耐火材料结构与性能基础

耐火材料结构与性能讲义
测量显气孔率方法：干重W1；饱和重W2；悬浮重 W3；悬浮金属丝重量 WW ；Po显气孔率
O
[W
(W2 W1) 2(W3 WW
)] 100%
注意：体积密度和显气孔率通常一起测定
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（3）真密度与真比重
耐火材料的质量与其真体积（即不包括气孔体积） 之比，称为真密度，通常也用g/cm3来表示。
气孔的形成
• （1）挤压等产生过程中产生 • 气孔 • 裂缝 • （2）热处理产生 • 收缩 • 干燥水蒸气排出产生 • 气孔合并 • （3）毛细孔 • （4）原料本身的气孔
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气孔的重要性
• 气孔是耐火材料不可分割的一部分，是耐火材料 的有机组成部分。对耐火材料性能既有有利影响， 也有不利影响。
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（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。
特点：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。
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（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、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。
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3、从外观来分 砖制品：烧成砖、不烧砖； 散状耐火材料； 4. 按化学属性分类
大致可分为酸性耐火材料、中性耐火材料、碱性耐 火材料。
化学属性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。
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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抵抗侵蚀介质侵蚀能力，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。
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需要了解和掌握的一些内容：
定义和概念； 不同耐火材料制品的组成、性能； 耐火材料力学性能和结构的关系 耐火材料热震稳定性和结构的关系 耐火材料抗侵蚀性能和结构的关系 耐火材料的耐碱性； 其它
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高铝砖
刚玉砖
镁砖
镁铬砖
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相关基础知识
一、耐火材料的定义 传统的定义：耐火度不小于1580℃的无机非金属材料； ISO的定义：耐火度不小于1500℃的非金属材料及制品； 二、耐火材料的分类
主要有使用温度、化学属性、组成、生产工艺、 材料形态等多种分类方法。
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1、根据耐火度的高低 普通耐火材料：1580℃～1770℃ 高级耐火材料：1770℃～2000℃ 特级耐火材料：>2000℃
成型 压力
兆帕
50 50 150 150
烧结 温度
℃
1400 1750 1400 1750
气孔率 %
总气孔 显气
率
孔率
24.92 15.0 21.7 11.4
24.2 14.0 20.9 9.9
毛细 孔
21.2 8.8 19.0 6.1
贯通
贯通 气孔
气孔 率
率
4.9 19.8 8.6 61.3 2.7 12.9 5.4 54.5
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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；
耐火材料的性质
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耐火材料的性质主要包括力学性质、热学性质及 高温使用性质等。
研究这些性质的目的
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。 反过来可以选择热工设备所需要的耐火材料。
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I：耐火材料的重要物理性质
（1）气孔和气孔率 （Porosity）
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三、耐火材料的发展历史 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，石墨粘土坩埚投入使用。 我国，解放前仅有少量的耐火材料工厂，生产能力 和产品质量较低，严重依赖进口； 近代中国最早在河北唐山生产耐火材料。目前仍然 在生产的厂家已经有100年的历史:山东一耐。
（6）特种耐火材料 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；
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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；
镁铝质制品：含MgO >75%，Al2O3含量一般为7-8%， 主要矿物成分为方镁石和镁铝尖晶石（MgAl2O4）；
镁铬质制品：含MgO>60% ，Cr2O3含量一般在20% 以下，主要矿物成分为方镁石和铬尖晶石;
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镁橄榄石质及镁硅质制品：主成分：MgO，第二 化 学 成 分 为 SiO2 。 镁 橄 榄 石 砖 比 镁 硅 砖 含 有 更 多 的 SiO2，前者的主要矿物成分为镁橄榄石，其次为方镁 石；后者的主要矿物为方镁石，其次镁橄榄石；
示，也可以用线膨胀百分率或体积膨胀百分率表示。 膨胀系数：耐火材料由室温加热至试验温度的区间内，
温度每升高1℃，试样体积或长度的相对变化率。 意义：窑炉设计的重要参数、预留膨胀缝的依据，可
间接判断耐材热震稳定性能。
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膨胀百分率则是指耐火材料由室温加热至试验温度 时，试样体积或长度的变化百分率。
• 气孔率和气孔尺寸大小及分布 • 热震稳定性； • 影响抗侵蚀性能； • 透气度； • 强度； • 等等；
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气孔的检测
• 气孔率：传统的排水法 • 气孔尺寸分布：压汞法 • 透气度： • 基于伯努利方程。透气性和气体的黏度和温度具
