耐火材料工艺学第一章

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1、耐 火 材 料 工 艺 学 张玲 辽宁科技大学 高温材料与镁资源工程学院 辽宁省镁质材料研究中心,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。 这门课程是从事耐火材料生产、研究、应用和贸易的人员的必修之课，其重要性不言而喻。 快状烧成耐火制品的一般生产工艺流程如下： 原料的加工配料混练成型干燥烧成拣选成品,耐火制品简介：,钢铁冶金过程使用耐火材料的高温炉,一、耐火材料的概念,耐火材料是耐火度不低于1580的 无机非金属材料。 是用作高温窑、炉等热工设备的结构材料，工业用高温容器和部件的材料 ,少部分功能材料。,无机非金属材料,金属材料,有机高分子材料,无机非金属材料

2、,复合材料,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：2000,3. 按化学属性分类,耐火材料按化学属性大致可分为酸性耐火材料、中性耐火材料、碱性耐火材料。,2. 按化学矿物组成分类 此种分类法能够很直接地表征各种耐火材料的基本组成和特性，在生产、使用、科研上是常见的分类法，具有较强的实际应用意义。,氧化硅质耐火材料 硅酸铝质耐火材料 半硅质耐火材料 粘土质耐火材料 高铝质耐火材料 刚玉质耐火材料 碱性耐火材料 镁质耐火材料 镁铝质耐火材料 镁钙质耐火材料,镁橄榄石耐火材料 尖晶石耐火材料 含锆耐火材料 含碳耐火材料 碳复合耐火材料 不

3、定形耐火材料 隔热耐火材料 特殊耐火材料,（1）酸性耐火材料 通常是指其中含有相当数量二氧化硅的耐火材料。,硅质耐火材料中游离二氧化硅含量很高(大于94%)，是酸性最强的耐火材料； 粘土质耐火材料中游离二氧化硅含量较少，是弱酸性的； 半硅质耐火材料居于期间。也有将锆英石质耐火材料和碳化硅质耐火材料归入酸性耐火材料的，因为此类材料中含有较高的SiO2或在高温状态下能形成SiO2。,（2）中性耐火材料 中性耐火材料按严格意义讲是指碳质耐火材料。但通常也将以三价氧化物为主体的高铝质、刚玉质、锆刚玉质、铬质耐火材料归入中性耐火材料（两性氧化物如Al2O3、Cr2O3等）。 此类耐火材料在高温状况下对酸

4、、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。,（3）碱性耐火材料 一般是指以MgO、CaO或以MgOCaO为主要成分的耐火材料（镁质、石灰质、镁铬质、镁硅质、白云石质耐火制品及其不定形材料）。 这类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。,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； 耐火器皿：,4、依据形状及尺寸的不

5、同,A:定型：砖制品：结合型（结合剂） 烧成砖、不烧砖； 熔铸型 熔融料浇注的制品 B:不定型：散状耐火材料 耐火泥、浇注料、可塑料等,5、从外观来分,6. 其他分类方法,按生产工艺，可分为烧成制品、熔铸制品和不烧制品； 按应用，可分冶金类 70% 建材类 20% 石化、电力、国防等10%,掌握定义和概念； 掌握不同耐火材料制品的组成、性能、制造工艺之间规律和相关检测方法； 掌握不同品种的耐火材料生产的工艺要点和流程； 了解相关的物理化学原理； 了解耐火材料损毁机理及提高耐火材料质量的途径；,六.学习这门课程要了解和掌握的一些内容：,本次课重点,耐火材料的定义和分类,化学矿物组成,化学组成,次

6、 晶 相,1.1 耐火材料的化学矿物组成,一、化学组成 通常将耐火材料的化学组成按各个成分含量的多少及作用分为以下几类：,主成分 是指在耐火材料中对材料的性质起决定作用并构成耐火基体（含量高）的成分。耐火材料按其主成分的化学性质可分为酸性耐火材料、中性耐火材料和碱性耐火材料。,杂质成分 含量少而对耐火材料的高温性质带来危害的成分。 即是那些能与主成分相互作用，使其耐火性能降低的氧化物或化合物，通常称为熔剂的杂质。 来源：天然原料中固有的（夹带而来） 加工、运输、制造过程带来的 杂质成分对主成分的熔剂作用（熔剂作用）：杂质成分与主成分相互作用，使体系开始出现液相的温度降低的作用称为杂质对主成分的

