测定方法：中国中国标准（准（GB/T2997-1982）和国）和国际标准准（ISO5017）规定：用体定：用体积为50200cm3的的试样。先称干先称干试样的的质量量m1；然后然后让试样在容器中抽真空，在加入液体充分在容器中抽真空，在加入液体充分饱 和和试样，称量，称量饱和和试样在空气中的在空气中的质量量m3；饱和和试样的表的表观质量量m2（指（指饱和和试样完全淹没在完全淹没在 浸液中浸液中时，饱和和试样的的质量减去被排开的液体的量减去被排开的液体的 质量）。量）。显显气孔率按下式气孔率按下式气孔率按下式气孔率按下式计计算：算：算：算：Pa=(m3 m1)/(m3 m2)100%2024/4/25 周四材料科学与工程学院30 实验室如何测量显气孔率：干重实验室如何测量显气孔率：干重W1；饱和重；饱和重W2；悬浮重；悬浮重 W3；悬浮金属丝重量；悬浮金属丝重量 WW ；Po显显气孔率气孔率2024/4/25 周四材料科学与工程学院31 吸水率：吸水率：耐火制品全部开口气孔所吸收耐火制品全部开口气孔所吸收的水的的水的质量与干燥量与干燥试样的的质量百分比。量百分比。测定意定意义：判断原料（判断原料（5%）或制品）或制品质量的好坏、量的好坏、烧结与否、是否致密。同与否、是否致密。同时可以可以预测耐火材料的抗渣性、透气性能和耐火材料的抗渣性、透气性能和热震震稳定性能。定性能。吸水率的吸水率的测定方法：定方法：中国中国标准准（GB/T2997-1982）规定：用水作定：用水作为液体。液体。吸水率按下式吸水率按下式计算：算：Wa=(m3m1)/m1100%二：吸水率（二：吸水率（water absorbility）2024/4/25 周四材料科学与工程学院32 体体积密度：密度：是耐火制品的是耐火制品的质量与其量与其总体体积（包括气孔）的比（包括气孔）的比值。它表征耐火材料的。它表征耐火材料的致密程度，是耐火原料和耐火制品致密程度，是耐火原料和耐火制品质量量标准准中的基本指中的基本指标之一。之一。体体积密度按下式密度按下式计算：算：Db=m1液液/（m3m2）对于同一种耐火制品而言，其体于同一种耐火制品而言，其体积密度密度与与显气孔率呈气孔率呈负相关关系，即制品的体相关关系，即制品的体积密密度大度大则显气孔率就低。气孔率就低。三：体积密度三：体积密度（bulk density or volume density）2024/4/25 周四材料科学与工程学院33 如何测量体积密度：干重如何测量体积密度：干重W1；饱和重；饱和重W2；悬浮重悬浮重 W3；悬浮金属丝重量；悬浮金属丝重量 WW ；D体积密度体积密度w w：浸渍液体的比重：浸渍液体的比重2024/4/25 周四材料科学与工程学院34 真密度真密度真密度真密度：是耐火制品的是耐火制品的是耐火制品的是耐火制品的质质量与其真体量与其真体量与其真体量与其真体积积（不包（不包（不包（不包括气孔体括气孔体括气孔体括气孔体积积）之比。）之比。）之比。）之比。真密度的真密度的真密度的真密度的测测量方法：量方法：量方法：量方法：中国中国中国中国标标准准准准（GB/T5017-1997GB/T5017-1997）和和和和国国国国际标际标准准准准（ISO5018ISO5018）规规定，把材料破碎、磨定，把材料破碎、磨定，把材料破碎、磨定，把材料破碎、磨细细到尽到尽到尽到尽可能无封可能无封可能无封可能无封闭闭气孔存在的气孔存在的气孔存在的气孔存在的颗颗粒后，用粒后，用粒后，用粒后，用测测量量量量试样试样的干的干的干的干燥燥燥燥质质量和真体量和真体量和真体量和真体积积来来来来测测量真密度。量真密度。量真密度。量真密度。真密度按下式真密度按下式真密度按下式真密度按下式计计算：算：算：算：=m=m1 1液液液液/（mm1 1mm3 3mm2 2）mm1 1 为试样为试样的干燥的干燥的干燥的干燥质质量；量；量；量；mm2 2为为装有装有装有装有试样试样和所用液体比重瓶的和所用液体比重瓶的和所用液体比重瓶的和所用液体比重瓶的质质量；量；量；量；mm3 3为为装有所用液体的比重瓶的装有所用液体的比重瓶的装有所用液体的比重瓶的装有所用液体的比重瓶的质质量。量。量。量。