耐火材料基础知识

气孔率% 38 14.4 5.4 2.0 0.8
气孔率下 降% － 23.6 9.0 3.4 1.2
颗粒
采用单一的颗粒不能达到紧密堆积；采用多组分可达紧密堆 积，而且组分颗粒尺寸相差越大越好，一般相差4～5倍以上 效果方显著； 较细颗粒的数量，应足够填充于紧密排列的颗粒构成的间隙 之中。实际当有两种组分时，粗细颗粒的数量比为7：3（65： 35），当有三种组分时7：1：2； 增加组分的数目可提高堆积密度，使它接近于最紧密堆积， 但当组分大于3时，实际意义不大。
耐火材料的组成和性质
耐火材料的使用性质
• 耐火度、高温耐压强度、热稳定性、高温体积稳 定性、抗渣性等。 耐火材料的物理性质 • 气孔率、真比重、体积密度、线膨胀率等。 耐火材料的机械性质 • 耐压强度、弹性变形、塑性变形等。
耐火材料的高温使用性质
耐火度
耐火材料在无荷重时抵抗高温 作用而不熔化的性质称为耐火度。 (与熔点不同）
高温体积稳定性
重烧体积变化的测定方法：将试样在高于使用温 度以上(根据制品的要求和使用条件来定)，保温2 ～3小时，然后测其体积变化，以百分率表示。各 种耐火制品允许的重烧体积变化取决于制品的使 用条件和要求，一般不超过0．5～1．0％。
多数耐火材料在重烧时产生收缩，少数制品产生 膨胀。
热震稳定性
抗渣性
耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀作用而不破坏的能 力称为抗渣性。 熔渣：冶金炉渣、燃料灰分、飞尘、各种材料（包 括固态、液态材料，如烧结水泥块、煅烧石灰、铁 屑、熔融金属、玻璃液等）和气态物质（煤气、一 氧化碳、氟、硫、锌、碱蒸气）等。
抗渣性
上述熔渣物质在高温下多形成液态物质直接与耐 火材料接触，有些固体物质甚至气体，在高温下 与耐火材料接触之后，最终也会形成液相。 熔液侵蚀过程主要是耐火材料在熔渣中的溶解过 程和熔渣向耐火材料内部的侵入(渗透)过程。
机械粉碎不仅是一个机械力学过程，而是一个 对固体施以机械能之后，物料产生物理、化学变 化的过程称机械化学 •晶体结构的变化 晶粒大小、晶格畸变、晶格缺 陷、结晶结构等变化。 •表面活性的变化 表面能增加，比表面增大。
•固体表面形成氧化层、非晶层 例如Si02 细磨后， 生成可溶性表面层，促发矽肺病。
抗渣性
从生产工艺角度出发，有效地提高耐火材料的抗渣 性，应从下列两个主要途径着手：
• 保证和提高原料的纯度，改善制品的化学矿物组成
• 选择适宜的生产方法，获得具有致密而均匀的组织 结构的制品。 耐火材料抗渣性的测定方法常用坩埚法、回转 渣蚀法等。
耐真空性
通常在常温下耐火材料的蒸气压都很低，可以认 为是极稳定而不易挥发的。但在高温减压下工作 （如真空熔炼炉或钢水脱气处理等）时，会因其 挥发减量而造成损耗，加速其损坏。
抗渣性
耐火材料向熔渣中溶解的过程可分为：
• 单纯溶解 耐火材料与熔渣不发生化学反应的物理溶解作 用。 • 反应溶解 耐火材料与熔渣在其界面处发生化学反应，使 耐火材料的工作面部分转变为低熔物(反应产物)而溶于渣 中，同时改变了熔渣和制品的化学组成。 • 侵入变质溶解 高温溶液或熔渣通过气孔侵入耐火材料内 部深处，或通过耐火材料的液相扩散和向耐火材料的固 相中扩散，使制品的组织结构发生质变而溶解。
坯料的制备
颗粒的几何学性质 • 粉体颗粒的构造 一次颗粒 ；二次颗粒或团聚体； 废旧制品重新利用 • 颗粒粒度 通常指粒径和粒度分布。工程实际上没 有任何耐火粉料是由同一粒度颗粒组成，而是由 不同粒度组成的多分散颗粒系统。 • 颗粒形状 颗粒形状直接影响粉体的性质，如物料 的流动性，充填性，制品的体积密度，不定形耐 火材料(如耐火泥浆、浇注料等)的施工性能。
1660 －
1800 1580
200 30
高温体积稳定性
耐火材料在高温下长期使用时，其外形体积保持 稳定不发生变化(收缩或膨胀)的性能称为高温体 积稳定性。 重烧时的体积变化可用体积 百分率或线变化百分率表示：