有依赖关系。 • 高温下所有耐火材料的透气性都会下降。800℃大
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，其SiO2含量一般不低于93%，主要矿物组成 为鳞石英和方石英。
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（2）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。 镁质制品： MgO含量≥87%，主要矿物为方镁石；
耐火制品在使用过程中，侵蚀介质浸入、渗透的程 度与耐火制品气孔的大小、形状等密切相关，一般而言， 耐火制品的透气度越高，其抵抗熔渣渗透、侵蚀的能力 越差。
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II：耐火材料的热学性质和导电性质
（1）热膨胀 定义：耐火材料的体积或长度随着温度的升高而增大
的物理性质。 耐火材料的热膨胀可以用线膨胀系数或体膨胀系数表
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（3）碱性耐火材料 一般是指以MgO、CaO或以MgO·CaO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。
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5. 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。 （1）硅质耐火材料
透气率
0.06 0.90 0.038 0.325
贯通气 孔尺寸
10.8 31.2 8.6 24.2
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（2）体积密度
定义：耐火制品单位表观体积的质量，通常用kg/m3 或g/cm3表示。体积密度大则显气孔率就低。
Db
Байду номын сангаас
G Vb
式中：Db为体积密度（g/cm3） G为试样质量 g Vb为试样表观体积cm3
约是20℃的一半。
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• 耐火材料的寿命和气孔率关系密切,还和气孔尺寸 和透气率关系密切。
上述指标和气孔率、尺寸及分布之间的定量关系尚 未建立。
烧结过程和使用过程中气孔仍然可能发生变化。比 如气孔可能发生长大合并或迁移。
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镁质制品气孔率变化和工艺参数的关系
工艺参数
线膨胀百分率
L
(Lt
L0 ) 100 % L0
体积膨胀百分率
V
(Vt
V0 ) 100 % V0
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意义：既是耐火材料重要的使用性能，也是工业窑炉 等高温热工设备进行结构设计的重要参数。
（4）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。
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（5）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。
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气孔占耐火材料总体积的0-90%。 耐火材料中气孔体积与总体积之比称为气孔率。耐火材 料中的气孔可分为三类：开口气孔（显气孔）、贯通气 孔、封闭气孔。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。
开口气孔 闭口气孔
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耐火材料中气孔的类型
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Dt
G Vt
式中：Dt为真密度（g/cm3） G为试样质量 g
Vt为试样真体积 cm3
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真比重的概念：单位体积耐火材料的重量与4℃ 单位体积水的重量之比值。
从数值上来说，真密度和真比重是相等的。
真气孔率＝显气孔率＋闭口气孔率
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（4）透气度
其物理意义是在一定时间内和一定压差下气体透过一定
断面和厚度的试样的量：
Q
K
(P1
P2 ) d
A
t
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为试样两端气体压力差（牛顿/平方米）； K为透气度系数，也称透气率（升·米/牛顿·小时）
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气孔率和体积密度等技术指标只是表征耐火制品中气 孔体积的多少和制品的致密程度，并不能够反映气孔的 大小、分布和形状。
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测量方法：干重W1；饱和重W2；悬浮重 W3；悬 浮金属丝重量 WW ；D体积密度
W ：浸渍液体的比重
D
W2
W1W
(W3 WW
)
显气孔率：
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Pa
V1 V0
100%
式中：Pa为显气孔率
V1为制品中开口气孔的体积
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。
镁钙质制品：此种镁质材料中含有一定量的 CaO, 主要矿物成分除方镁石外还含有一定量的硅酸二钙 （2 CaO•SiO2）。
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（3）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%。其主要 矿物成分为方镁石和方钙石（氧化钙）。
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耐火材料结构与性能 讲义
耐火材料结构与性能讲义
重点介绍常用耐火材料的结构、基本性能等知识。
耐火材料可用作高温窑炉等热工设备的结构材料以及 工业用的高温容器和部件，能承受在其中进行的各种物理化 学变化及机械作用。是冶金、玻璃、水泥、陶瓷、机械热加 工、石油化工、动力和国防工业等高温工业所必须的重要基 础材料。
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耐火材料的使用领域：
（1）钢铁冶金、有色冶金
钢铁工业占 70%以上
（2）建材，如水泥、玻璃、陶瓷
（3）化工、电力
（4）其它行业，如环保方面，比如垃圾等废弃物处理。
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；2007年在4.9亿吨左右。2012年在7亿吨左右。