耐火材料的组成与性质

1、 耐火材料可用作高温窑炉等热工设备的结构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、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。力和国防工业等高温工业所必须的重要基础材料。 本课程介绍常用耐火材料的基本性能，应用范围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。以及易懂的生产工艺与原料知识。 这门课程是从事耐火材

2、料生产、研究、应用和贸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。易的人员的必修之课，其重要性不言而喻。 绪绪 论论 一、耐火材料的定义一、耐火材料的定义 传统的定义传统的定义：耐火度不小于：耐火度不小于15801580的无机非金属材料；的无机非金属材料； ISOISO的定义的定义：耐火度不小于：耐火度不小于15001500的非金属材料及制的非金属材料及制 品；品； （耐火度（耐火度- -指材料在高温无荷重条件下，不熔融软化指材料在高温无荷重条件下，不熔融软化 的性能的性能) ) 耐火材料大部分是以耐火材料大部分是以天然矿石为原料天然矿石为原料制成，但目前

3、制成，但目前 采用某些采用某些工业原料和人工合成原料工业原料和人工合成原料制造的耐火材料也日制造的耐火材料也日 益增多。益增多。 二、耐火材料的分类二、耐火材料的分类 耐火材料品种繁多、用途各异，有必要对耐火材耐火材料品种繁多、用途各异，有必要对耐火材 料进行科学分类，以便于科学研究、合理选用和管理。料进行科学分类，以便于科学研究、合理选用和管理。 耐火材料的分类方法很多，其中主要有耐火材料的分类方法很多，其中主要有化学属性分类化学属性分类 法、化学矿物组成分类法、生产工艺分类法、材料形法、化学矿物组成分类法、生产工艺分类法、材料形 态分类法态分类法等多种方法。等多种方法。 1 1、根据耐火度

4、的高低分：、根据耐火度的高低分： 普通普通耐火材料：耐火材料：15801770 高级高级耐火材料：耐火材料：17702000 特级特级耐火材料：耐火材料：2000 标准型标准型：230mm230mm113mm113mm65mm65mm； 不多于不多于4 4个量尺，（尺寸比）个量尺，（尺寸比）Max:Min4:1Max:Min4:1； 异异 型型：不多于：不多于2 2个凹角，（尺寸比）个凹角，（尺寸比）Max:Min6:1Max:Min6:1； 或有一个或有一个50507070的锐角；的锐角； 特异型特异型：（尺寸比）：（尺寸比） Max:Min8:1Max:Min75%，Al2O3含量一般为含

5、量一般为7-8%， 主要矿物成分为方镁石和镁铝尖晶石（主要矿物成分为方镁石和镁铝尖晶石（MgAl2O4）；）； 镁铬质镁铬质制品：含制品：含MgO60% ，Cr2O3含量一般在含量一般在20%以以 下，主要矿物成分为方镁石和铬尖晶石下，主要矿物成分为方镁石和铬尖晶石; 镁橄榄石质及镁硅质镁橄榄石质及镁硅质制品：此种镁质材料中除含制品：此种镁质材料中除含 有主成分有主成分MgO外，第二化学成分为外，第二化学成分为SiO2。镁橄榄石砖镁橄榄石砖 比镁硅砖含有更多的比镁硅砖含有更多的SiO2，前者的主要矿物成分为镁，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，橄榄石，其次为

6、方镁石；后者的主要矿物为方镁石， 其次镁橄榄石其次镁橄榄石； 镁钙质镁钙质制品：此种镁质材料中含有一定量的制品：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主要矿物成分除方镁石外还含有一定量的硅酸二钙 （2 CaOSiO2）。）。 （3）白云石质耐火材料）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。为白云石质耐火材料。 主要化学成分为：主要化学成分为：30-42%的的MgO和和40-60%的的CaO， 二者之和一般应大于二者之和一般应大于90%。 主要矿物成分为：主要矿物成分为

7、：方镁石方镁石和和方钙石方钙石（氧化钙）。（氧化钙）。 （4）碳复合耐火材料）碳复合耐火材料 碳复合耐火材料是指以不同形态的碳复合耐火材料是指以不同形态的碳素材料碳素材料与与 相应的相应的耐火氧化物耐火氧化物复合生产的耐火材料。复合生产的耐火材料。 （5）含锆耐火材料）含锆耐火材料 含锆耐火材料是指以含锆耐火材料是指以氧化锆氧化锆（ZrO2）、）、锆英石锆英石等等 含锆材料为原料生产的耐火材料。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含锆耐火材料制品通常包括锆英石制品锆英石制品、锆莫来锆莫来 石制品石制品、锆刚玉制品锆刚玉制品等。等。 （6）特种耐火材料）特种耐火材料 特种耐火

8、材料又可分为如下品种：特种耐火材料又可分为如下品种： 碳质制品碳质制品：包括碳砖和石墨制品；：包括碳砖和石墨制品； 纯氧化物制品纯氧化物制品：包括氧化铝制品、氧化锆制品、氧化钙：包括氧化铝制品、氧化锆制品、氧化钙 制品等；制品等； 非氧化物制品非氧化物制品：包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、：包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、 硼化锆、硼化钛、塞伦硼化锆、硼化钛、塞伦(Sialon）、阿伦）、阿伦(Alon)制品等；制品等； 按生产工艺可分为：按生产工艺可分为： 烧成制品烧成制品、熔铸制品熔铸制品和和不烧制品不烧制品； 6. 其他分类方法其他分类方法 5000年前出现了陶器；年前出现了陶器

