《耐火材料与燃烧概论2讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《耐火材料与燃烧概论2讲解（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、耐火材料与燃料燃烧讲义,1,第2章 耐火材料的性能,耐火材料的性能，是衡量和评价耐火材料产品质量的核心内容和基本依据。耐火材料的质量和性能，不但直接影响到耐火材料应用部门的产品质量、生产成本和经济效益，有时甚至关系到生产和人身安全。准确地评价耐火材料的品质特性和正确地评价耐火材料的性能特性，对于准确地选择耐火材料材质，研究开发优质耐火材料产品，充分把握耐火材料的综合性能，促进耐火材料稳定生产，确保耐火材料在使用过程中的安全性和有效性具有十分重要的意义。 耐火材料的性能主要包括化学性能、热性能、物理性能、机械性能和微观组织结构等。耐火材料的综合性能，即耐火材料的品质特性和性能特性，主要由上述各基
2、本性能决定的。正确地评价耐火材料的各基本性能，是评价耐火材料品质特性和性能特性优劣的基础和前提。,耐火材料与燃料燃烧讲义,2,2.1 耐火材料的宏观结构,2.1.1气孔率(porosity),(1) 气孔率的定义 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。耐火材料中的气孔依照透气性原理可以分为：(1) 闭口气孔，封闭在材料中与外界不相通，不能为流体所填充(见图2-1)；(2) 开口气孔，一端封闭而另一端与外界相通，能为流体所填充；(3) 贯通气孔，贯通材料的两面，能为流体所通过。通常将开口气孔和贯通气孔统称为开口气孔。,图2-1 耐火材料中气孔类型,耐火材料与燃料燃烧讲义,3,
3、耐火材料的气孔率，通常有三种表示方法，即 (1) 开口气孔率Pa(也称显气孔率，apparent porosity)，即耐火材料中开口气孔(open pore，包含贯通气孔)的体积占耐火材料总体积之百分比； (2) 闭口气孔率Pc(closed porosity)，即封闭气孔的体积占耐火材料总体积的百分比； (3) 总气孔率Pt (亦称为真气孔率，total porosity)，是总气孔体积占耐火材料总体积的百分比。以上三种气孔率用数学式表示为： 总气孔率 (2-1) 开口气孔率 (2-2) 闭口气孔率 (2-3),(2) 气孔率的表示方法,耐火材料与燃料燃烧讲义,4,图2-2 耐火材料性质和
4、气孔率的关系 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,三种气孔率间关系为：,(2-4),耐火材料与燃料燃烧讲义,5,耐火材料开口气孔率的测定原理是根据阿基米德定律采用排水法测定。致密耐火材料开口气孔率的测定方法是，首先称量试样干燥质量，然后将试样放置于液体抽真空，使液体充分饱和试样，称量试样在空气中的质量(称为饱和质量)和试样的表观质量(指饱和试样完全浸没在液体中时，试样的饱和质量与其排除液体质量之差)。开口气孔率的计算关系式如下： 开口气孔率 (2-5),(3) 气孔率的测定方法,式中 Pa耐火材料的显气孔率，%； m1干燥试样的质量，g； m2饱和试样的表
5、观质量，g； m3饱和试样在空气中的质量，g。,耐火材料与燃料燃烧讲义,6,(1) 密度的定义 密度是指材料的质量与其体积之比，通常以g/cm3来表示。当计量的体积所包含的气孔类型不同时，可将密度分为体积密度(bulk density，缩写为Db)、表观密度(apparent density，缩写为Da)和真密度(true density，缩写为dt)三种。 (2) 密度的表示方法 体积密度：是指材料的质量(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(Vb)之比，即,2.1.2 密度(density),(2-6),耐火材料与燃料燃烧讲义,7,Db材料的体积密度，g/cm3； M试
6、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。,真密度：是指材料的质量与其实际体积之比，即,(2-8),式(2-6)-(2-8)中, 表观密度：是指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,(2-7),耐火材料与燃料燃烧讲义,8,(3) 密度的测定方法 体积密度：致密耐火材料体积密度的测量方法，与开口气孔率的测量方法相似。中国标准(GB/T2997-1982)和国际标准(ISO5017)的规定，体积密度的计算方法如下：,(2-9),式中 Db试样的体积密度，g/cm3； m1干燥试样的质量，g
7、； m2饱和试样的表观质量，g； m3饱和试样在空气的质量，g； D1试验温度下浸渍液体的密度，g。,耐火材料与燃料燃烧讲义,9,(2-10),真密度：根据中国标准(GB/T5071-1997) 和国际标准(ISO5018)的规定，对于耐火材料的真密度，把材料破碎、磨细到颗粒内尽可能没有闭口气孔的程度后，用测量试样干燥质量和真实体积来测定真密度。其计算式如下：,式中 Dt试样的真密度，g/cm3； m1干燥试样的质量，g； m2装有试样和选用液体的比重瓶的质量，g； m3装有选用液体的比重瓶的质量，g； D1试验温度下，选用液体的密度，g/cm3。,耐火材料与燃料燃烧讲义,10, 理论密度:,
8、mi 和i分别为材料中所含第i种矿相的质量和理论密度,(2-11),耐火材料与燃料燃烧讲义,11,(4) 气孔率与密度之间的关系,(2-12),(2-13),(2-14),耐火材料与燃料燃烧讲义,12,2.1.3 吸水率(water absorption),吸水率是指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，以百分率形式表示，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。,吸水率通常用来在耐火原料生产中鉴定熟料的煅烧质量，原料煅烧得越好，吸水率数值越低。一般要求熟料的吸水率应小于5%。,(2-15),耐火材料与燃料燃烧讲义,1
