耐火材料组成结构与性质

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1、2019/2/28,主讲：廖桂华 电话：65928200(o) E-mail: ,第四篇 耐火材料工学基础,2019/2/28,第四篇 耐火材料工学基础,耐火材料是冶金、建材、化工、机械等工业高温窑炉的重要基础材料。了解它们的性能并选用合适的耐火材料对于生产控制及降低成本有重要的意义。本课程介绍常用耐火材料的基本性能，应用范围以及易懂的生产工艺与原料知识。,2019/2/28,耐火材料工业曾被描绘为冶金工业和其它高温行业的“支撑工业”和“先行工业”。耐火材料是高温技术的基础材料，它与高温技术，尤其是钢铁工业的发展有很密切的关系，相互依存，互为促进，共同发展。在一定的条件下，耐火材料的质量、品种

2、对高温技术发展起着关键作用。,2019/2/28,耐火材料是构筑热工设备的高温结构材料，在使用过程中除承受高温作用外，还不同程度地受到机械应力、热应力作用，高温气体、熔体以及固体介质的侵蚀、冲刷、磨损。 耐火材料的质量取决于其性质，为了保证热工设备的正常运行，所选用的耐火材料必须具备能够满足和适应各种使用环境和操作条件的性质。,2019/2/28,第一章 绪论,1、传统的定义：耐火度不小于1580的无机非金属材料。 2、ISO的定义：耐火度不小于1500的非金属材料及制品。,一、耐火材料的定义及其性能要求,（一） 定义,2019/2/28,第一章 绪 论,1.1 耐火材料的定义及其性能要求,（

3、二） 对耐火材料的性能要求及其表征指标,（1）足够高的耐火度 具有在足够高的温度下不软化、不熔融的性能。表征指标：耐火度,（2）足够高的荷重软化温度耐火材料在高温下能够承受大荷载及其他热机械应力，且不丧失结构强度、不发生变形坍塌的性能。表征指标：荷重软化温度,（3）良好的高温体积稳定性在使用过程中，不产生过大的体积膨胀或收缩，以免影响高温设备的结构稳定性或严密性。表征指标：重烧线变化（%）,2019/2/28,1.1 耐火材料的定义及其性能要求,（二） 对耐火材料的性能要求及其表征指标,（4）良好的热震稳定性耐火材料抵抗温度急剧变化而不发生开裂、剥落的能力。表征指标：材料的热膨胀系数和抗热震性

4、指标,（5）良好的抗渣性耐火材料在使用过程中抵抗各种侵蚀性物质的化学作用而不被蚀损的能力。表征指标：抗渣性评价,（6）良好的耐磨性耐火材料在使用过程中，有时会受到高速流动的火焰、含固体颗粒的烟气、液态金属和熔渣，甚至固体物料等物质的直接冲刷或磨蚀作用，因此这时要求耐火材料要具有良好的耐磨性。表征指标：耐压强度和耐磨性（或硬度）指标。,（7）外形和尺寸准确对定型制品而言。,2019/2/28,1.2 耐火材料的分类,耐火材料品种繁多、用途各异，有必要对耐火材料进行科学分类，以便于科学研究、合理选用和管理。耐火材料的分类方法很多，其中主要有化学属性分类法、化学矿物组成分类法、生产工艺和使用部位分类

5、法、材料形态分类法等多种方法。 按化学属性分类 按化学矿物组成分类 其他分类方法,2019/2/28,1.2.1 按化学性质分类,耐火材料按化学属性分可分为酸性耐火材料、中性耐火材料、碱性耐火材料。, 按化学属性分类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。,2019/2/28,1.2.1 按化学性质分类,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抗侵蚀能力，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。,- 酸性耐火材料对酸性介质的侵蚀具有较强的抵抗能力。,-

6、 中性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。,- 碱性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。,2019/2/28,1.2.2 按化学矿物组成分类,2019/2/28,（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，主要矿物组成为磷石英和方石英，主要用于焦炉和玻璃窑炉等热工设备的构筑。 熔融石英制品以熔融石英为主要原料生产，其主要矿物组成为石英玻璃。由于石英玻璃的膨胀系数很小，因此熔融石英制品具有优良的抗热冲击能力。,1.2.

7、2 按化学矿物组成分类,2019/2/28,SiO2Al2O3系矿物是重要的耐火原料。根据从Al2O3含量的不同，可将硅酸铝质耐火材料划分为不同的种类。,表1 SiO2Al2O3系耐火材料,1.2.2 按化学矿物组成分类,（2）硅酸铝质耐火材料,2019/2/28,（3）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。,1.2.2 按化学矿物组成分类,2019/2/28,（4）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

8、主要矿物成分为方镁石和方钙石（氧化钙）。,（5）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。一般而言，碳复合材料主要包括镁碳制品、镁铝碳制品、锆碳制品、铝碳制品等。,1.2.2 按化学矿物组成分类,2019/2/28,（6）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。,1.2.2 按化学矿物组成分类,2019/2/28,（7）特种耐火材料 （高技术陶瓷） 上述分类所不能包括的材料，此类材料除其化学组成比较特殊，不宜归类到上述类别中外，通常

9、它们还具有各自的较为突出的特点，如优良的热震稳定性、抗渣性等，利用这些特点往往用于特定的使用条件。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；,1.2.2 按化学矿物组成分类,2019/2/28,（2）按生产工艺，可分为烧成制品、熔铸制品和不烧制品。,（1）根据耐火度的高低 普通耐火材料：15801770 高级耐火材料：17702000 特级耐火材料：2000 超级耐火材料： 3000,1.2.3 其他分类