9、； 2000年前有了瓷器；年前有了瓷器； 后来，天然的原料开始使用，如硅线石砖；后来，天然的原料开始使用，如硅线石砖； 1637年，石墨粘土坩锅投入使用。年，石墨粘土坩锅投入使用。 我国，我国，解放前解放前仅有少量的耐火材料工厂，生产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；能力和产品质量较低，严重依赖进口； 三、耐火材料的发展三、耐火材料的发展 历史悠久历史悠久 四四. .中国耐火材料工业的现状与发展中国耐火材料工业的现状与发展 1）计划经济时代计划经济时代中国耐火材料由中国耐火材料由33家重点企业扶持；家重点企业扶持； 2）改革开放以后改革开放以后，随着钢铁工业的迅速

10、发展，耐火材，随着钢铁工业的迅速发展，耐火材 料行业快速发展起来；料行业快速发展起来； 2004年统计，全国年统计，全国 有有1136家耐火材料生产企业家耐火材料生产企业 2005年统计，全国年统计，全国 有有1359家耐火材料生产企业家耐火材料生产企业 2006年统计，全国年统计，全国 有有1505家耐火材料生产企业家耐火材料生产企业 中国耐火材料产量统计 0 10 20 30 40 50 1980 1985 1990 1995 2000 2002 2004 2006 2007 年 份 产量（百万吨） 连铸比连铸比的提高和冶炼技术的进步导致的提高和冶炼技术的进步导致吨钢耐火材料吨钢耐火材料

11、消耗（消耗（x公斤耐火材料公斤耐火材料/吨钢）吨钢）下降；另一方面，钢产量下降；另一方面，钢产量 增加；使得增加；使得2002年以后中国耐火材料产量呈上升趋势。年以后中国耐火材料产量呈上升趋势。 2002年、年、2004年和年和2006年，中国粗钢产量分别为：年，中国粗钢产量分别为： 1.8、2.8和和4.1亿吨亿吨；2007年在年在4.9亿吨亿吨左右。左右。 q钢铁工业的竞争日趋激烈，耐火材料生产厂家面临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；更大的成本压力； q洁净钢的生产对耐火材料提出了更高的要求，除了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

12、求对钢水无污染；要求长寿以外，还要求对钢水无污染； q中国耐火材料企业的研发力量有待加强。不能仅仅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；作为一个加工基地； q应注意可持续发展战略。如：矿山的管理、耐火材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。料的回收利用、环境友好耐火材料的使用。 3 3）存在的问题和今后的发展）存在的问题和今后的发展 定义和概念；定义和概念； 不同耐火材料制品的组成、性能和相关检测方法；不同耐火材料制品的组成、性能和相关检测方法； 不同品种的耐火材料生产的工艺要点和流程；不同品种的耐火材料生产的工艺要点和流

13、程； 相关的物理化学原理；相关的物理化学原理； 耐火材料损毁机理及提高耐火材料质量的途径；耐火材料损毁机理及提高耐火材料质量的途径； 学习这门课程要了解和掌握的一些内容：学习这门课程要了解和掌握的一些内容： 这门课程要求严格哟！这门课程要求严格哟！ 平时成绩平时成绩20 出勤、作业、测试出勤、作业、测试 期末考试成绩期末考试成绩80 第一章第一章 耐火材料的组成与性质耐火材料的组成与性质 耐火材料的耐火材料的化学成分化学成分、矿物组成矿物组成及及微观结构微观结构决决 定了耐火材料的性质；定了耐火材料的性质； 正确合理选用耐火材料也是以其性质作为主要正确合理选用耐火材料也是以其性质作为主要 依据

14、。依据。 各国的检验标准有所不同，由于实验室条件下的检验和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；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：苏联：TOCT 日本：日本：JIS（Japanese Industrial Standards） 英国：英国：BSI（British Standards Institution） 美国：美国：ASTM（American Society of Testing Materials） 中国：中国：GB（始于（始于1959年，重标年，重标ZB 冶标冶标YB 国标国标GB） 1.1 前前 言

15、言 耐火材料是耐火度不低于耐火材料是耐火度不低于1580的无机非金属材的无机非金属材 料。料。耐火材料在无荷重时抵抗高温作用的稳定性，即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在高温无荷重条件下不熔融软化的性能称为耐火度耐火度， 它表示耐火材料的基本性能。它表示耐火材料的基本性能。 1.2 耐火材料的组成、结构与性质耐火材料的组成、结构与性质 耐火材料是构筑热工设备的高温结构材料，面临：耐火材料是构筑热工设备的高温结构材料，面临： 承受高温作用承受高温作用；机械应力机械应力；热应力热应力；高温气体高温气体；熔体熔体 以及固体介质的侵蚀、冲刷、磨损以及固

16、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。各种使用环境和操作条件。 耐火材料的性质主要包括耐火材料的性质主要包括化学化学-矿物组成矿物组成、组织结组织结 构构、力学性质力学性质、热学性质热学性质及及高温使用性质高温使用性质等。等。 根据这些性质可以预测耐火材料在高温环境下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。耐火材料所具有的各种性质是热工设备选使用情况。耐火材料所具有的各种性质

