第1章 耐火材料的组成、结构与性能

1、耐火材料工艺学耐火材料工艺学 第第1 1章章 耐火材料的组成、耐火材料的组成、 结构与性能结构与性能耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火材料耐火材料是耐火度不低于是耐火度不低于1580的无机的无机非金属材料。非金属材料。耐火材料在无荷重时抵抗高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。火材料的基本性能。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火材料是构筑热工设备的高温结构材耐火材料是构筑热工设备的高温结构材料，面临：料，面临： 承受高温作用承受高温作用；机械应

2、力机械应力；热应力热应力；高高温气体温气体；熔体以及固体介质的侵蚀、冲刷、熔体以及固体介质的侵蚀、冲刷、磨损。磨损。 耐火材料的质量取决于其性质，为了保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料必须具备能够满足和适应各种使用环境和操作条件和操作条件。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火材料的性质主要包括化学耐火材料的性质主要包括化学-矿物组矿物组成、组织结构、力学性质、热学性质及成、组织结构、力学性质、热学性质及高温使用性质等。高温使用性质等。 根据这些性质可以预测耐火材料在高根据这些性质可以预

3、测耐火材料在高温环境下的使用情况。耐火材料所具有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择结构材料的的各种性质是热工设备选择结构材料的重要依据。重要依据。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 1.1耐火材料的化学、矿物组成耐火材料的化学、矿物组成 （1）化学组成）化学组成 化学组成是耐火材料最基本的特性之一，化学组成是耐火材料最基本的特性之一，是决定耐火材料的物相组成以及很多重要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、耐高温性能、力学性质如抗渣侵蚀性能、耐高温性能、力学性能等的重要基础。通常将耐火材料的化性能等的重要基础。通常将耐火材料的化学组成按各个成分含量的多少及

4、作用分为学组成按各个成分含量的多少及作用分为以下几类：以下几类： 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 主成分主成分 是指在耐火材料中对材料的性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质起决定作用并构成耐火基体的成分。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料、中性耐火材料和碱性耐酸性耐火材料、中性耐火材料和碱性耐火材料火材料。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 杂质成分杂质成分 耐火材料中由原料及加工过耐火材料中由原料及加工过程中带入的程中带入的非主要成分的化学物质非主要成分的化学物质（氧（氧化物、化合物等）称为杂质。杂质的存化物、化合物等）称为杂质

5、。杂质的存在往往能与主要成分在高温下发生反应，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成大量的液相，从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，故也而降低耐火材料基体的耐火性能，故也称之为熔剂。称之为熔剂。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 添加成分添加成分 耐火材料的化学组成中除主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需要或改善某些性能往往人为地加入少量人为地加入少量的添加成分的添加成分，引入添加成分的物质称为添，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加剂。按照

6、添加剂的目的和作用不同可分为结合剂、矿化剂、稳定剂、促烧剂、减为结合剂、矿化剂、稳定剂、促烧剂、减水剂、抗水化剂、抗氧化剂、促凝剂和膨水剂、抗水化剂、抗氧化剂、促凝剂和膨胀剂等。胀剂等。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （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，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其矿物组成取决于耐火材料的化学组成和生产工艺条件，生产工艺条件，耐火材料的矿物组成一般耐火材料的矿物组成一般分为主晶相和基质两大类。分为主晶相和基质两大类。 主晶相主晶相是指构成耐火制品结构的主体而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

7、的性质、数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。量、结合状态直接决定着耐火制品的性质。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 基质基质是填充于主晶相之间的不同成分的结是填充于主晶相之间的不同成分的结晶矿物和玻璃相统称，也称为结合相。基质的晶矿物和玻璃相统称，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。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。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

8、改变制品的基质组成的践中，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。工艺措施，来改善和提高耐火制品的性质。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 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、贯通气孔、闭口（封闭）气孔。开口气孔、贯通气孔、闭口（封闭）气孔。若把开口气孔与贯通气孔合并为一类，则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耐火材料的气孔可分为开口气孔和封闭气孔两类。孔两类。 1.2 耐火材料的结构性能耐火材料的结构性能 （1）气孔

9、率）气孔率 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火材料中气孔的类型耐火材料中气孔的类型耐火材料工艺学耐火材料工艺学 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？耐火材料工艺学耐火材料工艺学 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）；）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。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 由于显气孔率的测定较为容易，所以耐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显气孔率来表示：火材料气孔率的指标常以显气孔率来表示： 式中：式中：Pa为显气孔率，为显气孔率，%