9、3,2.1.4 透气度(permeability),透气度是指耐火材料制品在一定压差下，允许气体通过的能力。透气度的计算式如下：,(2-16),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力，N/mm2； p2气体溢出试样端的压力，N/mm2。,耐火材料与燃料燃烧讲义,14,2.1.5 气孔孔径分布(pore size distribution),气孔孔径分布是指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。,(2-17),耐火材料与燃料燃烧讲义,15,2.2 耐火材料的热学性能及导电
10、性能,耐火材料的热学性能主要指比热容、导热率和热膨胀性等。这些性能是衡量耐火制品能否适应具体热过程的重要依据，是从事工业窑炉设计的基本数据。耐火材料的热学性能与原料组成，制造工艺，显微结构和晶相结构等都密切相关。,耐火材料与燃料燃烧讲义,16,2.2.1 比热容(specific heat capacity),(2-18),式中 Cp 、C0分别表示在温度t和0时比定压热容，kJ/（kg ） ； a、b、c实验测得的系数； t温度， 。,耐火材料与燃料燃烧讲义,17,图2-3 耐火材料的平均比热容与温度的关系曲线 1粘土砖；2镁砖；3硅砖；4硅线石砖；5白云石砖；6铬砖,耐火材料与燃料燃烧讲义
11、,18,2.2.2 热膨胀性(thermal expansibility),热膨胀性是指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重要性能之一。炉窑在常温下砌筑，而在高温下使用时炉体要膨胀。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。,耐火材料与燃料燃烧讲义,19,热膨胀性的测定方法,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。它们是预留膨胀缝和砌体总尺寸结构设计计算的关键参数。, 线膨胀率: 是指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
12、温度间隔的线膨胀率按下式计算：,式中 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。,(2-19),耐火材料与燃料燃烧讲义,20,试样由室温至试验温度的线膨胀系数按下式计算：,线膨胀系数:,(2-20),式中 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。,耐火材料与燃料燃烧讲义,21,图2-4 常用耐火材料的热膨胀曲线 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,耐火材料与燃料燃烧讲义,22,各种耐火制品的热膨胀性差别很大，主要取决
13、于其化学矿物组成，而与制品的生产工艺无关。 一般而言，由晶体构成的材料与晶体中化学键的性质和键强有关。由共价键向离子键发展过程中，离子键性增加，其膨胀性也增加。具有较大键强的晶体和非同向性晶体中键强大的方向上，热膨胀系数较低。如碳化硅具有较高的键强，故热膨胀系数较低。层状结构的石墨，其垂直于C轴的层内原子间强大，线膨胀系数很低，仅为110-6/ ；而平行于C轴的层间分子键强小，线膨胀系数高达2710-6/ 。故凡由高度各向异性的晶体构成的多晶体，其膨胀系数都很小，如堇青石和铝板钛矿多晶体都是低热膨胀系数的材料。据有氧离子紧密堆积结构的氧化物晶体，一般具有较高的热膨胀性。如MgO、BeO、Al2
14、O3、MgAl2O4和BeAl2O4等都具有离子紧密堆积结构，故都具有很高的热膨胀性。,耐火材料与燃料燃烧讲义,23,具有网状结构的玻璃制品，一般皆有很低的膨胀系数，如石英玻璃全由硅氧四面体构成网络，正负离子间键强大，故膨胀系数最小，仅为0.5410-6/ 。但是，当此种玻璃含有能使网络破断的碱金属氧化物时，则玻璃的膨胀系数增大，而且随着加入的正离子与氧离子间键强的减小而增加。反之，若加入能参与网络构造使以断裂的硅氧网络重新连接起来的氧化物，例如在一定含量范围内，加入B2O3、Al2O3、Ga2O3等，随着加入量的增加可使热膨胀系数下降。若玻璃中含有键强大的离子，如Zr2+、Zr4+、Th4+
15、等，它们处于网络间隙中，对其周围硅氧四面体起聚集作用，增加结构的紧密性，也使膨胀系数下降。,耐火材料与燃料燃烧讲义,24,2.2.3导热性(thermal conductivity),耐火材料的导热性，即其传递热量的能力，通常以导热系数来表示。导热系数表示在能量传递过程中，在单位时间内，在单位温度梯度下，单位面积所通过的热量。导热系数的表达式为：,(2-21),式中 材料的导热系数；W/m q热流密度； dT/dx温度梯度。,耐火材料与燃料燃烧讲义,25,1碳化硅砖； 2镁砖； 3碳化硅砖(含SiC70%)； 4刚玉转； 5碳化硅砖(含SiC50%)； 6烧结白云石砖； 7氧化锆砖； 8铬镁砖； 9刚玉(含-Al2O390%)； 10硅线石砖； 11橄榄石砖； 12铬砖； 13硅砖； 14致密粘土砖； 15粘土砖,图2-5 常见耐火材料的导热率,耐火材料与燃料燃烧讲义,26,当耐火材料含有玻璃相时，由于非晶质的结构无序，原子间相撞机率大，故与晶体相比，导热系数较低。当耐火材料中含有气孔时，由于气体的导热系数比固体小，所以随气孔率的增加，材料的导热系数减小。这就是多孔材料导热系数低的基本原因。,耐火材料与燃料燃烧讲义,27,2.2.4 导电性(electrical conductivity),耐火材料的导电性，通常