17、是热工设备选 择结构材料的重要依据。择结构材料的重要依据。 1.3 耐火材料的化学耐火材料的化学-矿物组成矿物组成 （1）化学组成）化学组成 化学组成是耐火材料化学组成是耐火材料最基本的特性最基本的特性，是决定耐火材，是决定耐火材 料的物相组成以及很多重要性质如抗渣侵蚀性能、耐高料的物相组成以及很多重要性质如抗渣侵蚀性能、耐高 温性能、力学性能等的重要基础。温性能、力学性能等的重要基础。 通常将耐火材料的化学组成按各个成分含量的多少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：及作用分为以下几类： 主成分主成分 主成分是指在耐火材料中对材料的性质起决定作用主成分是指在耐火材

18、料中对材料的性质起决定作用 并构成耐火基体的成分。并构成耐火基体的成分。 一般为一般为氧化物、元素或某些元素的化合物氧化物、元素或某些元素的化合物。 耐火材料按其主成分的化学性质可分为耐火材料按其主成分的化学性质可分为酸性耐火材酸性耐火材 料料、中性耐火材料中性耐火材料和和碱性耐火材料碱性耐火材料。 杂质成分杂质成分 耐火材料中由原料及加工过程中带入的耐火材料中由原料及加工过程中带入的非主要成分非主要成分 的化学物质的化学物质（氧化物、化合物等）称为杂质。（氧化物、化合物等）称为杂质。 杂质的存在往往能与主要成分在高温下发生反应，杂质的存在往往能与主要成分在高温下发生反应， 生成低熔性物质或形

19、成大量的液相，从而降低耐火材料生成低熔性物质或形成大量的液相，从而降低耐火材料 基体的耐火性能，故也称之为基体的耐火性能，故也称之为熔剂熔剂。即杂质成分对耐火。即杂质成分对耐火 基体起一定的基体起一定的熔剂作用熔剂作用，降低耐火制品的耐火性能。有，降低耐火制品的耐火性能。有 利作用是降低制品（原料）的烧成温度，促进烧结。利作用是降低制品（原料）的烧成温度，促进烧结。 注注:杂质的熔剂作用只是相对的，这种作用取决于基杂质的熔剂作用只是相对的，这种作用取决于基 体的性质和杂质的组成和比例体的性质和杂质的组成和比例。 添加成分添加成分 耐火材料的化学组成中除主要成分和杂质成分外耐火材料的化学组成中除

20、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有时为了制作工艺的需要或改善某些性能往往人为地加人为地加 入少量的添加成分入少量的添加成分，引入添加成分的物质称为，引入添加成分的物质称为添加剂添加剂。 作用是促进耐火制品在生产中的高温变化和降低烧作用是促进耐火制品在生产中的高温变化和降低烧 结温度等。结温度等。 按照添加剂的目的和作用不同可分为按照添加剂的目的和作用不同可分为矿化剂矿化剂、稳定稳定 剂剂、促烧剂（烧结剂）促烧剂（烧结剂）等。等。 耐火材料化学组成的分析方法耐火材料化学组成的分析方法 专门标准规定。专门标准规定。 较新方法：较新方法：比色法、有机试剂（络合物）滴定法

21、、比色法、有机试剂（络合物）滴定法、 火焰光度法、光谱分析法、火焰光度法、光谱分析法、x x射线荧光分析法射线荧光分析法等等 （2）矿物组成）矿物组成 耐火材料一般说来是一个多相组成体，其矿物组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，成取决于耐火材料的化学组成和生产工艺条件，矿物矿物 组成可分为两大类：组成可分为两大类：结晶相与玻璃相结晶相与玻璃相，其中结晶相又，其中结晶相又 分为分为主晶相和次晶相主晶相和次晶相。 主晶相主晶相是指构成耐火制品结构的主体而且熔点较高是指构成耐火制品结构的主体而且熔点较高 的结晶相。的结晶相。主晶相的性质、数量、结合

22、状态直接决定主晶相的性质、数量、结合状态直接决定 着耐火制品的性质着耐火制品的性质。 次晶相次晶相又称第二固相，是在高温下与主晶相共存又称第二固相，是在高温下与主晶相共存 的第二晶相。的第二晶相。 如镁铬砖中与方镁石并存的铬尖晶石，镁铝砖中如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，镁硅砖中的镁的镁铝尖晶石，镁钙砖中的硅酸二钙，镁硅砖中的镁 橄榄石等。橄榄石等。 次晶相也是熔点较高的晶体，它的存在可以次晶相也是熔点较高的晶体，它的存在可以提高提高 耐火制品中固相间的直接结合耐火制品中固相间的直接结合，同时可以，同时可以改善制品的改善制品的 某些特定的性能某些特

23、定的性能。如：高温结构强度以及抗熔渣渗透、。如：高温结构强度以及抗熔渣渗透、 侵蚀的能力。侵蚀的能力。 填充于主晶相之间的不同成分的结晶矿物（填充于主晶相之间的不同成分的结晶矿物（次晶次晶 相）和玻璃相相）和玻璃相统称为统称为基质基质，也称为，也称为结合相结合相。 基质的熔点一般较低，其组成和形态基质的熔点一般较低，其组成和形态对耐火制品对耐火制品 的高温性质和抗侵蚀性能起着决定性的影响的高温性质和抗侵蚀性能起着决定性的影响。 采用调整和改变耐火制品的基质采用调整和改变耐火制品的基质 成分是改善制品成分是改善制品 性能的有效工艺措施。性能的有效工艺措施。 基质对于主晶相而言是制品的相对薄弱之处