7、熔剂作用。 （简称熔剂作用） 怎样衡量杂质熔剂作用的强弱？,1.体系开始出现液相温度的高低； 2.单位杂质（熔剂）作用生成液相的多少； 3.随温度升高，液相量增长的速度快慢； 4.液相的性质（主要指粘度和润湿性）。 杂质的熔剂作用越强，对制品的耐火性能影响越大。,添加成分： 在生产过程中为了某种特定的需要而人为地加入的少量成分。 按照添加剂的目的和作用不同可分为: 矿化剂、稳定剂、促烧剂 结论： 1.最大限度发挥主成分的固有特性。 2.尽可能抑制杂质成分的恶劣影响。 3.充分利用添加成分有益机能。,矿化剂：促进材料某些物相形成和转化而加入的外加剂。 稳定剂：抑制某些相的生成而加入的外加剂。 烧

8、结剂：耐火材料在高温热处理时，为促进高温反应，降低烧结温度所使用的外加剂，称为烧结剂。 总之，添加成分是耐火材料中的重要组分，添加剂技术应用也越来越广泛，值得注意的是在充分有效地利用添加成分有益功能的同时，也要注意添加成分也有一定的熔剂作用。,化学分析和灼减（灼烧减量）：判断纯度、预计矿物 在对耐火材料化学成分分析时，往往会出现一些烧失量，称为灼烧减量或简称灼减，它主要来源于有机物中炭的烧失，铝硅酸盐，氢氧化物中结构水的排除和碳酸盐中CO2逸出等等，应对烧失的原因做出正确判断，注意他对工艺过程可能带来的影响。 化学分析=灼减+ 各氧化物含量 灼减=干燥材料排出气态产物（如CO2,H2O及有机物

9、）减少质量百分率。 （成型尺寸放大115*66*69 灼 114*65*68 ）,二、矿物组成 耐火材料一般说来是一个多相组成体，其矿物组成取决于耐火材料的化学组成和生产工艺条件， 化学成分在材料中存在的结合状态-矿物组成 矿物组成可分为两大类：结晶相与玻璃相 根据矿物相的性质、所占的比重和对材料性质的影响，将矿物组成分为主晶相、次晶相和基质。,主晶相是指构成耐火制品结构的主体而且熔点较高的结晶相。主晶相的性质、数量、结合状态直接决定着耐火制品的性质。,次晶相又称第二固相，是在高温下与主晶相共存的第二种熔点较高的晶相。 如镁铬砖中与主晶相 方镁石并存的铬尖晶石，镁铝砖中的镁铝尖晶石，镁钙砖中的

10、硅酸二钙，镁硅砖中的镁橄榄石等。次晶相也是熔点较高的晶体，它的存在可以提高耐火制品中固相间的直接结合，同时可以改善制品的某些特定的性能。如：高温结构强度以及抗熔渣渗透、侵蚀的能力。 很多材料以主、次晶相复合命名：刚玉、莫来石砖 莫来石、刚玉砖,基质:由夹杂成分、添加成分与主成份间，通过化学反应，共熔，熔解等作用，填充于主晶相（次晶相）之间的不同成分的细微结晶矿物和玻璃相统称为基质，也称为结合相。 基质的组成和形态对耐火制品的高温性质和抗侵蚀性能起着决定性的影响。 基质高温易形成液相，若液相温度低、粘度小、数量多，危害材料高温性质。 基质对于主晶相而言是制品的相对薄弱之处。 为了提高耐火制品的使

11、用寿命，在生产实践中，往往采取调整和改变制品的基质组成的工艺措施，来改善和提高耐火制品的性质。,三、耐火材料的显微结构 结晶相与玻璃相之间的相对数量及其分布和结合形态构成了耐火材料的显微结构。 而耐火制品的显微组织结构表征的是耐火材料中主晶相与基质间的结合形态。,图1-1 硅酸盐结合与直接结合显微结构示意图,耐火材料主晶相与基质的结合形态有两种：即陶瓷结合（胶结结合）与直接结合。,1. 陶瓷结合又称为硅酸盐结合(胶结结合)，其结构特征是耐火制品主晶相之间由低熔点的硅酸盐非晶质和晶质联结在一起而形成结合（图1-1a），如普通镁砖中硅酸盐基质与方镁石之间的结合。 此类耐火制品在高温使用时，低熔点的

