第1章、耐火材料的组成、结构与性能

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1.2 耐火材料的化学-矿物组成
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杂质成分 耐火材料中由原料及加工过程中带入的非主 要成分的化学物质（氧化物、化合物等）称为杂质，也 称之为熔剂。
添加成分 耐火材料的化学组成中除主要成分和杂质成 分外有时为了制作工艺的需要或改善某些性能往往人为 地加入少量的添加成分，引入添加成分的物质称为添加 剂。按照添加剂的目的和作用不同可分为矿化剂、稳定 剂、促烧剂等。
某些耐火材料具有导电性，如含碳耐火制品具有导 电性，而二氧化锆制品在高温下也具有较好的导电性， 可以作为高温下的发热体。
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1.6 耐火材料的力学性质
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力学性质是表征耐火材料抵抗不同温度下外力造 成的形变和应力而不破坏的能力。
耐火材料的力学性质通常包括耐压强度、抗折强 度、扭转强度、耐磨性、弹性模量及高温蠕变等。
键强高的材料具有低的热膨胀系数(SiC)；
组成相同的材料，晶体结构不同，其热膨胀系数也不同 (石英和石英玻璃）；
加热过程中，存在多晶转变的材料，其热膨胀系数也要 发生相应的变化（鳞石英、方石英）。
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1.5 耐火材料的热学性质和导电性质
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（2）热导率
耐火材料的热导率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，用λ表示：
率的指标常以显气孔率来表示：
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。
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1.4 耐火材料的常温物理性质
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（2）吸水率
吸水率是指耐火制品中全部开口气孔吸满水时，制 品所吸收水的重量与制品重量之比。吸水率实质上是 反映制品中开口气孔量的一个指标。
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第1章 耐火材料 的组成、结构与性质
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本章主要内容
• 1.1 前言 • 1.2 耐火材料的化学-矿物组成 • 1.3 耐火材料的显微结构 • 1.4 耐火材料的常温物理性质 • 1.5 耐火材料的热学性质和导电性质 • 1.6 耐火材料的力学性质
1.7 耐火材料的高温使用性质
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1.4 耐火材料的常温物理性质
（5）透气度
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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 ) A t d
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）；
工程上所用的平均热容是指从温度T1到T2所吸收的 热量的平均值。平均热容是比较粗略的，温度范围越 大，精度越差，应用时要特别注意使用的温度范围。
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1.5 耐火材料的热学性质和导电性质
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（4）导电性
耐火材料通常在室温下是电的不良导体，随温度升 高，电阻减小，导电性增强。若将材料加热至熔融状 态，则会呈现较强的导电能力。
Db