24、。基质对于主晶相而言是制品的相对薄弱之处。 1.4 耐火材料的显微结构耐火材料的显微结构 耐火材料是由耐火材料是由固相固相（包括结晶相与玻璃相）和（包括结晶相与玻璃相）和气孔气孔 两部分构成的两部分构成的非均质体非均质体。它们之间的相对数量及其分布。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。而和结合形态构成了耐火材料的显微结构。而耐火制品的耐火制品的 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 合形态合形态。 图图1-1 1-1 硅酸盐结合与直接结合显微结构示意图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

25、的结合形态有两种：耐火材料主晶相与基质的结合形态有两种： 陶瓷结合陶瓷结合（硅酸盐结合）与（硅酸盐结合）与直接结合直接结合。 陶瓷结合陶瓷结合又称为又称为硅酸盐结合硅酸盐结合，其结构特征是，其结构特征是耐火耐火 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 在一起而形成结合在一起而形成结合（图（图1-1a），如普通镁砖中硅酸盐），如普通镁砖中硅酸盐 基质与方镁石之间的结合。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），大大先在较低的温度下成

26、为液相（或玻璃相软化），大大 降低了耐火制品的高温性能。降低了耐火制品的高温性能。 MgO A B C MgO SiO2 CaO (wt%) A 24.83 39.09 36.08 B 11.70 37.00 51.30 C 11.54 36.29 52.17 耐火材料中陶瓷结合示意图耐火材料中陶瓷结合示意图 直接结合直接结合是指耐火制品中，高熔点的主晶相之间是指耐火制品中，高熔点的主晶相之间 或主晶相与次晶相间直接接触形成或主晶相与次晶相间直接接触形成结晶网络结晶网络的一种结的一种结 合。合。 直接结合耐火制品一般具有较高的直接结合耐火制品一般具有较高的高温力学性能高温力学性能， 与材质相近

27、的硅酸盐结合的耐火制品相比高温强度可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，其成倍提高，其抗渣蚀性能和体积稳定性抗渣蚀性能和体积稳定性也较高。也较高。 一种致密氧化铝材料图示一种致密氧化铝材料图示 （1）气孔率气孔率 耐火材料中气孔体积与总体积之比称为耐火材料中气孔体积与总体积之比称为气孔率气孔率。 耐火材料中的气孔可分为三类：耐火材料中的气孔可分为三类：开口气孔开口气孔（显气（显气 孔）、孔）、贯通气孔贯通气孔、封闭气孔封闭气孔。 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 的气孔可分为的气孔可分为开口气孔开口气孔和和封闭气孔封

28、闭气孔两类。两类。 1.5 耐火材料的常温物理性质耐火材料的常温物理性质 耐火材料制品中各种形状和大小的气孔与固相之间的耐火材料制品中各种形状和大小的气孔与固相之间的 宏观关系（它们的数量、分布等）构成了宏观关系（它们的数量、分布等）构成了耐火材料的宏观组耐火材料的宏观组 织结构织结构。制品的宏观组织结构特征是影响其高温使用性质的。制品的宏观组织结构特征是影响其高温使用性质的 主要因素。主要因素。 耐火材料中气孔的类型耐火材料中气孔的类型 耐火材料中存在的气孔耐火材料中存在的气孔 材料中气孔产生的原因？材料中气孔产生的原因？ 气孔产生的原因：气孔产生的原因： 1）原料中的气孔（原料没有烧好）；

29、）原料中的气孔（原料没有烧好）； 2）制品成型时，颗粒间的气孔；）制品成型时，颗粒间的气孔； 3）制品烧成时，由于物化反应形成的气孔。）制品烧成时，由于物化反应形成的气孔。 由于显气孔率的测定较为容易，所以耐火材料气由于显气孔率的测定较为容易，所以耐火材料气 孔率的指标常以孔率的指标常以显气孔率显气孔率来表示：来表示： 式中：式中：Pa- 为显气孔率；为显气孔率； V1- 为制品中开口气孔的体积；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为制品的总体积，即试样外表面围成的体 积，亦称表观体积。积，亦称表观体积。 1 0 100% a V P V 如何测量显气孔率：干

30、重如何测量显气孔率：干重W1；饱和重；饱和重W2；悬；悬 浮重浮重 W3；悬浮金属丝重量；悬浮金属丝重量 WW ；Po显气孔率显气孔率 %100 )( )( 32 12 W O WWW WW 真气孔率显气孔率闭口气孔率真气孔率显气孔率闭口气孔率 （2 2）吸水率吸水率 吸水率是指耐火制品中全部开口气孔吸满水时，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。制品所吸收水的重量与制品重量之比。吸水率实质上吸水率实质上 是反映制品中开口气孔量的一个指标是反映制品中开口气孔量的一个指标。 测定意义：判断原料或制品质量的好坏、烧结测定意义：判断原料或制品质量的好坏、烧结

31、与否、是否致密。同时可以预测耐火材料的抗渣性、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。透气性能和热震稳定性能。 （3）体积密度体积密度 耐火制品单位表观体积的质量耐火制品单位表观体积的质量称为体积密度，通称为体积密度，通 常用常用kg/m3或或g/cm3表示。对于同一种耐火制品而言，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，即其体积密度与显气孔率呈负相关关系，即制品的体积制品的体积 密度大则显气孔率就低密度大则显气孔率就低。 式中：式中：Db为体积密度，为体积密度，g/cm3 ； G为试样质量为试样质量 ，g ； Vb为试样表观体积，为试