10、； V1为制品中开口气孔的体积为制品中开口气孔的体积，L； V0为制品的总体积，即试样外表面为制品的总体积，即试样外表面 围成的体积，亦称表观体积围成的体积，亦称表观体积，L。 10100%aVPVGB/T2997-2000（2004）耐火材料工艺学耐火材料工艺学 式中：式中：Pa为显气孔率为显气孔率，%； m1为干燥试样的质量，为干燥试样的质量，g； m2为饱和试样的表观质量，为饱和试样的表观质量，g； m3为饱和试样在空气中的质量，为饱和试样在空气中的质量，g。3132100%ammPmmYB/T5200-1993（2008）耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （2 2）吸水率）吸水率 吸水率吸

11、水率是指耐火制品中全部开口气孔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。气孔量的一个指标。 测定意义：判断原料或制品质量的好坏、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。材料的抗渣性、透气性能和热震稳定性能。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 式中：式中：Wa为吸水率为吸水率，%； m1为干燥试样的质量，为干燥试样的质量，g； m3为饱和试样在空气中的质

12、量，为饱和试样在空气中的质量，g。311100%ammWmGB/T3007-2006耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （3）体积密度）体积密度 耐火制品单位表观体积的质量称为耐火制品单位表观体积的质量称为体体积密度积密度，通常用，通常用kg/m3或或g/cm3表示。对于表示。对于同一种耐火制品而言，其体积密度与显气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孔率呈负相关关系，即制品的体积密度大则显气孔率就低。则显气孔率就低。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 对于定形隔热耐火制品来说：对于定形隔热耐火制品来说： bbmV 式中：式中：b为材料的体积密度为材料的体积密度，（，（

13、g/cm3）；）； m为干燥试样的质量，为干燥试样的质量，g； Vb为试样的总体积，为试样的总体积，cm。 GB/T2998-2001（2004）耐火材料工艺学耐火材料工艺学 对于致密定形耐火制品来说，对于致密定形耐火制品来说，式中：式中：b为材料的体积密度为材料的体积密度，（，（g/cm3）；）； L为在试验温度下，浸渍液体的密度为在试验温度下，浸渍液体的密度，（g/cm3）；）； m1为干燥试样的质量，为干燥试样的质量，g； m2为饱和试样的表观质量，为饱和试样的表观质量，g； m3为饱和试样在空气中的质量，为饱和试样在空气中的质量，g。132LbmmmGB/T2997-2000（2004

14、）耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （4）真密度）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，耐火材料的质量与其真体积（即不包括气孔体积）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：为试样真密度，（为试样真密度，（g/cm3）；）； L为所选用液体在试验温度下的密度为所选用液体在试验温度下的密度，（，（ g/cm3 ）；）； m1为干燥试样的质量，为干燥试样的质量，g； m2为装有试样和比重瓶的质量，为装有试样和比重瓶的质量，g； m3为装有选用液体的比重瓶的质量，为装有选用液体的比重瓶的质量，g。1132LmmmmGB/T5071-1997（

15、2004）耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （5）透气度）透气度 其物理意义是在一定时间内和一定压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差下气体透过一定断面和厚度的试样的量。量。透气度透气度与贯通气孔的数量、大小、与贯通气孔的数量、大小、结构和状态有关，并随着制品成型时的结构和状态有关，并随着制品成型时的加压方向而异。加压方向而异。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 对于致密定形耐火制品的透气度：对于致密定形耐火制品的透气度：式中：式中： K为试样的透气度，为试样的透气度， mm2Pas； 为试验温度下气体的动力黏度，为试验温度下气体的动力黏度， Pas； h h为试样的高度

16、，为试样的高度，mm； d为试样的直径，为试样的直径，mm； Q为气体的体积流量，为气体的体积流量，Lmin-1； p为试样两端气体压力差为试样两端气体压力差， Pa ； p1，p2分别为气体进入试样端和逸出试样端的绝对压力，分别为气体进入试样端和逸出试样端的绝对压力， Pa 。 9121222.16 10phQKdpppGB/T3000-1999（2004）耐火材料工艺学耐火材料工艺学 气孔率和体积密度等技术指标只是表征耐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，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。并不能够反映气孔的大

17、小、分布和形状。 耐火制品在使用过程中，侵蚀介质浸入、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。高，其抵抗熔渣渗透、侵蚀的能力越差。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 1.3 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，是表征件下的强度等物理指标，是表征耐火材料耐火材料抵抗不同温度下外力造成的形变和应力而抵抗不同温度下外力造成的形变和应

18、力而不破坏的能力不破坏的能力。耐火材料的力学性质通常。耐火材料的力学性质通常包括耐压强度、抗折强度、耐磨性及高温包括耐压强度、抗折强度、耐磨性及高温蠕变等。蠕变等。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （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高温耐压强度压强度，分别是指常温和高温条件下，耐火材料单，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的最大压力，以牛顿位面积上所能承受的最大压力，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： APCS式中式中 Cs 耐火制品的耐压强度，耐火制品的耐压强度，M