高温体积稳定性
原因： • 烧成制品，烧成过程中，物理化学变化未达到该 温度下的平衡状态，烧成不充分，使用中受高温， 继续反应； • 不烧制品，烧烤温度低，时间短，在使用中持续 反应。
配料
配料的组成 包括按规定比例配合的各种原料和 同一原料的各不同颗粒组成的粉料。 • 配料的化学组成必须能满足制品的要求，并且应 比制品指标要求高些。 • 在配料中应含有结合成分，使坯料具有足够的结 合性。 • 原料中含有水分和灼减成分时，原料、配料和制 品的化学组成之间应进行换算。 注意：目前多采用重量配料法。
高温荷重变形温度
耐火材料高温荷重变形温度的测定方法是固定试样 承受的压力(0.2MPa)，不断升高温度，测定试样在 发生一定变形量和坍塌时的温度，称为高温荷重变 形温度 耐火材料在高温和荷重同时作用时的抵抗能力，也 表示耐火材料呈现明显塑性变形的软化范围。在一 定程度上表明制品在与其使用情况相仿条件下的结 构强度。
粉料流动与液体流动不同
传统的描述粉料的指标休止角：未加负荷的粉料 堆积在水平面上，假设落在料堆顶上的料流速度 是可忽略不计的，则料堆与水平面的交角称为休 止角。（用于确定料堆的形状） 注：贮料仓中的拱结构
坯料的颗粒组成
理想的堆积：粗颗粒构成框架，中间颗粒填充于 大颗粒构成的空隙间，与大颗粒相切，细粉填充于 中间颗粒构成的空隙中。
耐火材料的挥发速度如下式：
挥发速度与耐火材料的蒸气压成正比，气相的分 子量越大挥发量也愈大。
耐火材料形状的正确性和尺寸的准确性
形状的正确性和尺寸的准确性对于窑炉砌筑体的严 密性具有直接的影响，而砌筑体的严密性在很大程 度上决定着砌筑体的使用寿命。 砖缝在砌筑体中是最薄弱的和最易损坏的部分，同 砖相比较，砖缝的密度和强度要小得多，因此它更 容易溶解于渣中，从而削弱整个内衬的抗渣性和热 震稳定性。
在耐火材料生产中，通常采取粗颗粒、中颗粒和 细颗粒配合。
单一颗粒的堆积方式与气孔率
序号 1 2
堆积方式 立方 六方型
配位数 6 8
气孔率% 47.64 39.55
3
4 5
复六方型
角锥型 四面体型
10
12 12
30.20
25.75 25.95
多组分球体堆积特征
球体组分 1 2 3 4 5
球体体积% 62 85.6 94.6 98 99.2
助磨剂
助磨剂在粉磨过程中，吸附在物料颗粒表面，使 物料表面自由能和晶格畸变程度减小，促使颗粒软 化，另外，助磨剂的吸附可平衡颗粒表面上因粉碎 而产生的不饱和价键，防止颗粒重新聚结。 水是一种最简单的助磨剂，适量水可助磨又可防 尘。
坯料的制备
耐火材料制品几乎都是由粉料颗粒经加工制备而 成，所涉及的颗粒，通常是指毫米至微米级的颗粒。
耐火材料抵抗温度的急剧变化而不破坏的性能称 为热震稳定性。也称为抗热震性或温度急变抵抗 性。 材料的热震破坏可分为两大类： • 瞬时断裂，称为热冲击断裂； • 在热冲击循环作用下，先出现开裂、剥落，然后 碎裂和变质，终至整体损坏，称为热震损伤
热震稳定性
热应力产生原因： • 机械约束； • 均质材料中出现温度梯度； • 非均质固体中各相之间的热膨胀系数的差别； • 单相多晶体中热膨胀系数各向异性。
扩散混合，颗粒分散到新出现的粉料面上；
剪切混合，在物料团块内部颗粒之间相对的缓慢移 动，在物料中形成若干滑移面。
耐火材料基础知识培训
营口青花集团 大连办事处
耐火材料的定义
用作高温窑、炉等热工设备，以及高温容器和 部件


无机非金属材料
耐火度不低于1580℃

在高温下能承受相应的物理化学变化及机械作 用
耐火材料的分类
根据化学成分可分为：
• 碱性耐火材料一般是指以氧化镁或氧化镁和氧化 钙为主要成分的耐火材料。这类耐火材料的耐火 度都较高，抵抗碱性渣的能力强。
粉料流动与液体流动不同
粉料在静态条件下能传递剪切应力，静态摩擦角大 于零。所以粉料可堆放，液体则不能；
