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1、,耐火材料,陶瓷纤维颗粒,水泥回转窑,钢包,电阻炉,绪 论一、耐火材料的定义：耐火材料是用作高温窑、炉等热工设备，以及高温容器和部件的无机非金属材料，耐火度不低于1580，并在高温下能承受相应的物理化学变化及机械作用。二、耐火材料的分类：1、根据耐火材料化学矿物组成分类见表1。（原材料的种类）,2、根据耐火度可分为:普通耐火制品：耐火度为15801770高级耐火制品：耐火度为17702000特级耐火制品：耐火度大于2000 3、按照形状和尺寸可分为：标准型砖（230 114 65mm）、异型砖、特异型砖、大异型砖，以及实验室和工业用坩埚、皿、管等特殊制品。,4、 按制造工艺方法可分为：泥浆浇注
2、制品、可塑成型制品、半干压型制品、由粉状非可塑料捣固成型制品（干式料）， 由熔融料浇注的制品（熔铸）。5、按外观分类见表2。(耐火砖，不定形）,三 耐火材料的发展 ： 研究各种耐火材料的组成和主要特性以及耐火材料随着温度变化而引起的物理化学变化；(基础理论) 根据窑炉的具体工作条件尤其是某些关键部位的条件，正确选用合适的耐火材科；(物尽其用) 选择合理的砌筑方案，加强炉体的维护，改革窑炉结构，不断提高窑炉使用寿命；(学科交叉) 发展不定形耐火材料、绝热材料、特种材料、对环境无污染的材料。（能源环境）,第一章 耐火材料的组成和性质耐火材料基本性质可归纳为以下三方面：1)耐火材料的使用性质。 耐火
3、度、高温耐压强度、热稳定性、高温体积稳定性、抗渣性等。2)耐火材料的物理性质。气孔率、真比重、体积密度、线膨胀率等。3)耐火材料的机械性质。耐压强度、弹性变形、塑性变形等。,第一节 耐火材料的化学矿物组成一、化学组成耐火材料的化学组成按各成分含量和作用分为两部分，主成分和副成分。1、主成分 它是耐火制品中构成耐火基体的成 分，是耐火材料的特性基础。它的性质和数量直接 决定制品的性质。其主要成分可以是氧化物，也可 以是元素或非氧化物的化合物。,按主成分的化学性质又可分为三类。酸性耐火材料 中性耐火材料 碱性耐火材料2杂质成分 在耐火材料(或原料)中含有一定量的杂质。 3添加成分 矿化剂、稳定剂和
4、烧结剂等。灼减：将干燥的材料在规定温度条件下加热时质量减少百分率称为灼减。,二、矿物组成耐火制品是矿物组成体，制品的性质是其组成矿物和微观结构的综合反映。从以下三方面研究与考察：原料的加热相变化；制造中配料间相互反应产生的相变化；耐火材料在使用中的相变化。耐火材料一般是多相组成体，其中的矿物相可分为两类，即结晶相和玻璃相。,主晶相指构成制品结构的主体且熔点较高的晶相。 基质指耐火材料中大晶体或骨料间隙中存在的物质。按其主晶相和基质的成分可以分为两类:一类是含有晶相和玻璃相的多成分耐火制品；一类是仅含晶相的多成分的结晶体。,图11 耐火制品的 显微组织结构,第二节 耐火材料的组织结构耐火材料是由
5、固相（包括结晶相和玻璃相）和气孔两部分构成的非均质体。一、气孔率、体积密度、真密度1气孔率 ：闭口气孔 、开口气孔 、贯通气孔,图12 耐火制品中气孔类型 1封闭气孔 ； 2开口气孔； 3贯通气孔,制品的气孔率，常用开口气孔率(显气孔率)表示。真气孔率（总气孔率）开口气孔率（显气孔率）V0、V1、V2分别表示总体积、 开口气孔和闭口气孔体积cm32、吸水率 它是制品中全部开口气孔吸满的水的质量与其干燥质量之比，以百分率表示。G：干燥试样质量，g；G1：试样开口气孔中吸满的水的质量，g；W：吸水率。,3、体积密度 表示干燥制品的质量与其总体积之比， 即制品单位体积(表观体积)的质量，用gcm3表
6、示。4、真密度 是指不包括气孔在内的单位体积耐火材 料的质量，可用下式表示。,二、透气度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。透气度是表示气体通过耐火制品难易程度的特性值。透气度系数通常用干燥的空气在常温下测定。气体的透过量与气体粘度成反比，气体粘度随温度升高而增大。气体透过量与孔道半径的四次方成正比。,第三节 耐火材料的热学性质和导电性一、热膨胀耐火材料的热膨胀是指其体积或长度随着温度升高而增大的物理性质。一般用线膨胀率表示。线膨胀率=原因：原子的非诣性振动增大了物体中原子的间距从而使体积膨胀。,材料的热膨胀系数随温度变化，故其值为某个温度区