32、样表观体积，cm3 b b V G D 如何测量体积密度：干重如何测量体积密度：干重W1；饱和重；饱和重W2；悬浮；悬浮 重重 W3；悬浮金属丝重量；悬浮金属丝重量 WW ；D体积密度体积密度 1 23 () W W W D WWW W 浸渍液体的比重浸渍液体的比重 （4）真密度与真比重真密度与真比重 耐火材料的质量与其真体积（即不包括气孔体积）耐火材料的质量与其真体积（即不包括气孔体积） 之比之比，称为，称为真密度真密度，通常也用，通常也用g/cm3来表示。来表示。 式中：式中：Dt为真密度，为真密度，g/cm3 G为试样质量，为试样质量， g Vt为试样真体积为试样真体积 ，cm3 t t

33、 V G D 真比重真比重的概念：的概念：单位体积耐火材料的重量与单位体积耐火材料的重量与 4单位体积水的重量之比值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。从数值上来说，真密度和真比重是相等的。 体积密度和真密度通常采用浸液称量法测定。体积密度和真密度通常采用浸液称量法测定。 （5）透气度透气度 其物理意义是其物理意义是在一定时间内和一定压差下气体透过一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定断面和厚度的试样的量。 d tAPP KQ )( 21 式中：式中：Q-为气体透过的数量（升）；为气体透过的数量（升）；d-为试样的厚度（米）；为试样的厚度（米

34、）； A-为试样的横截面积（平方米）；为试样的横截面积（平方米）；t-为气体透过时间（小时）；为气体透过时间（小时）； P1-P2为试样两端气体压力差（牛顿为试样两端气体压力差（牛顿/平方米）；平方米）； K-为透气度系数，也称透气率（升为透气度系数，也称透气率（升米米/牛顿牛顿小时）小时） 气孔率和体积密度等技术指标只是表征耐火制品中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。的大小、分布和形状。 耐火制品在使用过程中，侵蚀介质浸入、渗透的程耐火制品在使用过程中，侵蚀介质浸

35、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，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、侵蚀的能力耐火制品的透气度越高，其抵抗熔渣渗透、侵蚀的能力 越差越差。 透气度与透气度与耐火制品的气孔的构造和状态有关，并随耐火制品的气孔的构造和状态有关，并随 耐火制品成型时的加压方向而异耐火制品成型时的加压方向而异。它和气孔率既有一定。它和气孔率既有一定 关系，又无规律性。关系，又无规律性。 作作 业业 1.何谓耐火材料？我国耐火材料今后的发展方向是什么何谓耐火材料？我国耐火材料今后的发展方向是什么? 2.耐火材料制品的化学组成和矿物组成

36、分别是什么？它们对耐火制品的耐火材料制品的化学组成和矿物组成分别是什么？它们对耐火制品的 性质有何影响？性质有何影响？ 3.简述耐火材料中杂质成分与主成分形成的液相对耐火材料的高温性能简述耐火材料中杂质成分与主成分形成的液相对耐火材料的高温性能 影响影响 。 4.耐火材料的显微组织结构有哪些类型？它们各有何特征？耐火材料的显微组织结构有哪些类型？它们各有何特征？ 5.耐火材料的宏观组织结构通常用哪些指标来表征？这些指标之间有何耐火材料的宏观组织结构通常用哪些指标来表征？这些指标之间有何 联系？联系？ 1.6 耐火材料的热学性质和导电性质耐火材料的热学性质和导电性质 （1）热膨胀热膨胀 耐火材料

37、的体积或长度随着温度的升高而增大的物耐火材料的体积或长度随着温度的升高而增大的物 理性质理性质称为称为热膨胀热膨胀。 产生原因：原子的非谐性振动增大了原子的间距，产生原因：原子的非谐性振动增大了原子的间距， 从而使材料体积膨胀。从而使材料体积膨胀。 耐火材料的热膨胀可以用耐火材料的热膨胀可以用线膨胀系数线膨胀系数或或体膨胀系数体膨胀系数 表示，也可以用表示，也可以用线膨胀百分率线膨胀百分率或或体积膨胀百分率体积膨胀百分率表示。表示。 体积膨胀系数：体积膨胀系数： -1 线膨胀系数：线膨胀系数： -1 p t v v )( 1 p t l l )( 1 膨胀系数膨胀系数是指耐火材料由室温加热至试

38、验温度的区间内，是指耐火材料由室温加热至试验温度的区间内， 温度每升高温度每升高1，试样体积或长度的，试样体积或长度的相对变化率相对变化率。 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等。接判断耐材热震稳定性能等。 膨胀百分率膨胀百分率则是指耐火材料由室温加热至试验温度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。时，试样体积或长度的变化百分率。 % 100)( 0 0 V VV V t % 100)( 0 0 L LL L t 耐火材料作为构筑热工设备的结构材料，常常在耐火材料作为构筑热工设备