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
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1.4 耐火材料的常温物理性质
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（4）真密度
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。
G
Dt
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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耐火材料中气孔的类型
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气孔产生的原因： 耐火材料中存在的气孔
1）原料中的气孔（原料没有烧好）；
2）制品成型时，颗粒间的材气料孔科； 学与工程学院
1.4 耐火材料的常温物理性质
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由于显气孔率的测定较为容易，所以耐火材料气孔
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1.3 耐火材料的显微结构
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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。
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1.2 耐火材料的化学-矿物组成
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次晶相又称第二固相，是在高温下与主晶相共存的 第二晶相。
镁铬砖中与方镁石并存的铬尖晶石；
镁铝砖中的镁铝尖晶石；
镁钙砖中的硅酸二钙。
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。
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1.6 耐火材料的力学性质
（1）耐压强度
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耐火材料的耐压强度包括常温耐压强度和高温耐压强度。
常温耐压强度指标通常可以反映生产中工艺制度的变 动，是检验现行工艺状况和制品均一性的可靠指标。
高温耐压强度则反映了耐火材料在高温下结合状态的 变化。特别是加入一定数量结合剂的耐火可塑料和浇注料， 由于温度升高，结合状态发生变化时，高温耐压强度的测 定更为有用。
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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1.5 耐火材料的热学性质和导电性质
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（1）热膨胀
耐火材料的体积或长度随着温度的升高而增大的物理 性质称为热膨胀。
耐火材料的热膨胀可以用线膨胀系数或体膨胀系数表 示，也可以用线膨胀百分率或体积膨胀百分率表示。
测定意义：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。
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1.4 耐火材料的常温物理性质
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（3）体积密度
耐火制品单位表观体积的质量称为体积密度，通 常用kg/m3或g/cm3表示。对于同一种耐火制品而言， 其体积密度与显气孔率呈负相关关系，即制品的体积 密度大则显气孔率就低。
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1.2 耐火材料的化学-矿物组成
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（2）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，矿物 组成可分为两大类：结晶相与玻璃相，其中结晶相又 分为主晶相和次晶相。
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。
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。
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1. 2 耐火材料的化学-矿物组成
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（1）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：主成分、杂质成分、添加成分。
主成分 是指在耐火材料中对材料的性质起决定作用并构 成耐火基体的成分。
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。
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1.3 耐火材料的显微结构
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耐火材料主晶相与基质的结合形态有两种：即陶瓷 结合(或硅酸盐结合)与直接结合。
1-1a 陶瓷结合
1-1b 直接结合
图1-1 陶瓷结合与直接结合显微结构示意图
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1.3 耐火材料的显微结构
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一种致密氧化铝材料图示 材料科学与工程学院
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1.4 耐火材料的常温物理性质
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（1）气孔率
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。
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1.2 耐火材料的化学-矿物组成
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填充于主晶相之间的不同成分的结晶矿物（次晶相） 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。
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1.2 耐火材料的化学-矿物组成
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（2）矿物组成
耐矿 火物 材组 料成
结晶相 玻璃相
主晶相 次晶相
基质或结合相
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1.3 耐火材料的显微结构
厚德 博学 笃行 创新来自耐火材料是由固相（包括结晶相与玻璃相）和气孔 两部分构成的非均质体。它们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。
(b)耐火材料的化学矿物组成也对材料的导热率也有明显影 响。p12
(c)晶体中的各种缺陷、杂质以及晶粒界面都会引起格波的 散射，也等效于声子平均自由程的减小，从而降低热导率。
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1.5 耐火材料的热学性质和导电性质
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（3）热容
热容是耐火材料的另一重要的热学性质，它是表征材 料受热后温度升高情况的参数。任何物质受热后温度都 要升高，但不同的物质温度升高1℃所需要的热量不同， 工程上用在常压下加热1公斤物质升高1℃所需要的热量 （以KJ计）来表示和衡量这一性质，称为热容。
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1.6 耐火材料的力学性质
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（2）抗折强度
耐火材料的抗折强度包括常温抗折强度和高温抗折强度， 分别是指常温和高温条件下，耐火材料单位截面积上所能承 受的极限弯曲应力，以牛顿/毫米2（或MPa）表示。它表征 的是材料在常温或高温条件下抵抗弯矩的能力，采用三点弯 曲法测量。
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1.5 耐火材料的热学性质和导电性质
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线膨胀系数：


1 l
(
l t
)
p
℃-1
体积膨胀系数：


1 v
(v ) t
p
℃-1
wuli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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1.5 耐火材料的热学性质和导电性质
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1.6 耐火材料的力学性质
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R

3 2
Fl bd 2
式中： R — 抗折强度，N/mm2（MPa）； F —试样断裂时所施加的最大载荷，N； l —试样底面两支撑点之间的距离，mm； b —上刀口部位试样的宽度，mm； d —上刀口部位试样的厚度（高度）mm。
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1.1 前言
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耐火材料的化学成 分、矿物组成及微 观结构决定了耐火 材料的性质。
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1.1 前言
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耐火材料是构筑热工设备的高温结构材料，面临： 承受高温作用；机械应力；热应力；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。
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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。
L (Lt L0 ) 100 % L0
V (Vt V0 ) 100 % V0
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1.5 耐火材料的热学性质和导电性质
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耐火材料的热膨胀性能取决于它的化学矿物组成，且与 耐火材料中结晶相的晶体结构及键强密切相关。通常：
Q
(T )Ft x
其中：λ — 导热率（W/m·K）；
ΔQ — Δt时间沿x轴方向穿过ΔF截面上的热量（ W/m2 ）；
— 沿x轴方向的温度梯度（K/m）。
T
x
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1.5 耐火材料的热学性质和导电性质
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热导率的影响因素：
(a)耐火材料中所含的气孔对其热导率的影响最大。一般说 来，在一定的温度范围内，气孔率越大，热导率越低。
1.3 耐火材料的显微结构
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陶瓷结合又称为硅酸盐结合，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。