19、Pa； P 试样破坏时所承受的极限压力，试样破坏时所承受的极限压力，N； A 试样承受载荷的面积，试样承受载荷的面积，mm2。 GB/T5072-2008GB/T2208-1998（2008）耐火材料工艺学耐火材料工艺学 常温耐压强度指标通常可以反映生产常温耐压强度指标通常可以反映生产中工艺制度的变动。常温耐压强度表明中工艺制度的变动。常温耐压强度表明制品的成型坯料加工质量、成型坯体结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，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。制品均一性的可靠

20、指标。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火材料的高温耐压强度则反映了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。特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生变化时，高温耐压强度的测定更为有用。用。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （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常温抗折强度度和和高温抗折强度高温抗折强度，分别是指常温和高温，分别是指常温和高温条件下，耐火材料单位截面积上

21、所能承受条件下，耐火材料单位截面积上所能承受的极限弯曲应力，以牛顿的极限弯曲应力，以牛顿/毫米毫米2（或（或MPa）表示。它表征的是材料在常温或高温条件表示。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。下抵抗弯矩的能力，采用三点弯曲法测量。GB/T3001-2007GB/T3002-2004耐火材料工艺学耐火材料工艺学 232FlRbd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

22、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。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （3）耐磨性）耐磨性 耐磨性耐磨性是指耐火材料抵抗坚硬的物体或气是指耐火材料抵抗坚硬的物体或气流的摩擦、磨损、冲刷的能力。耐火材料的耐流的摩擦、磨损、冲刷的能力。耐火材料的耐磨性取决于其矿物组成、组织结构和颗粒组合磨性取决于其矿物组成、组织结构和颗粒组合的牢固性以及材料本身的密度、强度等。的牢固性以及材料本身的密度、强度等。式中：式中：A为磨损量，为磨损量，cm3； b为试样的体积密度为试样的体积密度，（，（g/cm3）；）； m1 、m2分别为试验前后试样的质量，分别为试验前后试样

23、的质量，g。12bmmAGB/T18301-2001（2004）耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （4）高温蠕变性能）高温蠕变性能 耐火材料的耐火材料的高温蠕变性能高温蠕变性能是指在是指在某一恒定的某一恒定的温度以及固定载荷下，材料的形变与时间的关系温度以及固定载荷下，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高温压缩蠕变、根据施加荷重形式的不同可分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温抗折蠕变等。由于高温压缩高温拉伸蠕变、高温抗折蠕变等。由于高温压缩与高温抗折蠕变较易测定，故应用较多。与高温抗折蠕变较易测定，故应用较多。我国通我国通常采用压缩蠕变常采用压缩蠕变。GB/T5073-2005耐

24、火材料工艺学耐火材料工艺学 高温压缩蠕变的表示方法一般以某一高温压缩蠕变的表示方法一般以某一恒定温度（恒定温度（）和荷重（）和荷重（MPa）条件下，）条件下，制品的变形量（制品的变形量（%）与时间（）与时间（h）的关系）的关系曲线即蠕变曲线来表示，也可用某一时段曲线即蠕变曲线来表示，也可用某一时段内（如内（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。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 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。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 1.4 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

25、膨胀 耐火材料的体积或长度随着温度的升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高而增大的物理性质称为热膨胀。热膨胀。 耐火材料的热膨胀可以用线膨胀系数耐火材料的热膨胀可以用线膨胀系数或体积膨胀系数表示，也可以用线膨胀或体积膨胀系数表示，也可以用线膨胀百分率或体积膨胀百分率表示。百分率或体积膨胀百分率表示。GB/T7320-2008耐火材料工艺学耐火材料工艺学 体积膨胀系数：体积膨胀系数： -1 线膨胀系数：线膨胀系数： -1ptvv)(1ptll)(1 膨胀系数膨胀系数是指耐火材料由室温加热至试验温度的是指耐火材料由室温加热至试验温度的区间内，温度每升高区间内，温度每升高1，试样

26、体积或长度的，试样体积或长度的相对相对变化率变化率。 意义：意义：窑炉设计的重要参数、预留膨胀缝的依据，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。可间接判断耐材热震稳定性能。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 膨胀百分率膨胀百分率则是指耐火材料由室温加热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至试验温度时，试样体积或长度的变化百分率。率。 %100)(00VVVVt%100)(00LLLLt耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火材料作为构筑热工设备的结构材料，耐火材料作为构筑热工设备的结构材料，常常在温度变化条件下使用。因此，耐火常常在温度变化条件下使用。因

27、此，耐火材料的热膨胀既是其重要的使用性能，也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行结构设计是工业窑炉等高温热工设备进行结构设计的重要参数。的重要参数。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火材料的热膨胀性能取决于它的化学矿物组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：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，其热膨胀系组成相同的材料，晶体结构不同，其热膨胀系数也不同数也不同(石英和石英玻璃）；石英和石英玻璃