39、的结构材料，常常在 温度变化温度变化条件下使用。因此，耐火材料的热膨胀既是条件下使用。因此，耐火材料的热膨胀既是 其重要的使用性能，也是工业窑炉等高温热工设备进其重要的使用性能，也是工业窑炉等高温热工设备进 行结构设计的重要参数。行结构设计的重要参数。 耐火材料的热膨胀性能取决于它的化学矿物组成，且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：与耐火材料中结晶相的晶体结构及键强密切相关。通常： 键强高的材料具有低的热膨胀系数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组成相同的材料，晶体结构不同

40、，其热膨胀系数也不同 (石英和石英玻璃）；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）。发生相应的变化（鳞石英、方石英）。 （2）热导率热导率 耐火材料的热导率是指耐火材料的热导率是指单位温度梯度下，单位时单位温度梯度下，单位时 间内通过单位垂直面积的热量间内通过单位垂直面积的热量，用，用表示：表示： tF x T Q )( 式中：式中： 导热率（导热率（W/mK）；）； Q t 时间沿时间沿x轴方向穿过轴方向穿过F截面上的热量（截面上的热量（ W/m2 ）；）； 沿沿x轴方向的温度梯度（

41、轴方向的温度梯度（K/m）。）。 x T 耐火材料中所含的气孔对其热导率的影响最大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，热导一般说来，在一定的温度范围内，气孔率越大，热导 率越低。耐火材料的化学矿物组成也对材料的导热率率越低。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。也有明显影响。 晶体中的各种缺陷、杂质以及晶粒界面晶体中的各种缺陷、杂质以及晶粒界面都会引起都会引起 晶格波的散射，也等效于声子平均自由程的减小，从晶格波的散射，也等效于声子平均自由程的减小，从 而而降低热导率降低热导率。 （3）热容热容 热容是耐火材料的另一重要的热学性

42、质，它是表征材料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。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。工程上用所需要的热量不同。工程上用在常压下加热在常压下加热1公斤物质使公斤物质使 之升温之升温1所需要的热量所需要的热量（以（以KJ计）来表示和衡量这一性质，计）来表示和衡量这一性质， 称为称为热容（又称比热容）热容（又称比热容）。 工程上所用的工程上所用的平均热容平均热容是指从温度是指从温度T1到到T2所吸收的热量的所吸收的热量的 平均值。平均热容是比较粗略

43、的，温度范围越大，精度越差，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。应用时要特别注意使用的温度范围。 耐火材料的热容取决于它的耐火材料的热容取决于它的化学矿物组成化学矿物组成和和所处所处 的温度的温度。 作用：耐火材料的热容除影响炉体的加热、冷却作用：耐火材料的热容除影响炉体的加热、冷却 速度外，在蓄热砖中也具有重要意义。速度外，在蓄热砖中也具有重要意义。 测定方法测定方法:多采用多采用量热计法量热计法。 （4）导电性导电性 耐火材料通常在室温下是电的耐火材料通常在室温下是电的不良导体不良导体，随温度随温度 升高，电阻减小，导电性增强升高，电阻减

44、小，导电性增强。若将材料加热至熔融。若将材料加热至熔融 状态，则会呈现较强的导电能力。状态，则会呈现较强的导电能力。 某些耐火材料具有导电性某些耐火材料具有导电性，如含碳耐火制品具有，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。性，可以作为高温下的发热体。 1.7 耐火材料的力学性质耐火材料的力学性质 耐火材料的力学性质是指制品在不同条件下的强耐火材料的力学性质是指制品在不同条件下的强 度等物理指标，是表征度等物理指标，是表征耐火材料抵抗不同温度下外力耐火材料抵抗不同温度下外力 造成的形变和应力而

45、不破坏的能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火材料的力学性质通常包括耐压强度耐压强度、抗折强抗折强 度、扭转强度、耐磨性、弹性模量及高温蠕变度、扭转强度、耐磨性、弹性模量及高温蠕变等。等。 （1）耐压强度耐压强度 耐火材料的耐压强度包括耐火材料的耐压强度包括常温耐压强度常温耐压强度和和高温耐压强度高温耐压强度， 分别是指分别是指常温和高温条件下，耐火材料单位面积上所能承受常温和高温条件下，耐火材料单位面积上所能承受 的最大压力的最大压力，以牛顿，以牛顿/毫米毫米2（或（或MPa）表示。可按下式计算：）表示。可按下式计算： A P CS 式中：式中： Cs 耐火制品

46、的耐压强度，单位：耐火制品的耐压强度，单位：MPa； P 试样破坏时所承受的极限压力，牛顿；试样破坏时所承受的极限压力，牛顿； A 试样承受载荷的面积，平方毫米。试样承受载荷的面积，平方毫米。 常温耐压强度指标通常可以反映生产中工艺制度的变常温耐压强度指标通常可以反映生产中工艺制度的变 动动。高耐压强度表明制品的成型坯料加工质量、成型坯体。高耐压强度表明制品的成型坯料加工质量、成型坯体 结构的均一性及砖体烧结情况良好。因此，常温耐压强度结构的均一性及砖体烧结情况良好。因此，常温耐压强度 也是检验现行工艺状况和制品均一性的可靠指标也是检验现行工艺状况和制品均一性的可靠指标。 耐火材料的高温耐压强

47、度则反映了耐火材料在高温下耐火材料的高温耐压强度则反映了耐火材料在高温下 结合状态的变化结合状态的变化。特别是加入一定数量结合剂的耐火可塑。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。耐压强度的测定更为有用。 （2）抗折强度抗折强度 耐火材料的抗折强度包括耐火材料的抗折强度包括常温抗折强度常温抗折强度和和高温抗折强度高温抗折强度， 分别是指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 受的极限弯曲应力受的极限弯曲应力，以牛顿，