10、方法,2019/2/28,标普型：230mm113mm65mm； 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5070的锐角。 特异型：（尺寸比） Max : Min8:1； 或不多于4个凹角； 或有一个3050的锐角。,1.2.3 其他分类方法,（3）依据形状及尺寸的不同,2019/2/28,1.3 耐火材料生产的一般工艺过程,2019/2/28,1.4.1 历史悠久 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，石墨粘土坩锅投入使用。 我国，解放前仅有少量

11、的耐火材料工厂，生产能力和产品质量较低，严重依赖进口；,1.4 耐火材料的发展,2019/2/28,1.4.2 中国耐火材料工业的现状与发展 1）计划经济时代中国耐火材料由33家重点企业扶持； 2）改革开放以后，随着钢铁工业的迅速发展，耐火材料行业快速发展起来；中国耐火材料产量如下表所示。,一方面，连铸比和技术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1998年以后中国耐火材料产量稳定在1000万吨左右。 2002年，中国吨钢消耗耐火材料20 kg；日本9 kg，美国10 kg；,1.4 耐火材料的发展,2019/2/28,1.4.3 存在的问题和今后的发展 钢铁工业的竞争日趋激

12、烈，耐火材料生产厂家面临更大的成本压力； 洁净钢的生产对耐火材料提出了更高的要求，除了要求长寿以外，还要求对钢水无污染材料功能化； 资源与环境压力愈来愈大可持续发展战略。如：矿山的管理、耐火材料的回收利用、环境友好耐火材料的使用。,1.4 耐火材料的发展,2019/2/28,第二章 耐火材料的组织结构与性能,2019/2/28,各国的检验标准有所不同，由于实验室条件下的检验和实际有一定的差距；实验室的检验结果仅起到预测作用。 俄罗斯：TOCT 日 本： JIS（Japanese Industrial Standards） 英 国： BSI（British Standards Instituti

13、on） 美 国：ASTM（American Society of Testing Materials） 中 国：GB,第二章 耐火材料的组织结构与性能,耐火材料的性质主要包括化学-矿物组成、组织结构、力学性质、热学性质及高温使用性质等。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。同样地，通常也要根据热工设备的工作性质与操作环境，来研制、设计、生产或选择能适应操作环境、满足使用要求的耐火材料。,2019/2/28,材料的显微结构系指在显微镜下所能观察到的组织结构，其内容通常包括：物相的种类；各相的含量、形状、大小、分布状况（即各相之间的空间分布即取向关系）等。,2.1 耐火材料的组织结构

14、,2019/2/28,所以，从微观上看，耐火材料是由主晶相和基质两部分组成的多相系统。所谓 “基质”，是指填充于主晶相之间的物质，或者说是除主晶相以外的物质，它包括玻璃相和次晶相。,耐火材料的显微组织结构：,a: 由硅酸盐（硅酸盐晶体 和 玻璃体）结合物胶结主晶相颗粒的组织结构。,b: 由晶体(次晶相)直接结合主晶相颗粒的组织结构。,2.1 耐火材料的显微结构,2019/2/28,因此，绝大多数耐火材料按其矿物组成的属性可以分为两类：一类是同时含有晶相和玻璃相的制品，如粘土砖、硅砖、高铝砖等，具有a型的显微组织结构，基质由一些细晶和玻璃相构成（陶瓷结合制品）。,直接结合结构类型（b）的制品的高

15、温使用性能（高温力学强度、热震稳定性、抗渣性等）要比a型结构的制品好得多。,2.1 耐火材料的显微结构,另一类是仅含晶相的耐火制品，其基质由细晶粒构成，如镁砖、铬镁砖等碱性耐火材料。后者具有b型的显微组织结构, 也称为“直接结合制品”。,2019/2/28,从宏微观上看，耐火材料是由固相（包括晶相和玻璃相）与气孔两部分组成的非均质体。其中各种形状和大小的气孔与固相之间的宏观关系（数量、分布情况等）构成了材料的宏观组织结构。,耐火制品中的气孔类型：1 封闭气孔；2 开口气孔；3 贯通气孔,2.1 耐火材料的显微结构,2019/2/28,（1）气孔率 （2）吸水率 （3）体积密度 （4）真密度与真

16、比重 （5）透气度,2.2 耐火材料的常温物理性质,2.2.1 耐火材料的密度、气孔率与透气性,2019/2/28,（一） 气孔率,材料中的气孔类型,1.,2. 气孔率大小、气孔形状及分布状态对材料性能的影响,2.2 耐火材料的常温物理性质,3. 气孔率：,2019/2/28,（一） 气孔率, 在一般情况下, 开放气孔体积占总体积的绝大多数，封闭气孔很少且难以直接测定，故常采用显气孔率来表征制品的致密程度。,2.2 耐火材料的常温物理性质,（二） 吸水率,吸水率实际上是反映制品中开放气孔量的一个技术指标。由于其便于测定，在生产中常被采用于表征原料或制品的烧结程度。烧结良好的制品或原料，其吸水率应很低。,测定吸水率的意义：判断原料或制品质量的好坏、烧结与否、是否致密。同时可以预测耐火材料的抗渣性、透气性能和热震稳定性能。,2019/2/28,吸水率的定义：制品中全部开放气孔吸满水的重量与制品的干燥质量之比。, 气孔率和吸水率