在一般粉料上施加压力后具有粘结强度，并在负载 下保持一定形状。 粉料流动时，其剪切应力与剪切速率无关，与作用 在固体中的平均压力有关；液体恰恰相反，剪切应力 与压实力无关，而与剪切速率有关。
混练
使两种以上不均匀物料的成分和颗粒均匀化，促进 颗粒接触和塑化的操作过程称混练。
混练质量好的坯料标准
各个成分是均匀分布的（包括不同原料的颗粒，同 一原料的不同大小的颗粒和水分等）；
坯料的结合性得到充分的发挥；
空气充分排除；
再粉碎程度小。
混合机理
对流混合（移动混合），颗粒成团的移动；
• 酸性耐火材料通常指SiO2含量大于93%的耐火材 料，它的主要特点是在高温下能抵抗酸性渣的侵 蚀，但易于与碱性熔渣起反应。 • 中性耐火材料是指高温下与酸性或碱性熔渣都不 易起明显反应的耐火材料，如炭质耐火材料和铬 质耐火材料。有的度可分为: • 普通耐火制品：耐火度为1580~1770℃ • 高级耐火制品：耐火度为1770~2000℃ • 特级耐火制品：耐火度大于2000℃
耐火材料的高温使用性质
熔点
纯物质的结晶相与其液体处于平衡状态下的温 度；耐火度是多相固体混合物在开始熔融温度与 熔融终了温度范围内液相和固相同时共存。 考虑荷重和外物的熔剂作用，并非耐火度越高 砖越好。
耐火材料的高温使用性质
因素： • 固相与液相的数量比（液相70～80%）、液相粘 度（10 ～50Pa· s)和材料的分散度。具有强熔剂 作用的杂质成分，会严重降低制品的耐火度。 （提高原料纯度） • 试锥弯倒是其中液相的生成及固相在液相中的溶 解所致。
• 促使完成同质异晶的晶型转化
根据原料特点 和工艺要求分为
活化烧结 轻烧活化 二步煅烧
死烧
原料的破粉碎
破粉碎是克服物料表面质点的表面张力和克服物 料内部质点间的库仑引力的过程。
破粉碎方式大致可分四种：挤压、冲击、磨碎和 劈裂。各种粉碎机械的作用，都是以上几种方式 的组合。
机械化学和超细粉
各种耐火材料的荷重变形曲线 1-高铝砖，2-硅砖，3-镁砖，4-粘土砖 ，5-半硅砖，6-粘土砖
几种耐火制品的 0.2MPa荷重变形温度
砖种 开始变形温 4%变形 40%变形温 TK-TH 度℃（TH） 温度℃ 度℃（TK） － 1470 1670 1600 20 200
1650 硅砖 （耐火度1730℃） 1400 一级粘土砖 （40%Al2O3）耐 火度1730℃ 1600 莫来石砖 （70%Al2O3） 镁砖（耐火度＞ 2000℃） 1550
耐火材料生产基本工艺原理
耐火原料的选择准则 • 耐火性能准则：原材料的熔点稍高于耐火度。 • 技术经济准则：用哪种原料生产耐火材料，需 满 足技术经济条件。
耐火原料的加工
耐火原料的加工主要包括以下几方面： • 选矿与提纯 • 原料的煅烧 • 原料的破粉碎 • 机械化学和超细粉 • 助磨剂
选矿与提纯
选矿：利用多种矿物的物理和化学性质的差别， 将矿物集合体的原矿粉碎，并分离出多种矿物。
提纯：利用一系列化学及物理化学反应，矿物富 集的过程。
选矿方法：机械法、物理-化学法、纯化学 法、电气法等。
原料的煅烧
原料煅烧时产生一系列物理化学反应，能改善制 品的成分及其组织结构，保证制品的体积稳定及 其外形尺寸的准确性，提高制品性能。 原料煅烧目的： • 去除原料中易挥发的杂质和夹杂物 • 使原料的颗粒致密化及结晶长大
在可能条件下，应适当增大临界颗粒尺寸，以使各组分颗粒 尺寸相差大些。
坯料的颗粒组成
在连续颗粒系列中，设D是最大颗粒粒径，d是任 意大小颗粒的粒径，y 是粒径d以下的含有量，若取 配合料的总量为100%，则q值随颗粒形状等因素变 化， 一般为0.3－0.5
例：D＝5mm, d=3mm时， y=81.5, 则5－3： 18.5%；D=1mm, y=52.5, 3-1:29%; 1-0:17.5%(以 65：35算），则：5－3 18.5%；3－1 29%；1－ 0 17.5%