四：真密度（四：真密度（true density）2024/4/25 周四材料科学与工程学院35五：透气度（五：透气度（permeability）透气度：透气度：透气度：透气度：耐火制品允耐火制品允许气体在气体在压差下通差下通过的性的性能。透气度主要是由能。透气度主要是由贯通气孔的大小、数量和通气孔的大小、数量和结构决定的。构决定的。耐火材料中存在以下两种情况：耐火材料中存在以下两种情况：耐火材料中存在以下两种情况：耐火材料中存在以下两种情况：（1）尽量减少制品的透气度。）尽量减少制品的透气度。如：如：热电偶保偶保护管，管，高炉上部的砌高炉上部的砌砖以及其他炉体的以及其他炉体的衬砖，透气度要，透气度要求越小越好。求越小越好。（2）要求制品有良好的透气度。）要求制品有良好的透气度。如：近年来，如：近年来，钢包、包、中中间包通包通过透气透气砖吹吹氩对钢液液进行行净化化处理，要理，要求求该耐火材料有一定的耐火材料有一定的贯通气孔。通气孔。2024/4/25 周四材料科学与工程学院36 测测量方法：量方法：量方法：量方法：中国中国标准（准（GB/T3000-1982）规定，定，测定直径定直径50，高，高50的的圆柱体柱体试样，在三个不，在三个不同同压差下，流差下，流过试样两端面气体的流量。两端面气体的流量。下式下式下式下式计计算算算算试样试样的透气度：的透气度：的透气度：的透气度：K=2.16109h/d2Q/P2P1/(P1P2)试验温度下气体的粘度，温度下气体的粘度，Pas；h试样高度，高度，mm；d试样直径，直径，mm；Q气体的体气体的体积流量，流量，L/min；P1气体气体进入入试样一端的一端的压力，力，mmH2O；P2气体流出气体流出试样另一端的另一端的压力，力，mmH2O；P试样两端的两端的压差，差，mmH2O，P=P1P2。2024/4/25 周四材料科学与工程学院37 气孔率和体气孔率和体积密度等技密度等技术指指标只是表征只是表征耐火制品中气孔体耐火制品中气孔体积的多少和制品的致密程的多少和制品的致密程度，但并不能度，但并不能够反映气孔的大小，分布和形反映气孔的大小，分布和形状。状。耐火制品在使用耐火制品在使用过程中侵程中侵蚀介介质浸入、浸入、渗透与气孔的大小、形状等密切相关，一般渗透与气孔的大小、形状等密切相关，一般而言，耐火制品的透气度越高，其抵抗熔渣而言，耐火制品的透气度越高，其抵抗熔渣渗透、侵渗透、侵蚀的能力越差。的能力越差。2024/4/25 周四材料科学与工程学院38热膨膨胀（thermal expansion coefficient）第三节第三节 耐火材料的热学性能耐火材料的热学性能热导率热导率（thermal conductivity）2024/4/25 周四材料科学与工程学院391、定、定义：耐火材料的体耐火材料的体积或或长度随着温度的升高度随着温度的升高而增大的物理性而增大的物理性质称称为热膨膨胀。2、表示方法：、表示方法：膨膨膨膨胀胀系数系数系数系数:线膨膨胀系数系数()或体或体积膨膨胀系系()膨膨膨膨胀胀百分率百分率百分率百分率:线膨膨胀百分率或体百分率或体积膨膨胀百分率百分率 一：热膨胀（一：热膨胀（thermal expansion coefficient）2024/4/25 周四材料科学与工程学院40 膨胀系数：膨胀系数：膨胀系数：膨胀系数：耐火制品由室温至试验温度间，耐火制品由室温至试验温度间，温度每温度每温度每温度每 升高升高升高升高11，体积（长度）的相对变化率，体积（长度）的相对变化率，体积（长度）的相对变化率，体积（长度）的相对变化率。体积膨胀系数：体积膨胀系数：=(VtV0)/V0(tt0)线膨胀系数：线膨胀系数：=(ltl0)/l0(tt0)Vt、lt分别是试样在温度为分别是试样在温度为t时的体积和长度。时的体积和长度。V0、l0 分别是试样在温度为分别是试样在温度为t0时的体积和长度。时的体积和长度。注：注：如果线膨胀系数很小，则如果线膨胀系数很小，则=3=3。2024/4/25 周四材料科学与工程学院41 膨胀百分率膨胀百分率膨胀百分率膨胀百分率则是指耐火材料由室温加热至试验则是指耐火材料由室温加热至试验温度时，试样体积或长度的变化百分率。温度时，试样体积或长度的变化百分率。