28、）；加热过程中，存在多晶转变的材料，其热膨胀加热过程中，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）。系数也要发生相应的变化（鳞石英、方石英）。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （2）热导率）热导率 耐火材料的耐火材料的热导率热导率是指单位温度梯度下，单位时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间内通过单位垂直面积的热量，用，用表示：表示： tFxTQ)(其中：其中： 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截面上的热截面上的热量（量（ W/m2 ）；）； 沿沿x轴方向的温度梯度（轴方向的温度梯度（K/m）。）。xTGB/T

29、5990-2006 （非稳态法）（非稳态法）YB/T4130-2005 （稳态法）（稳态法）耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火材料中所含的气孔对其热导率的影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，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。耐火材料的化学气孔率越大，热导率越低。耐火材料的化学矿物组成也对材料的导热率也有明显影响。矿物组成也对材料的导热率也有明显影响。 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格波的散射，也等效于声子平均自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。由程的减

30、小，从而降低热导率。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （3）热容）热容 热容是耐火材料的另一重要的热学性质，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。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，但不同的物任何物质受热后温度都要升高，但不同的物质温度升高质温度升高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公斤物质升高公斤物质升高1所需要的热所需要的热量（以量（以KJ计）来表示和衡量这一性质，称为计）来表示和衡量这一性质，称为热容热容。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 工程上所用的平均热容是指从温度工程上所用的

31、平均热容是指从温度T1到到T2所吸收的热量的平均值。平均热容是比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。用时要特别注意使用的温度范围。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （4）温度传导性）温度传导性 温度传导性温度传导性是材料在加热或冷却是材料在加热或冷却过程中，各部分温度倾向一致的能过程中，各部分温度倾向一致的能力，即温度的传递能力。温度传导力，即温度的传递能力。温度传导性用热扩散率（或导温系数）来表性用热扩散率（或导温系数）来表示：示： 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 pC式中：式中：为热扩散率，为热扩

32、散率，m2s-1； 为热导率为热导率，Wm-1K-1； 为材料的表观密度，为材料的表观密度，gcm-3； Cp为耐火材料的恒压热容为耐火材料的恒压热容Jg-1K-1。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 1.5 耐火材料的工艺性质耐火材料的工艺性质 （1）粒度与粒度尺寸分布）粒度与粒度尺寸分布 粒度粒度是指耐火原料的颗粒大小。是指耐火原料的颗粒大小。 颗粒尺寸分布颗粒尺寸分布是指连续的、不同粒度是指连续的、不同粒度级别范围内，各粒度级别所占的质量分数。级别范围内，各粒度级别所占的质量分数。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （2）细度与比表面积）细度与比表面积 细度细度表示粉状原料的粗细程度。表示粉状原料

33、的粗细程度。 比表面积比表面积是指单位质量的原料所是指单位质量的原料所具有的表面积。具有的表面积。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （3）可塑性与结合性）可塑性与结合性 物质受外力作用后发生变形而不发生裂物质受外力作用后发生变形而不发生裂纹，在外力解除后，变形的形态依然保留而纹，在外力解除后，变形的形态依然保留而不恢复原状的性能称为不恢复原状的性能称为可塑性可塑性。 原料的原料的结合性结合性是指黏土类原料与非塑性是指黏土类原料与非塑性原料结合，形成可塑性泥团并具有一定的干原料结合，形成可塑性泥团并具有一定的干燥强度的能力。燥强度的能力。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （4）干燥收缩与烧成收缩）干

34、燥收缩与烧成收缩 干燥收缩干燥收缩是指原料在干燥失水后是指原料在干燥失水后所发生的尺寸变化。所发生的尺寸变化。 烧成收缩烧成收缩是指制品经烧成后的尺是指制品经烧成后的尺寸变形。寸变形。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （5）烧结温度与烧结范围）烧结温度与烧结范围 烧结温度烧结温度是指物质在烧结时气孔率下是指物质在烧结时气孔率下降到最低值、致密度达到最大值时的温度。降到最低值、致密度达到最大值时的温度。 烧结范围烧结范围是指烧结温度和软化温度之是指烧结温度和软化温度之间的温度范围。间的温度范围。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 1.6 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

35、窑炉中使用时，耐火制品在各种不同的窑炉中使用时，长期处于高温状态下，耐火材料耐高温的长期处于高温状态下，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，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，因此耐火制品的是材料选用的主要依据，因此耐火制品的高温性质也是最重要的基本性质。高温性质也是最重要的基本性质。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （1）耐火度）耐火度 耐火材料在无荷重条件下，抵抗高温作用而耐火材料在无荷重条件下，抵抗高温作用而不熔化的性质称为不熔化的性质称为耐火度耐火度。与有固定熔点的结晶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态物质不同，耐火材料一