12、硅酸盐首先在较低的温度下成为液相（或玻璃相软化），大大降低了耐火制品的高温性能。,2. 直接结合是指耐火制品中，高熔点的主晶相之间或主晶相与次晶相间直接接触形成结晶网络的一种结合。 直接结合耐火制品一般具有较高的高温力学性能，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，其抗渣蚀性能和体积稳定性也较高。,作业及思考题,1、什么是耐火材料？按照化学矿物组成如何分类？ 2、解释下列概念： 化学组成和矿物组成，主成分和杂质，主晶相和基质， 3、何谓熔剂作用？如何衡量杂质对主成分的熔剂作用？根据Al2O3SiO2二元系统相图判断Al2O3对SiO2和Al2O3对SiO2的熔剂作用哪个强？ 4

13、、按照添加剂的目的和作用不同可分为:（ ）（ ）（ ）。 5、根据矿物相的性质、所占的比重和对材料性质的影响，将矿物组成分为 、 和 。 6、耐火材料主晶相与基质的结合形态（显微结构）有两种： 即 结合（ 结合）与 结合。,耐火材料中的气孔可分为三类：开口气孔V1、贯通气孔V2、封闭气孔V3。若把开口气孔与贯通气孔合并为一类，则耐火材料的气孔可分为开口气孔和封闭气孔两类。,耐火材料是由固相（包括结晶相与玻璃相）和气孔两部分构成的非均质体宏观结构。 一、气孔率 、体积密度、真密度 1、气孔率:耐火材料中气孔体积与总体积之比称为气孔率。即是材料中含有气孔的多少。,1.2耐火材料的组织结构,气孔产生

14、的原因： 1）原料中的气孔； 2）生产过程带入：颗粒间（级配）的气孔；烧成过程留下的气孔。,由于显气孔率的测定较为容易，所以耐火材料气孔率的指标常以显气孔率来表示：设V0为制品的总体积，即试样外表面围成的体积，亦称表观体积。则：,耐火制品的显气孔率，波动范围较广，烧成制品在10-28%,多孔制品的最高可达75-80%，不烧制品3-7%，耐火浇注料一般在10-20%。,气孔率的意义： 1、反应材料的致密程度 2、帮助检验某些其他性质，如强度、耐磨性、导热性、抗渣性、热震稳定性等。 3、气孔在材料中的存在部位影响其性质 晶内气孔：对密度、力学性质和热学性质有影响；对抗渣性影响不大； 晶间气孔：对高

15、温蠕变和抗渣性有影响，对热震稳定性有利； 基质内的气孔：对抗渣性危害甚大。 4、气孔的大小和分布对材料性质有影响： 5、不同的材料有不同的气孔率。,2、体积密度 (简称 体密） 定义：单位表观体积占有的质量称为体积密度，以g/cm3表示。 式中：d体为体积密度（g/cm3） G为试样质量 g V0为试样表观体积cm3 意义： 1、是致密程度的指标，但同时又是化学矿物组成的反映。 2、是重要的质量指标、 3、是计算砌筑体荷重的重要数据。 通过高压成型、高温烧成、合理级配获得高密度。,3、真密度 定义：单位实体（即不包括气孔体积）的质量。即耐火材料的质量与其真体积之比，称为真密度，通常也用g/cm

16、3来表示。 式中：d真为真密度（g/cm3） G为试样质量 g V0-V3为试样体积 cm3 意义：是化学矿物组成的反映。 如：方镁石d真=3.58 方石英d真=2.65 。 有时也用真比重,4、吸水率 定义： 耐火材料全部开口气孔吸满水时，水的质量与干燥质量之比，以百分率表示。,测定意义：反映了材料中显气孔的多少；生产中多用于鉴定原料煅烧的质量；同时可以预测耐火材料的抗渣性、透气性能和热震稳定性等。 体积密度、气孔率、吸水率、真密度的测量方法：,W-吸水率%， G1-材料吸满水时的质量g， G1-材料的干燥质量g。,二、透气度 定义：是表征材料透气性能的指标。其物理意义是指单位时间内和单位压差下，透过单位面积和一定厚度的材料的气体的量。,式中：Q为气体透过的数量（升）；d为试样的厚度（米）； A为试样的横截面积（平方米）；t为气体透过时间（小时）； P1-P2为试样两端气体