2024/4/25 周四材料科学与工程学院42、测试方法、测试方法（）（）顶杆式杆式间读法法（）望（）望远镜直直读法法2024/4/25 周四材料科学与工程学院43、讨论、讨论（1）热膨膨胀系数与何因素有关？系数与何因素有关？热膨胀性能取决于它的化学矿物组成，且与耐热膨胀性能取决于它的化学矿物组成，且与耐火材料中结晶相的火材料中结晶相的晶体结构及键强晶体结构及键强晶体结构及键强晶体结构及键强密切相关。密切相关。键强高的材料具有低的热膨胀系数键强高的材料具有低的热膨胀系数(SiC)；离子键型如：离子键型如：Al2O3、MgO以氧离子紧密堆积结构，所以以氧离子紧密堆积结构，所以一般线膨胀系数较大；一般线膨胀系数较大；共价键形如：共价键形如：SiC等一般线膨胀系数较小等一般线膨胀系数较小组成相同的材料，晶体结构不同，其热膨胀系数也组成相同的材料，晶体结构不同，其热膨胀系数也不同不同(石英和石英玻璃）；石英和石英玻璃）；加热过程中，存在多晶转变的材料，其热膨胀系数加热过程中，存在多晶转变的材料，其热膨胀系数也要发生相应的变化（鳞石英、方石英）。也要发生相应的变化（鳞石英、方石英）。2024/4/25 周四材料科学与工程学院44（）（）为什么什么测定定热膨膨胀系数？系数？窑炉窑炉设计的重要参数；的重要参数；用耐火材料砌筑炉体内用耐火材料砌筑炉体内衬时，应预留一留一定的膨定的膨胀缝；新砌的窑炉在烘烤新砌的窑炉在烘烤时，应有合理的烘烤有合理的烘烤温度曲温度曲线；可可间接判断耐材接判断耐材热震震稳定性能。定性能。2024/4/25 周四材料科学与工程学院45、定义：、定义：指在指在单位位时间内，在内，在单位温度梯度下，位温度梯度下，单位面位面积试样所通所通过的的热量，用量，用表示。表示。二、热导率（二、热导率（thermal conductivity）其中：其中：导热率（导热率（W/mK）；）；Q t时时间间沿沿x轴轴方方向向穿穿过过F截截面面上上的的热热量量（W/m2）；）；T/x 沿沿x轴方向的温度梯度（轴方向的温度梯度（K/m）。）。2024/4/25 周四材料科学与工程学院46 热导率对高温热工设备设计必不可少的重热导率对高温热工设备设计必不可少的重要数据。要数据。如：如：如：如：采用热导率小的隔热材料砌筑可采用热导率小的隔热材料砌筑可以减少厚度和热损失；采用热导率大的材料作以减少厚度和热损失；采用热导率大的材料作为隔烟板和换热器管，可以提高炉膛温度和传为隔烟板和换热器管，可以提高炉膛温度和传热效率。热效率。2、目的：、目的：2024/4/25 周四材料科学与工程学院47、讨论：热传导与哪些因素有关？、讨论：热传导与哪些因素有关？（1 1）化学）化学）化学）化学矿矿物物物物组组成成成成 化学化学矿物物组成越复成越复杂，杂质含量越高，添加成份形成含量越高，添加成份形成的固溶体越多，的固溶体越多，热导率降低越明率降低越明显。（2 2）晶体）晶体）晶体）晶体结结构构构构 一般晶体一般晶体结构愈复构愈复杂，热导率愈低；光子率愈低；光子传导与声子与声子传导。等。等轴晶系的晶体存在各向异性；耐火材料晶系的晶体存在各向异性；耐火材料为多相多相结合体，可以合体，可以认为热导率率为各向同性。各向同性。（3 3）温度的影响）温度的影响）温度的影响）温度的影响 一般晶体一般晶体为负的的热导率温度系数，即率温度系数，即d/dT0，大，大多数晶体随温度升高多数晶体随温度升高热导率下降；率下降；非晶体如：玻璃非晶体如：玻璃质物物质具有正的具有正的热导率温度系数，率温度系数，即即d/dT0。耐火材料耐火材料热导率温度系数率温度系数较为复复杂。2024/4/25 周四材料科学与工程学院48（4 4）气孔的影响）气孔的影响）气孔的影响）气孔的影响 耐火材料中所含的气孔耐火材料中所含的气孔对其其热导率的影响最大。率的影响最大。一般一般说来，在一定的温度范来，在一定的温度范围内，气孔率越大，内，气孔率越大，热导率越低。率越低。气体气体热导率率较低，所以耐火材料中低，所以耐火材料中的气孔降低了的气孔降低了热导能力。能力。如：如：如：如：南极人，北极南极人，北极绒保暖内衣利用中孔保暖内衣利用中孔纤维，降低了降低了热导能力，从而达到了保暖目的。能力，从而达到了保暖目的。很多工很多工业窑炉用隔窑炉用隔热耐火材料，就是提高了材耐火材料，就是提高了材料的气孔率，防止料的气孔率，防止热量的散失。