36、般是由多种矿物组成的多相固体混合物，没有固定的熔点。其熔融是在多相固体混合物，没有固定的熔点。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），温度时开始出现液相（即固定的开始熔融温度），继续加热温度仍然继续升高、液相量也随之增多，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液相，在这个温度范直至升至某一温度全部变为液相，在这个温度范围内，液相与固相同时存在。围内，液相与固相同时存在。 GB/T 7322-2007耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火度通常都用耐火度通常都用标准测温锥标

37、准测温锥的锥号的锥号表示。测定耐火材料耐火度试验方法的表示。测定耐火材料耐火度试验方法的要点是：将由被测耐火原料或制品制成要点是：将由被测耐火原料或制品制成的试锥与已知耐火度的标准测温锥一起的试锥与已知耐火度的标准测温锥一起置于锥台上，在规定的条件下加热并比置于锥台上，在规定的条件下加热并比较试锥与标准测温锥的弯倒情况，直到较试锥与标准测温锥的弯倒情况，直到试锥顶部弯倒接触底盘，此时与试锥弯试锥顶部弯倒接触底盘，此时与试锥弯倒的标准温锥可代表的温度即为该试锥倒的标准温锥可代表的温度即为该试锥的耐火度。的耐火度。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 图图4-1 试锥在不同阶段的熔融弯倒情况试锥在不同阶段

38、的熔融弯倒情况 1-熔融开始以前；熔融开始以前；2-在相当于耐火度的情况下；在相当于耐火度的情况下； 3-在高于耐火度的情况下在高于耐火度的情况下耐火材料工艺学耐火材料工艺学 3、耐火材料为多相混合体，其熔融是在、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，是一个工艺一定的温度范围内进行的，是一个工艺指标。指标。 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、熔点指纯物质的结晶相与液湘处于平衡时的温度；时的温度；2、熔点是一个物理常数；、熔点是一个物理常数；耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火材料达到耐火度时实际上已不具有机械耐火材料达到耐火度时实际

39、上已不具有机械强度了，因此耐火度的高与低与材料的允许使强度了，因此耐火度的高与低与材料的允许使用温度并不等同，也就是说耐火度不是材料的用温度并不等同，也就是说耐火度不是材料的使用温度上限，只有综合考虑材料的其它性能使用温度上限，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，其耐火度高达考依据。以镁砖为例，其耐火度高达2000以以上，但允许使用温度大大低于耐火度。上，但允许使用温度大大低于耐火度。 耐火度的意义：耐火度的意义：评价原料纯度和难熔程度。评价原料纯度和难熔程度。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 一些常用耐火

40、材料原料和制品的耐火度如一些常用耐火材料原料和制品的耐火度如下：下：结晶硅石结晶硅石1730173017701770高铝砖高铝砖1770177020002000硅砖硅砖1690169017301730镁砖镁砖20002000硬质粘土硬质粘土1750175017701770白云石砖白云石砖20002000粘土砖粘土砖1610161017501750耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火制品的化学矿物组成及其分布状态是影耐火制品的化学矿物组成及其分布状态是影响其耐火度的主要因素。杂质成分特别是具有响其耐火度的主要因素。杂质成分特别是具有强熔剂作用的杂质，将严重降低制品的耐火度。强熔剂作用的杂质，将严重

41、降低制品的耐火度。 同时，测定条件也将影响到耐火度的大小，同时，测定条件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（针对变价元素，如及炉内的气氛（针对变价元素，如Fe2与与Fe3之间的转变）。之间的转变）。 影响因素影响因素耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （2）高温荷重软化温度）高温荷重软化温度 耐火材料的耐火材料的高温荷重软化温度高温荷重软化温度也称为也称为高温荷重变形温度，表示材料在温度与荷高温荷重变形温度，表示材料在温度与荷重双重作用下抵抗变形的能力。重双重作用下抵抗变形的能力。 高温荷重软化温度在一定程度上能表明高

42、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，因而是耐火制品的结构强度与变形情况，因而是耐火制品的重要性能指标。重要性能指标。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 测量耐火制品荷重软化温度的方法有测量耐火制品荷重软化温度的方法有示差示差-升温法（升温法（GB/T 5989-2008）和非示）和非示差差-升温法（升温法（ YB/T 370-1995）两种。两种。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 各种耐火材料的荷重变形曲线各种耐火材料的荷重变形曲线1-高铝砖（高铝砖（Al2O370%）；）；2-硅砖；硅砖；3-镁砖；镁砖；4-粘土