48、以牛顿/毫米毫米2（或（或MPa）表示。）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。它表征的是材料在常温或高温条件下抵抗弯矩的能力。 采用采用三点弯曲法三点弯曲法测量。测量。 2 3 2 Fl R bd 式中：式中： R 抗折强度，抗折强度，N/mm2（MPa）；）； F 试样断裂时所施加的最大载荷，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，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，上刀口部位试样的宽度，mm； d 上刀口部位试样的厚度（高度）上刀口部位试样的厚度（高度）mm。 （3）高温蠕变性能高温蠕变性能 蠕变蠕变 ：指材料在高温下

49、承受小于其极限强度的某一恒：指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，甚至会使材料破坏的现象。增加，甚至会使材料破坏的现象。 耐火材料的耐火材料的高温蠕变高温蠕变性能是指性能是指在在某一恒定的高温以及某一恒定的高温以及 固定载荷下，材料的形变与时间的关系固定载荷下，材料的形变与时间的关系。 根据施加荷重形式的不同可分为根据施加荷重形式的不同可分为高温压缩蠕变高温压缩蠕变、高温高温 拉伸蠕变拉伸蠕变、高温抗折蠕变高温抗折蠕变等。由于高温压缩与高温抗折蠕等。由于高温压缩与高温抗折蠕 变较易测

50、定，故应用较多。变较易测定，故应用较多。 我国通常采用我国通常采用压缩蠕变压缩蠕变。 高温压缩蠕变的表示方法高温压缩蠕变的表示方法一般以某一恒定温度（一般以某一恒定温度（）和）和 荷重（荷重（MPa）条件下，制品的变形量（）条件下，制品的变形量（%）与时间（）与时间（h）的）的 关系曲线即关系曲线即蠕变曲线蠕变曲线来表示（后页图所示），也可用某一时来表示（后页图所示），也可用某一时 段内（如段内（如25-50小时）制品的变形量（小时）制品的变形量（%）来表示。）来表示。 典型高温压缩蠕变过程：典型高温压缩蠕变过程： 第一阶段第一阶段（1次蠕变，或称初期蠕变或减速蠕变次蠕变，或称初期蠕变或减速蠕

51、变） 曲线斜率越来越小，曲线越来越平缓，较短暂。曲线斜率越来越小，曲线越来越平缓，较短暂。 第二阶段第二阶段（2次蠕变，或粘性蠕变或均速蠕变或稳态蠕变次蠕变，或粘性蠕变或均速蠕变或稳态蠕变） 曲线速率最小，应变速度几乎不变，与时间无关。曲线速率最小，应变速度几乎不变，与时间无关。 第三阶段第三阶段（3次蠕变，或加速蠕变次蠕变，或加速蠕变） 应变速率迅速增加直至材料断裂。应变速率迅速增加直至材料断裂。 下图给出了耐火材料典型的高温蠕变曲线。下图给出了耐火材料典型的高温蠕变曲线。 材料不同或材料测试或使用的具体条件不同，其高温蠕材料不同或材料测试或使用的具体条件不同，其高温蠕 变曲线也不尽相同。变

52、曲线也不尽相同。 影响高温蠕变的因素影响高温蠕变的因素： 使用条件使用条件，如温度、荷重、时间、气氛性质等；，如温度、荷重、时间、气氛性质等； 材质材质，如化学组成和矿物组成；，如化学组成和矿物组成； 制品的显微组织结构制品的显微组织结构。 测定耐材高温蠕变测定耐材高温蠕变意义意义：研究耐材在高温下应力作用产：研究耐材在高温下应力作用产 生的组织结构变化；检验制品质量；评价生产工艺；窑炉设生的组织结构变化；检验制品质量；评价生产工艺；窑炉设 计中预测耐火制品在实际应用中承受负荷的变化；评价制品计中预测耐火制品在实际应用中承受负荷的变化；评价制品 的使用性能等。的使用性能等。 （4）弹性模量弹性

53、模量 材料在其弹性范围内（即符合虎克定律的弹性体），材料在其弹性范围内（即符合虎克定律的弹性体）， 在荷载在荷载（应力）的作用下，产生变形（应力）的作用下，产生变形（应变），当荷载（应变），当荷载 去除后，材料仍恢复原来的形状和尺寸，此时应力和应变去除后，材料仍恢复原来的形状和尺寸，此时应力和应变 的比值称为的比值称为弹性模量弹性模量，也称，也称杨氏模量杨氏模量。它表示。它表示材料抵抗变材料抵抗变 形的能力形的能力，可用下式表示：，可用下式表示： E 式中：式中：E 弹性模量；弹性模量； 材料所受应力；材料所受应力； 材料相对长度变化。材料相对长度变化。 l l 作作 业业 1.研究耐火材料的

54、热膨胀有何实际意义？影响耐材热膨胀研究耐火材料的热膨胀有何实际意义？影响耐材热膨胀 的因素有哪些？的因素有哪些？ 2.何谓蠕变？材料高温蠕变过程可分为哪几个特征阶段？何谓蠕变？材料高温蠕变过程可分为哪几个特征阶段？ 各阶段有何特点？各阶段有何特点？ 1.8 耐火材料的高温使用性质耐火材料的高温使用性质 耐火制品在各种不同的窑炉中使用时，长期处于耐火制品在各种不同的窑炉中使用时，长期处于高温高温 状态状态下，耐火材料耐高温的性质能否满足各类窑炉工作条下，耐火材料耐高温的性质能否满足各类窑炉工作条 件的要求，是材料选用的主要依据，因此件的要求，是材料选用的主要依据，因此耐火制品的高温耐火制品的高温