7、间内。 材料的热膨胀与其晶体结构和键强度密切相关：键强高的热膨胀系数低；结构紧密的热膨胀系数高；各相异性的不同方向热膨胀系数不同。 耐火材料的热膨胀系数取决于它的化学矿物组成，当存在多晶转化时，在相变点有突变。,二、热导率热导率是表征耐火材料导热性的一个物理指标，是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。,特点：材料的化学组分越复杂，杂质含量越多，添加成分形成的固溶体越多，热导率降低；晶体结构越复杂的材料，热导率越小；一般晶体具有负的热导率温度系数；玻璃质和非晶物质有正的热导率温度系数。,三、热容通常用常压下加热1kg物质使之升温1 所需的热量 （以kJ计）来表示，称为热容，也称比
8、热容。耐火材料的热容影响炉体的加热、冷却速度。四、温度传导性温度传导性是表示物体加热时的温度传导速度，它决 定耐火材料急冷急热时内部温度梯度的大小。,温度传导性用导温系数（ ）表示：-热导率；-体积密度；c-等压热容五、导电性 耐火材料在常温下是电的不良导体。耐火材料导电性的强弱，通常用电阻率来表示。,第四节 耐火材料的力学性质一、常温力学性质1、常温耐压强度 它是指常温下耐火材料在单位面 积上所能承受的最大压力。Pa 用于表征制品的烧结情况，检测时，注意试样的大小和加压方向。,2、抗拉、抗折和扭转强度耐火材料在使用时，除受压应力外，还受拉应力、弯曲应力和剪应力的作用。 一般，抗折强度是耐压强
9、度的1/21/3抗拉强度是耐压强度的5/91/10,3、耐磨性 耐火材料抵抗坚硬物料或气体(如含 有固体颗粒的)磨损作用(研磨、摩擦、冲击力作用)的 能力。 通常，在常温下以一定研磨条件下和研磨时间下制品的质量损失或体积损失来表示耐磨性。,二、高温力学性质 1、高温耐压强度 是材料在高温下单位截面所能承受的极限压力。 2、高温抗折强度 是材料在高温下单位截面所能承受的极限弯曲应力。,3、高温扭转强度 高温扭转强度是材料的高温力学性质之一。 它表征材料在高温下抵抗剪应力的能力。测定时将试样一端固定，另一端施以力矩作 用，试样发生扭转变形。当试样被扭转时，试样 内各横截面上产生剪切应力，当应力超过
10、一定限 度时，试样发生断裂。在高温下试样被扭断时的 极限剪切应力，称为高温扭转强度。,4、高温蠕变性材料在恒定的高温、恒定的外力作用下所发生的缓慢变形，称高温蠕变。 高温蠕变的表示方法一般为变形量()与时间(h)的关系曲线，通常称为蠕变曲线。,图13 典型高温蠕变曲线,5、弹性模量 材料在其弹性限度内受外力作用产生变形，当外力除去后，仍恢复到原来的形状，此时应力和应变的比例称为弹性模量。它表示材料的抵抗变形的能力：,如果制品的其它性质相同，弹性模量与制品的热震稳定性成反比。如果是同一系统的制品，弹性模量与抗折强度、耐压强度、耐磨性大体上成正比。,第五节 耐火材料的高温使用性质一、耐火度耐火材料
11、在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质称为耐火度。(与熔点不同）,图14 三角锥弯倒情况,熔点是纯物质的结晶相与其液体处于平衡状态下的温度；耐火度是多相固体混合物在开始熔融温度与熔融终了温度范围内液相和固相同时共存。 试锥弯倒是其中液相的生成及固相在液相中的溶解所致。 因素：固相与液相的数量比（液相7080%）、液相粘度（10 50Pas)和材料的分散度。具有强熔剂作用的杂质成分，会严重降低制品的耐火度。（提高原料纯度） 考虑荷重和外物的熔剂作用，并非耐火度越高砖越好。,二、高温荷重变形温度耐火材料在高温和荷重同时作用时的抵抗能力，也表示耐火材料呈现明显塑性变形的软化范围。在一定程度上表明制品在