43、砖粘土砖；5-半硅砖；半硅砖；6-粘土砖粘土砖 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 影响荷软的因素：影响荷软的因素：q化学矿物组成；化学矿物组成；q生产工艺；体积密度大，荷软温度较高。生产工艺；体积密度大，荷软温度较高。q测定条件；升温速率快，荷软温度较高。测定条件；升温速率快，荷软温度较高。测定荷软的意义：测定荷软的意义：可以作为材料最高的使用温度。可以作为材料最高的使用温度。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （3）高温体积稳定性）高温体积稳定性 高温体积稳定性是评价耐火材料质量高温体积稳定性是评价耐火材料质量的一项重要物理指标，的一项重要物理指标，表示耐火材料在高表示耐火材料在高温下长期使用时，其外

44、形及体积保持稳定温下长期使用时，其外形及体积保持稳定而不发生变化的性能而不发生变化的性能。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 一般而言，烧成耐火制品在高温煅烧过程中，一般而言，烧成耐火制品在高温煅烧过程中，由于各种原因制品在烧成结束时，其物理化学反由于各种原因制品在烧成结束时，其物理化学反应往往未达到平衡状态；应往往未达到平衡状态； 另一方面，制品在烧成过程中由于窑炉温度分另一方面，制品在烧成过程中由于窑炉温度分布不均等原因，不可避免地存在欠烧现象，这些布不均等原因，不可避免地存在欠烧现象，这些烧结不充分的欠烧制品中，其间的物理化学反应烧结不充分的欠烧制品中，其间的物理化学反应进行得也不充分。进行

45、得也不充分。 因此制品在使用过程中受到高温长期作用时，因此制品在使用过程中受到高温长期作用时，一些物理化学变化会继续进行并伴随有不可逆的一些物理化学变化会继续进行并伴随有不可逆的体积变化。体积变化。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 这些这些不可逆的体积变化称为残余膨胀不可逆的体积变化称为残余膨胀或残余收缩，也称重烧膨胀或收缩。或残余收缩，也称重烧膨胀或收缩。 重烧体积变化重烧体积变化的大小表征了耐火制品的大小表征了耐火制品的高温体积稳定性，对高温窑炉等热工设的高温体积稳定性，对高温窑炉等热工设备的结构及工况的稳定性具有十分重要的备的结构及工况的稳定性具有十分重要的意义。意义。 测定意义：衡量材料烧

46、结性能的好坏。测定意义：衡量材料烧结性能的好坏。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 重烧体积变化可用体积变化百分率或线变化重烧体积变化可用体积变化百分率或线变化百分率表示：百分率表示：式中：式中：V，V0 分别表示重烧前后试样的体积；分别表示重烧前后试样的体积； L，L0 分别表示重烧前后试样的长度。分别表示重烧前后试样的长度。 %1000VVVV%1000LLLL耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （4）热震稳定性）热震稳定性 耐火材料抵抗温度急剧变化而不被破坏耐火材料抵抗温度急剧变化而不被破坏的性能称为的性能称为热震稳定性或抗热冲击性能。热震稳定性或抗热冲击性能。 高温窑炉等热工设备在运行过程中，高温

47、窑炉等热工设备在运行过程中，其运行温度常常发生变化甚至剧烈的波动。其运行温度常常发生变化甚至剧烈的波动。这种温度的急剧变化常常会导致耐火材料这种温度的急剧变化常常会导致耐火材料产生裂纹、剥落、崩裂等结构性的破坏，产生裂纹、剥落、崩裂等结构性的破坏，而影响热工设备操作的稳定性、安全性和而影响热工设备操作的稳定性、安全性和生产的连续性。生产的连续性。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 一般而言，耐火制品在温度变化时会一般而言，耐火制品在温度变化时会产生体积膨胀或收缩。当这种膨胀和收缩产生体积膨胀或收缩。当这种膨胀和收缩受到约束时，材料内部就会产生应力，这受到约束时，材料内部就会产生应力，这种应力称之为

48、种应力称之为热应力热应力。当材料内部由于温。当材料内部由于温度变化而产生的热应力超过制品的强度时，度变化而产生的热应力超过制品的强度时，制品将会产生开裂、崩落或断裂。制品将会产生开裂、崩落或断裂。 另一个方面，不同矿相之间热膨胀性的另一个方面，不同矿相之间热膨胀性的差异，产生的应力。差异，产生的应力。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 产生热应力的因素：材料的热膨胀系数、产生热应力的因素：材料的热膨胀系数、材料的导热系数、缓冲热应力的因素（弹材料的导热系数、缓冲热应力的因素（弹性模量的大小）。性模量的大小）。 耐火材料的热震稳定性与其热膨胀率耐火材料的热震稳定性与其热膨胀率（小）、导热率（大）以及弹

