耐火材料

• 热膨胀的测定一般有两种方法。
• 一种是望远镜直读法，即用望远镜测微仪 直接观察测量试样受热长度变化值；
• 另一种是顶杆式间接法，即用于分表顶住 试样一端，由千分表直接读出加热试样长 度变化值。
2、热导率——单位时间内，单位温度梯度时，
单位面积试样所通过的热量叫热导率，亦称导热 率或导热系数，单位为W/(m· K)。 用平板法测定的热导率
Ae
B /T
• 式中ρ——电导率；T——绝对温度； A、B ——与材料特性有关的常数。 • 耐火材料中的杂质对其高温下的电阻率有显 著的影响；电阻率随其气孔率的增高而增大。
12.4.2 耐火材料的力学性质
1、制品的耐压强度 ——单位面积试样所能承受
的极限载荷 。
F S ab
式中S——耐压强度，MPa；F——最大载荷，N； a，b——试样的长度和宽度，mm。 耐火材料高温耐压强度决定了制品的使用范围， 是耐火材料应用选择的重要依据。 2、制品的高温抗折强度——单位截面面积试样 承受弯矩作用直至断裂的应力。高温抗折强度可 以反映出高温条件下，制品对物料撞击、磨损、 液态渣冲刷的抵抗能力。
• 透气度——表示气体通过耐火制品难易程度的 特性值。
2 p1 h Q K 2.16 10 2 d p p1 p2
9
• K-试样的透气度，mm2；η-试验温度下气体动力粘度， Pa· S；h-试样高度，mm；d-试样直径，mm； Q-气体的体积流量，l/min；△p-试样两端气体的压差， mmH2O, △p= p1-p2 ；p1-气体进入试样端的绝对压力， mmH2O；p2-气体逸出试样端的绝对压力，mmH2O。
砖制品：烧成砖、不烧砖；
散状耐火材料；
4、按化学矿物组成分类
硅质制品 白云石质制品 硅酸铝质制品 铬质制品 镁质制品 锆质制品 等等
耐 火 材 料 的 化 学 矿 物 组 成 分 类
耐火材料的化学分类
耐火材料的发展
1、历史悠久
5000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；
1、热膨胀性 ——指制品在加热过程中的长度
或体积变化，通常用线膨胀率和线膨胀系数 来描述。 线膨胀率 ( Lt Lo ) A P 100% Lo
式中P——试样的线膨胀率，%； Lo ——室温下试样的长度，mm；A ——校正值； Lt ——试验温度下试样的长度，mm。
线膨胀系数
4．高温下耐火材料结构的变化
(2)气孔的合并及迁移 • 对于大多数耐火材料而言，在使用过程中， 一般气孔尺寸会增大，原因之一是气孔合并； 另外，由于表面扩散和蒸发-冷凝机理，气 孔的内表面原子在温度梯度下从高温区向低 温区移动。
12.4 耐火材料的物理性能
12.4.1 耐火材料的热物理性能和导电性
2、依据形状及尺寸的不同
标普型：230mm×113mm×65mm；
不多于4个量尺，（尺寸比）Max:Min<4:1；
异 型：不多于2个凹角，（尺寸比）Max:Min<6:1；
或有一个50～70°的锐角；
特异型：（尺寸比） Max:Min<8:1；
或不多于4个凹角；
或有一个30～50°的锐角；
3、从外观来分
12.3 耐火材料的结构
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； 苏联：TOCT
日本：JIS（Japanese Industrial Standards） 英国：BSI（British Standards Institution） 美国：ASTM（American Society of Testing Materials）
经常测定的蠕变性是压蠕变。其计算公式为
使用条件下的强度指标。不定形耐火材料由于没 有外力作用下的强制成型排气过程，它所具有的 抗压、抗折、抗剪切等能力，均来自其本身所具 有的结合性能。
4、高温蠕变性——当材料在高温下承受小于其
极限强度的某一恒定荷重时，产生塑性变形，变 形量会随时间的增长而逐渐增加，甚至会使材料 破坏，这种现象叫蠕变。因此对处于高温下的材 料，应将不同，可分为高温压蠕变、拉 伸蠕变、弯曲蠕变和扭转蠕变等。
2、结构的各向异性
• 耐火制品结构的各向异性，主要在挤压成型时产生，同 时还取决于配料颗粒的不等量性。在自由装料时，粉料 颗粒定向地分布在垂直于重力方向宽而平坦的平面上， 成型压力又增加了这种定向性。因此，垂直于成型压力 方向上气孔的延伸性不断增长。在成型压力条件下，还 产生接触强度的各向异性。由气孔所导致的结构强度和 接触强度的各向异性，造成了耐火制品其它一些性能如 透气性、导热性、热膨胀性等的各向异性。当制品在长 期使用的条件下，气孔会逐渐球化，这时其各向异性的 显著性可以被减弱。
第十二章 耐火材料
12.1 耐火材料的定义及组成 12.2 耐火材料的分类 12.3 耐火材料的结构 12.4 耐火材料的物理性能 12.5 耐火材料的生产工艺 12.6 新型耐火材料
12.1.1 耐火材料的定义
耐火材料一般是指耐火度在1580℃以上的无机 非金属材料。它包括天然矿石及按照一定的目 的要求经过一定的工艺制成的各种产品。具有 一定的高温力学性能、良好的体积稳定性，是 各种高温设备必需的材料。 耐火材料在无荷重时抵抗高温作用的稳定性， 即在高温无荷重条件下不熔融软化的性能称为 耐火度，它表示耐火材料的基本性能。
3）存在的问题和今后的发展
钢铁工业的竞争日趋激烈，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； 中国耐火材料企业的研发力量有待加强。不能仅仅 作为一个加工基地； 应注意可持续发展战略。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。
(3)电子显微镜法。
(4)差热分析和脱水曲线。
12.3.2 耐火材料的宏观结构
1、气孔率和透气度
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
耐火材料中存在的气孔
显气孔率Pa（开口气孔率）
m3 m1 Pa 100 m3 m2
• m1、m2、m3分别为干燥试样的质量、水饱 和试样的表观质量、水饱和试样在空气中的 质量。
4、温度传导性——说明温度分布的速度。
A(t ) t /( v Ct )
• 式中A(t)——温度传导性，(W· m2)/J；λt——热 导率，(W/m· K)； ρv——体积密度，kg/m2； Ct——比热，J(kg· K)。
5、导电性——耐火材料导电性强弱，通常
用电阻率来表示。电阻率和绝对温度T之间 有如下关系。
2、矿物组成
• 耐火材料矿物相可分为结晶相和玻璃相两 类，又可分为主晶相和基质。 • 主晶相是构成耐火材料的主体，一般来说， 主晶相是熔点较高的晶体，其性质、数量 及结合状态决定制品性质。基质又称结合 相，是填充在主晶相之间的结晶矿物和玻 璃相。
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2、矿物组成
• 常见的耐火材料，多按主晶相和基质的矿物 成分分为两类，一类是晶相和玻璃相共存的 多成分材料制品，其基质可以是玻璃相，也 可以是晶体和玻璃体二相的混合物；另一类 为仅含晶相的多成分制品，其基质为细微的 结晶体，制品靠这种微小结晶体来实现主晶 相之间的粘接。