12、与其使用情况相仿条件下的结构强度。耐火材料高温荷重变形温度的测定方法是固定试样承受的压力(0.2MPa)，不断升高温度，测定试样在发生一定变形量和坍塌时的温度，称为高温荷重变形温度。,各种耐火材料的荷重变形曲线，其中1-高铝砖，2-硅砖，3-镁砖，4-粘土砖 ，5-半硅砖，6-粘土砖,几种耐火制品的0.2MPa荷重变形温度,三、高温体积稳定性耐火材料在高温下长期使用时，其外形体积保持稳定不发生变化(收缩或膨胀)的性能称为高温体积稳定性。重烧时的体积变化可用体积百分率或线变化百分率表示：,原因： 1、烧成制品，烧成过程中，物理化学变化未达到该温度下的平衡状态，烧成不充分，使用中受高温，继续反应；
13、 2、不烧制品，烧烤温度低，时间短，在使用中持续反应。,重烧体积变化的测定方法：将试样在高于使用温度以上(根据制品的要求和使用条件来定)，保温23小时，然后测其体积变化，以百分率表示。各种耐火制品允许的重烧体积变化取决于制品的使用条件和要求，一般不超过0510。多数耐火材料在重烧时产生收缩，少数制品产生膨胀。,四、热震稳定性 耐火材料抵抗温度的急剧变化而不破坏的性能称为热震稳定性。也称为抗热震性或温度急变抵抗性。 材料的热震破坏可分为两大类： 一是瞬时断裂，称为热冲击断裂； 二是在热冲击循环作用下，先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体损坏，称为热震损伤。,热应力产生原因： 1、机械约束；
14、 2、均质材料中出现温度梯度； 3、非均质固体中各相之间的热膨胀系数的差别； 4、单相多晶体中热膨胀系数各向异性。,五、抗渣性耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀作用而不破坏的能力称为抗渣性。熔渣：冶金炉渣、燃料灰分、飞尘、各种材料（包括固态、液态材料，如烧结水泥块、煅烧石灰、铁屑、熔融金属、玻璃液等）和气态物质（煤气、一氧化碳、氟、硫、锌、碱蒸气）等。上述熔渣物质在高温下多形成液态物质直接与耐 火材料接触，有些固体物质甚至气体，在高温下与耐 火材料接触之后，最终也会形成液相。,熔液侵蚀过程主要是耐火材料在熔渣中的溶解过程和熔渣向耐火材料内部的侵入(渗透)过程。 耐火材料向熔渣中溶解的过程可分为： (
15、1)单纯溶解 耐火材料与熔渣不发生化学反应的物理溶解作用。(2)反应溶解 耐火材料与熔渣在其界面处发生化学反应，使耐火材料的工作面部分转变为低熔物(反应产物)而溶于渣中，同时改变了熔渣和制品的化学组成。 (3)侵入变质溶解 高温溶液或熔渣通过气孔侵入耐火材料内部深处，或通过耐火材料的液相扩散和向耐火材料的固相中扩散，使制品的组织结构发生质变而溶解。,从生产工艺角度出发，有效地提高耐火材料的抗渣性，应从下列两个主要途径着手：(1)保证和提高原料的纯度，改善制品的化学矿物组成。(2)选择适宜的生产方法，获得具有致密而均匀的组织结构的制品。耐火材料抗渣性的测定方法常用坩埚法、回转渣蚀法等。,六、耐真
16、空性 通常在常温下耐火材料的蒸气压都很低，可以认为是极稳定而不易挥发的。但在高温减压下工作（如真空熔炼炉或钢水脱气处理等）时，会因其挥发减量而造成损耗，加速其损坏。 耐火材料的挥发速度如下式：,挥发速度与耐火材料的蒸气压成正比，气相的分子量越大挥发量也愈大。,第六节 耐火材料形状的正确性和尺寸的准确性,形状的正确性和尺寸的准确性对于窑炉砌筑体的严密性具有直接的影响，而砌筑体的严密性在很大程度上决定着砌筑体的使用寿命。 砖缝在砌筑体中是最薄弱的和最易损坏的部分，同砖相比较，砖缝的密度和强度要小得多，因此它更容易溶解于渣中，从而削弱整个内衬的抗渣性和热震稳定性。,思考题1、什么叫耐火材料?耐火材料有哪些基本性质?2、耐火材料的组织结构包括哪些内容？3、什么叫耐火度?影响耐火度的因素有哪些?4、什么叫高温体积稳定性？5、什么叫热震稳定性?产生热应力的原因有哪些?6、什么叫抗渣性？影响制品抗渣性的因素有哪些?7、耐火材料的高温使用性质有哪些? 8、气孔率、体积密度、吸水率、真比重、透气度?9、简述耐火材料今后的发展趋势?,