49、性模量（小）（小）、导热率（大）以及弹性模量（小）密切相关，也与制品的宏观、微观组织结密切相关，也与制品的宏观、微观组织结构，外形结构及尺寸有关。构，外形结构及尺寸有关。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火材料热震稳定性试验后的电镜图片耐火材料热震稳定性试验后的电镜图片耐火材料工艺学耐火材料工艺学 热应力可由下式计算：热应力可由下式计算：1TEQ式中：式中： Q 热应力；热应力； E 弹性模量；弹性模量； 热膨胀系数；热膨胀系数； T 材料的初始温度与表面温度之差；材料的初始温度与表面温度之差； 泊松比。泊松比。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 上式表明，材料内部的热应力与材上式表明，材料内部的热

50、应力与材料的弹性模量、热膨胀系数以及温度料的弹性模量、热膨胀系数以及温度差成正比。差成正比。当热应力达到材料的强度当热应力达到材料的强度极限时也就是材料的强度不足以抵抗极限时也就是材料的强度不足以抵抗热应力时，制品就会产生破坏。热应力时，制品就会产生破坏。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 导热率高的制品，材料中温度分布导热率高的制品，材料中温度分布易于均匀，其表层与内部的温度差（温易于均匀，其表层与内部的温度差（温度梯度）就小，因而产生的热应力相对度梯度）就小，因而产生的热应力相对较小；反之，导热率低的材料，其中的较小；反之，导热率低的材料，其中的温度分布难以均匀，材料中的温度梯度温度分布难以均

51、匀，材料中的温度梯度大，由此而产生的热应力也大。因此大，由此而产生的热应力也大。因此导导热系数高的材料，其热震稳定性也相对热系数高的材料，其热震稳定性也相对较高较高。 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 材料因热震破坏的情况可以分为两大类：材料因热震破坏的情况可以分为两大类： 一类是材料发生瞬时断裂；对这类破坏的抵一类是材料发生瞬时断裂；对这类破坏的抵抗称之为抗热震断裂性能。抗称之为抗热震断裂性能。 另一类是在热冲击循环作用下，材料表面发另一类是在热冲击循环作用下，材料表面发生开裂、剥落，并不断发展，以致最终破裂或生开裂、剥落，并不断发展，以致最终破裂或变质而破坏；对于这类破坏的抵抗称为抗热震变质而

52、破坏；对于这类破坏的抵抗称为抗热震损伤性能。损伤性能。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 由于抗热震稳定性问题的复杂性（除了弹性由于抗热震稳定性问题的复杂性（除了弹性模量因素影响以外还有材料的强度、模量因素影响以外还有材料的强度、膨胀系数、膨胀系数、热导率热导率、形状和尺寸等），至今还未能建立一个、形状和尺寸等），至今还未能建立一个十分完善的理论，因此任何试图改进材料抗热震十分完善的理论，因此任何试图改进材料抗热震性能的措施，都必须结合具体的使用条件和要求，性能的措施，都必须结合具体的使用条件和要求，综合各种因素的影响，同时必须和实际经验相结综合各种因素的影响，同时必须和实际经验相结合。合。 目前人

53、们所认可的是：材料的膨胀系数越小，目前人们所认可的是：材料的膨胀系数越小，热导率越大，其抗热震稳定性能越好。热导率越大，其抗热震稳定性能越好。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 热震稳定性的试验方法：热震稳定性的试验方法：风风 冷（冷（1000 ，30分钟，风冷，重复）分钟，风冷，重复） 水水 冷（冷（1100，20分钟，水冷，自然干燥，重复）分钟，水冷，自然干燥，重复）评价：评价： 试样被破坏的程度试样被破坏的程度 试样强度的保持率试样强度的保持率YB/T 376.2-1995YB/T 376.1-1995耐火材料工艺学耐火材料工艺学 0204060801001200.5123469硅微粉含量(%

54、)强度保持率(%)系列1热震试验后强度变化热震试验后强度变化 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 此外，耐火制品的宏、微观组织结构对制此外，耐火制品的宏、微观组织结构对制品的热震稳定性也有一定影响。当耐火制品内品的热震稳定性也有一定影响。当耐火制品内部存在某些细微缺陷，如微气孔、微裂纹等，部存在某些细微缺陷，如微气孔、微裂纹等，有利于延缓或终止裂纹的扩展。采取一定的工有利于延缓或终止裂纹的扩展。采取一定的工艺措施使制品内部产生艺措施使制品内部产生微裂纹微裂纹而达到而达到阻止裂纹阻止裂纹扩展扩展的目的，是目前普遍采用的提高制品热震的目的，是目前普遍采用的提高制品热震稳定性有效措施之一。稳定性有效措施之