Q
F t


式中λ——热导率，W/(m· K)；Q——传热量，J； τ——传热时间，s； δ——试样厚度，m；F— —传热面积，m2；——冷热面温度差，℃。
3、比热容——常压下加热1kg样品使之升温1℃
所需热量称为比热容。
Q C G ( t1 t o )
式中C——耐火材料比热容，kJ/(kg· ℃)；Q—— 加热试样耗热，kJ；G——试样质量，kg；to— —试样加热前的温度，℃；t1——试样加热后的 温度，℃。
耐火材料由于长期使用于各种不同加热条件的高 温设备，因此，必须具有以下主要性能： 1、高的耐火度。
2、良好的荷重软化温度。
3、具有高温下的体积稳定性。 4、好的热震稳定性。 5、良好的抗蚀性。 此外，要求耐火材料具有一定的耐磨性，在某些 特殊条件下有一定的透气性、导热性、导电性和 硬度等，同时要求外形和尺寸准确。
P a ( t to ) 100
式中a ——试样的平均线膨胀系数，l/℃； t ——试验温度，℃；to——室温，℃。
• 耐火材料的热膨胀系数取决于它的化学矿 物组成。通常碱性耐火制品的热膨胀系数 比酸性耐火制品的大。而高锅质耐火制品 介于两者之间。当制品中含有多晶转变的 晶体时，因多晶转变有体积的不均匀变化， 而导致热膨胀系数的不均匀变化，在相交 点会发生突变(例如硅质制品)。
3、耐火制品的结构类型
• 杜利涅夫将耐火制品的结构类型描述成以 下三种类型： (1)带有封闭夹杂物的结构。 (2)具有相互渗透组分的结构。 (3)分散(不粘在一起)的颗粒状材料的结构。
4．高温下耐火材料结构的变化
(1)带层状结构
• 单侧加热时，由于发生烧结、热毛细现象和 扩散现象，与腐蚀体之间的反应，以及某些 情况下发生多晶型现象，就会形成带层结构。 带层状结构由工作层、过渡层和微变层组成， 工作层中的化学成分及矿物组成均发生变化， 过渡层只是结构发生变化，而微变层中一般 保持原有成分和结构。
中国耐火材料产量如下表所示
年份 产量， 百万吨 1980 3.82 1985 5.46 1990 6.75 1995 17.55 2000 2002 2004 2006 9.8 11.0 18.7 32.4
连铸比的提高和冶炼技术的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2002 年以后中国耐火材料产量呈上升趋势。 2002年、2004年和2006年，中国粗钢产量分别为： 1.8、2.8和4.1亿吨；