55、 性质也是最重要的基本性质性质也是最重要的基本性质。 （1）耐火度）耐火度 耐火材料在无荷重条件下，抵抗高温作用而不熔化的性耐火材料在无荷重条件下，抵抗高温作用而不熔化的性 质质称为耐火度。称为耐火度。 与有固定熔点的结晶态物质不同，耐火材料一般是由多与有固定熔点的结晶态物质不同，耐火材料一般是由多 种矿物组成的多相固体混合物，种矿物组成的多相固体混合物，没有固定的熔点没有固定的熔点。其熔融是。其熔融是 在一定温度范围内进行的，当对其加热升温至某一温度时开在一定温度范围内进行的，当对其加热升温至某一温度时开 始出现液相（即固定的开始熔融温度），继续加热温度仍然始出现液相（即固定的开始熔融温度）

56、，继续加热温度仍然 继续升高、液相量也随之增多，直至升至某一温度全部变为继续升高、液相量也随之增多，直至升至某一温度全部变为 液相，在这个液相，在这个温度范围温度范围内，内，液相与固相同时存在液相与固相同时存在。 耐火度是一个技术指标，将被测制品按一定方法制成耐火度是一个技术指标，将被测制品按一定方法制成 截头三角锥截头三角锥（2 28 830mm30mm）。试锥以一定升温速度加热，。试锥以一定升温速度加热， 达到某一温度开始出现液相，温度继续升高液相量逐渐增达到某一温度开始出现液相，温度继续升高液相量逐渐增 加加,粘度减小，试锥在重力作用逐渐软化弯倒粘度减小，试锥在重力作用逐渐软化弯倒,当其

57、弯倒至当其弯倒至顶顶 点与底接触的温度点与底接触的温度，即为试样的耐火度。，即为试样的耐火度。 耐火度与熔点的区别：耐火度与熔点的区别： 1、熔点指纯物质的结晶相与液湘处于平衡时的温度；、熔点指纯物质的结晶相与液湘处于平衡时的温度； 2、熔点是一个物理常数；、熔点是一个物理常数； 3、耐火材料为多相混合体，其熔融是在一定的温度范、耐火材料为多相混合体，其熔融是在一定的温度范 围内进行的，是一个工艺指标。围内进行的，是一个工艺指标。 （常见耐火原料及制品耐火度指标见教材（常见耐火原料及制品耐火度指标见教材P20 ） 耐火材料达到耐火度时实际上已不具有机械强度了，因耐火材料达到耐火度时实际上已不具

58、有机械强度了，因 此此耐火度的高与低与材料的允许使用温度并不等同耐火度的高与低与材料的允许使用温度并不等同，也就是，也就是 说说耐火度不是材料的使用温度上限耐火度不是材料的使用温度上限，只有综合考虑材料的其，只有综合考虑材料的其 它性能和使用条件，才能作为合理选用耐火材料的参考依据。它性能和使用条件，才能作为合理选用耐火材料的参考依据。 以镁砖为例，其耐火度高达以镁砖为例，其耐火度高达2000以上，但允许使用温度大以上，但允许使用温度大 大低于耐火度。大低于耐火度。 耐火度的耐火度的意义意义：评价原料纯度和难熔程度评价原料纯度和难熔程度。 耐火制品的耐火制品的化学矿物组成及其分布状态化学矿物组

59、成及其分布状态是影响其耐是影响其耐 火度的主要因素。火度的主要因素。 杂质成分杂质成分特别是具有强熔剂作用的杂质，将严重降特别是具有强熔剂作用的杂质，将严重降 低制品的耐火度。低制品的耐火度。 测定条件测定条件也将影响到耐火度的大小，如：粉末的粒也将影响到耐火度的大小，如：粉末的粒 度、测温锥的安装、升温的速率及炉内的气氛（针对变价度、测温锥的安装、升温的速率及炉内的气氛（针对变价 元素，如元素，如Fe2 与 与Fe3 之间的转变）。 之间的转变）。 影响因素影响因素 （2）高温荷重软化温度）高温荷重软化温度 耐火材料的高温荷重软化温度也称为耐火材料的高温荷重软化温度也称为高温荷重变形温度高温

60、荷重变形温度， 表示表示材料在温度与荷重双重作用下抵抗变形的能力，材料在温度与荷重双重作用下抵抗变形的能力，即指耐火即指耐火 材料试样在固定压力下，不断升高温度，试样发生一定变形量材料试样在固定压力下，不断升高温度，试样发生一定变形量 和坍塌时的温度。和坍塌时的温度。 高温荷重软化温度在一定程度上能表明耐火制品在与其使高温荷重软化温度在一定程度上能表明耐火制品在与其使 用情况相近的条件下的结构强度与变形情况，因而是耐火制品用情况相近的条件下的结构强度与变形情况，因而是耐火制品 的重要性能指标。的重要性能指标。 耐火制品的荷重软化温度取决于耐火制品的荷重软化温度取决于制品的化学制品的化学-矿物组