55、一。 耐火制品外形结构及尺寸设计的不合理，耐火制品外形结构及尺寸设计的不合理，会导致制品局部应力集中而产生破坏。会导致制品局部应力集中而产生破坏。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 （5）含碳耐火材料的抗氧化性）含碳耐火材料的抗氧化性 含碳耐火材料在氧化性气氛中，其中的碳素含碳耐火材料在氧化性气氛中，其中的碳素材料会同空气中的氧气发生发应。材料会同空气中的氧气发生发应。对于含抗氧化剂的含碳耐火材料：对于含抗氧化剂的含碳耐火材料： 试样：试样：502mm的立方体或直径与高为的立方体或直径与高为50 2mm的圆柱体；的圆柱体； 温度：温度：1400（升温速度为从室温到（升温速度为从室温到1000 为为8

56、10 min-1 ，从，从10001400 为为45 min-1），保温），保温2小时，固定流量（小时，固定流量（4L min-1）向炉内通空气；向炉内通空气； 耐火材料工艺学耐火材料工艺学 式中式中, L：脱碳层厚度，：脱碳层厚度，mm ：自试样一个切面四边测量的脱碳层：自试样一个切面四边测量的脱碳层厚度，厚度，mm ：自试样另一个切面四边测量的脱碳：自试样另一个切面四边测量的脱碳层厚度，层厚度，mm8)()(43214321llllllllL41 ll41 ll评价：切开试样，测量脱碳层厚度。评价：切开试样，测量脱碳层厚度。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 抗氧化性试验后，试样截面图抗氧化性试

57、验后，试样截面图耐火材料工艺学耐火材料工艺学 对于不含抗氧化剂的含碳耐火材料：对于不含抗氧化剂的含碳耐火材料： 将边长为将边长为50mm50mm的试样首先进行碳化，测定残的试样首先进行碳化，测定残存碳含量，称量碳化后的质量。然后置于炉内，存碳含量，称量碳化后的质量。然后置于炉内，在氧化气氛中以在氧化气氛中以810 min-1速度升温至速度升温至1000 1000 ，在该温度下保温，在该温度下保温5h5h。冷却至室温后，称量。冷却至室温后，称量氧化后的质量。利用所测数据，得到其失碳率。氧化后的质量。利用所测数据，得到其失碳率。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀的性能称为耐

58、火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀的性能称为抗抗渣蚀性能。渣蚀性能。 腐蚀性介质通常称之为腐蚀性介质通常称之为“熔渣熔渣”。所谓。所谓“熔熔渣渣”，包括高温下与耐火材料接触的各种固态、，包括高温下与耐火材料接触的各种固态、液态物料（如水泥熟料、石灰、熔融金属、玻璃液态物料（如水泥熟料、石灰、熔融金属、玻璃液等）、冶金炉渣、燃料灰分、飞灰以及各种气液等）、冶金炉渣、燃料灰分、飞灰以及各种气态物质等。高温环境下，熔渣物质与耐火材料相态物质等。高温环境下，熔渣物质与耐火材料相接触，并与之发生复杂的物理化学反应，导致耐接触，并与之发生复杂的物理化学反应，导致耐火材料的侵蚀损毁。火材料的侵蚀损毁。（6 6）抗渣

59、蚀性能）抗渣蚀性能GB/T 8931-2007耐火材料工艺学耐火材料工艺学 钢水及熔渣对耐火材料的侵蚀钢水及熔渣对耐火材料的侵蚀耐火材料工艺学耐火材料工艺学 熔渣侵蚀是耐火材料使用过程中最主要的一熔渣侵蚀是耐火材料使用过程中最主要的一种损毁形式，耐火材料在熔渣中的溶蚀损毁一种损毁形式，耐火材料在熔渣中的溶蚀损毁一般可分为以下几种情况：般可分为以下几种情况： 单纯溶蚀：单纯溶蚀：耐火材料与熔渣不发生化学反耐火材料与熔渣不发生化学反应的应的物理溶解作用物理溶解作用所造成的耐火材料的损毁。所造成的耐火材料的损毁。如碳素材料向钢铁溶液中的溶解即属于单纯溶如碳素材料向钢铁溶液中的溶解即属于单纯溶蚀作用。

60、蚀作用。 反应溶蚀：反应溶蚀：耐火材料与熔渣物质在其接触耐火材料与熔渣物质在其接触界面处界面处发生化学反应发生化学反应，生成低熔点的化合物，生成低熔点的化合物，导致耐火材料工作面的溶蚀损毁。导致耐火材料工作面的溶蚀损毁。耐火材料工艺学耐火材料工艺学 渗透、侵入变质溶蚀：渗透、侵入变质溶蚀：熔渣类物质通过耐火熔渣类物质通过耐火材料的气孔或通过液相、固相材料的气孔或通过液相、固相扩散扩散，渗入渗入耐火耐火材料基体中与耐火材料的基质和结晶相发生反材料基体中与耐火材料的基质和结晶相发生反应，使耐火制品的组织结构发生质变而造成耐应，使耐火制品的组织结构发生质变而造成耐火材料的溶蚀损毁。火材料的溶蚀损毁。