量的散失。2024/4/25 周四材料科学与工程学院49 耐火材料的力学性耐火材料的力学性质是指制品在不同条是指制品在不同条件下的件下的强度等物理指度等物理指标，是表征，是表征耐火材料抵耐火材料抵抗不同温度下外力造成的形抗不同温度下外力造成的形变和和应力而不破力而不破坏的能力坏的能力。耐火材料的力学性耐火材料的力学性质通常包括通常包括耐耐压强度度、抗折抗折强度、扭度、扭转强度、耐磨性、度、耐磨性、弹性模量及性模量及高温蠕高温蠕变等。等。第四节第四节 耐火材料的力学性能耐火材料的力学性能2024/4/25 周四材料科学与工程学院50一、耐压强度一、耐压强度 定定定定义义：耐火材料的耐耐火材料的耐压强度包括度包括常温耐常温耐常温耐常温耐压强压强度度度度和高温耐和高温耐和高温耐和高温耐压强压强度度度度，分，分别是指常温和高温条件下，是指常温和高温条件下，耐火材料耐火材料单位面位面积上所能承受的最大上所能承受的最大压力，以牛力，以牛顿/毫米毫米2（或（或MPa）表示。可按下式）表示。可按下式计算：算：式中式中 Cs 耐火制品的耐耐火制品的耐压强度，度，单位：位：MPa；P 试样破坏破坏时所承受的极限所承受的极限压力，牛力，牛顿；A 试样承受承受载荷的面荷的面积，毫米，毫米2。2024/4/25 周四材料科学与工程学院51意义：意义：常温耐常温耐压强度度指指标通常可以反映生通常可以反映生产中中工工艺制度的制度的变动。因此，常温耐。因此，常温耐压强度也是度也是检验现行工行工艺状况和制品均一性的可靠指状况和制品均一性的可靠指标。高温耐高温耐压强度度表明制品的成型坯料加工表明制品的成型坯料加工质量、成型坯体量、成型坯体结构的均一性及构的均一性及砖体体烧结情情况良好况良好;同同时还反映了耐火材料在高温下反映了耐火材料在高温下结合状合状态的的变化。特化。特别是加入一定数量是加入一定数量结合合剂的耐火可塑料和的耐火可塑料和浇注料，由于温度升高，注料，由于温度升高，结合状合状态发生生变化化时，高温耐，高温耐压强度的度的测定更定更为有用。有用。2024/4/25 周四材料科学与工程学院52 测试方法：测试方法：中国中国标准准GB/T5072-1985规定在定在砖体上体上切取切取边长为40100mm的正方体，在液的正方体，在液压机上加机上加压，直至，直至试样破坏。根据破坏。根据记录的最大的最大载荷和荷和试样的面的面积，用下式，用下式计算常温耐算常温耐压强度：度：S=P/A N/mmN/mm2 2,MPa,MPa A=(A1A2)/2 mmmm2 2 P试样破碎破碎时的最大的最大载荷，荷，N A1，A2试样上、下受上、下受压面的面面的面积,mm2。图1-2 耐压强度简示图2024/4/25 周四材料科学与工程学院53二、抗折强度二、抗折强度定定义：耐火材料的抗折耐火材料的抗折强度包括度包括常温抗折常温抗折强度和高温抗折度和高温抗折强度度，分，分别是指常温和高温条是指常温和高温条件下，耐火材料件下，耐火材料单位截面位截面积上所能承受的极上所能承受的极限弯曲限弯曲应力，以牛力，以牛顿/毫米毫米2（或（或MPa）表示。）表示。它表征的是材料在常温或高温条件下抵抗弯它表征的是材料在常温或高温条件下抵抗弯矩的能力，采用矩的能力，采用三点弯曲法三点弯曲法测量。量。2024/4/25 周四材料科学与工程学院54式中：式中：R 抗折强度，抗折强度，N/mm2（MPa）；）；W 试样断裂时所施加的最大载荷，试样断裂时所施加的最大载荷，N；l 试样底面两支撑点之间的距离，试样底面两支撑点之间的距离，mm；b、d 试样的长度或宽度，试样的长度或宽度，mm。2024/4/25 周四材料科学与工程学院55 定定定定义义:耐磨性是指耐火材料抵抗耐磨性是指耐火材料抵抗坚硬物料或含硬物料或含尘气体的磨气体的磨损作用（研磨、摩擦、冲作用（研磨、摩擦、冲击等）的能等）的能力。在力。在许多情况下耐磨性也决定耐火材料的使用多情况下耐磨性也决定耐火材料的使用寿命。寿命。如：如：如：如：高炉上部的砌高炉上部的砌砖受到球受到球团下降的磨下降的磨损，还受到上受到上升气流的冲刷；升气流的冲刷；焦炉焦化室的砌焦炉焦化室的砌砖受到焦碳的磨受到焦碳的磨损作用作用和和