耐火材料的组成与性质

1、0罠協艸肝学耐火材料生产技术无机非金属材料教研室洛阳理工学院材料科学与工程系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。0罠協艸肝学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。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。i C0罠協艸肝学0罠協艸肝学一、耐火材料的定义传统的定义：耐火度不小于1580°C的无机非金属材料；ISO的定义：耐火度不小于

2、1500°C的非金属材料及制品；（耐火度-指材料在高温无荷重条件下，不熔融软化 的性能）耐火材料大部分是以天然矿石为原料制成，但目前 采用某些工业原料和人工合成原料制造的耐火材料也日 益增多。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 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 态分类法等多种方法。0罠協艸肝学1770 °C2000 °C1、根据耐火度的高低分: 普通耐火材料：1580 °C - 高级耐火材料：1770°C 特

3、级耐火材料：2000 °C2. 依据制品形状及尺寸的不同分:标准型:230mm x 113mm x 65mII不多于4个量尺，（尺寸比）Max: Min<4: 1;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;特殊制品：堆堀、器皿、管等。0罠協艸刃垮3、从制品外观来分： 砖制品：烧成砖、不烧砖； 散状制品：不定形耐火材料;0罠協艸肝学4. 按制品化学属性分类:按化学属性分类对于了解耐火材料的化学性质，判断耐火材

4、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。耐火材料按化学属性大致可分为酸性耐火材料.性耐火材料.碱性耐火材料。0罠協艸肝学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。0罠協艸肝学(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。珪履耐火材料中游离二氧化硅含量很高(大于94%)，是酸 性最强的耐火材料；蹇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。也有将错英石质耐火材料和碳 化硅质耐火材料归入酸

5、性耐火材料的，因为此类材料中含有 较高的Si。?或在高温状态下能形成Si。?。(2)中性耐火材料中性耐火材料按严格意义讲是指或质耐火材料。但通常也将以三价氧化物为主体的高铝质.刚玉质.错刚 玉质.箔质耐火材料归入中性耐火材料(两性氧化物如A12O3. eg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O(3 )碱性耐火材料一般是指以MgO. CaO或以MgOCaO为主要成分 的耐火材料(镁质、石灰质、镁洛质、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0罠協

6、艸肝学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。0罠協艸肝学(1) 硅质耐火材料含SiO?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SiOg含量一般不低于93%,主要矿物组成 为磷石英和方石英。0罠協艸肝学(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含量曲7%,主要矿物为方镁石；镁铝质制品：含MgO>75%, A12O3含量一般为7-8%, 主要矿物

7、成分为方镁石和镁铝尖晶石(MgAJOj ；镁珞质制品：含MgO>60% , O2O3含量一般在20%以 下，主要矿物成分为方镁石和珞尖晶石；镁橄榄石质及镁硅质制品：此种镁质材料中除含有主成分MgO外，第二化学成分为Si。?。镁石砖 比镁硅砖含有更多的Si。?，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；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)。0罠協艸肝学(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-

8、42%的MgO和40-60%的CaO,二者之和一般应大于90% o主要矿物成分为：方镁石和方钙石(氧化钙)。0罠協艸肝学(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。(5 )含错耐火材料含祐耐火材料是指以氧化错(ZrO2).错英石等 含错材料为原料生产的耐火材料O含错耐火材料制品通常包括错英石制品、错莫来 石制品、错刚玉制品等。(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、氧化错制品、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、 硼化错、硼化钛、塞伦(Si

9、alon)、阿伦(Alon)制品等；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;0罠協艸肝学三. 耐火材料的发展历史悠久5000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，石墨粘土堆锅投入使用。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;中国耐火材料工业的现状与发展1）计划经济时代-中国耐火材料由33家重点企业扶持;2）改革开放以后，随着钢铁工业的迅速发展，耐火材料行业快速发展起来;2004年统计，全国有1136家耐火材料生产企业2005年统计，全国有1359家耐火材料生产企业2006年统计，全国有

10、1505家耐火材料生产企业0罠協艸肝学50403020100年份连铸比的提高和冶炼技术的进步导致吨钢耐火材料消耗（X公斤耐火材料/吨钢）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。0罠協艸肝学3）存在的问题和今后的发展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；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，还要求对钢水无污染;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；应注意可持续发展战略。如：矿山的管理、

11、耐火材 料的回收利用.环境友好耐火材料的使用。学习这门课程要了解和掌握的一些内容: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;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;这门课程要求严格哟！平时成绩20%出勤、作业.测试期末考试成绩80 %0罠協艸肝学0罠協艸肝学第章耐火材料的组成与性质0罠協艸肝学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；正确合理选用耐火材料也是以其性质作为主要依据。0罠協艸肝学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；苏联：TOCT 日本

12、：JIS (Japanese Industrial Standards )英国:BSI (British Standards Institution )美国：ASTM (American Society of Testing Materials )中国：GB （始于1959年，重标ZB=>冶标YB=>标 GB )1.1前言耐火材料是耐火度不低于1580 °C的无机非金属材it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耐火度,它表示耐火材料的基本性能O0罠協艸肝学1.2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

13、: 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。耐火材料的性质主要包括化学矿物组成、组织结构、力学性质、热学性质及高温使用性质等。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 择结构材料的重要依据。0罠協艸肝学1.3耐火材料的化学矿物组成(1)化学组成化学组成是耐火材料最基本的特性，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、力学性能等的重要基础。通常将耐火材料的化学组成按各个

14、成分含量的多少及作用分为以下几类: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 并构成耐火基体的成分。一般为氧化物、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酸性耐火材 料、中性耐火材料和碱性耐火材料。0罠協艸肝学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。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，故也称之为熔剂。即杂质成分对耐火基体起一定的熔剂作用，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。注:杂质的熔剂作用只是相对的，这种

15、作用取决于基 体的性质和杂质的组成和比例。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,引入添力口成分的物质称为添加剂。作用是促进耐火制品在生产中的高温变化和降低烧结温度等。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（烧结剂）等。0罠谯训枚却拿耐火材料化学组成的分析方法专门标准规定。较新方法：比色法、有机试剂（络合物）滴定法、 火焰光度法、光谱分析法、X射线荧光分析法等0罠協艸肝学(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

16、玻璃相，其中结晶相又0罠協艸肝学0罠協艸肝学分为主晶相和次晶相。主晶桓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O次晶相又称第二固相,是在高温下与主晶相共存的笫二晶相。如镁珞砖中与方镁石并存的珞尖晶石，镁铝砖冲的镁铝尖晶石，镁钙砖中的硅酸二钙，镁硅砖中的镁 橄榄石等。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。填充于主晶相之间的不同成分的结晶矿物（次晶相）和玻璃相统称为基贞1,也称为结合木基质的熔点一般较低，其组成和形态对耐火制品的高

17、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成分是改善制品 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。0罠協艸肝学1.4耐火材料的显微结构耐火材料是由固相（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。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。0罠協艸肝学耐火材料主晶相与基质的结合形态有两种:陶瓷结合（硅酸盐结合）与直接结合。图"硅酸盐结合与直接结合显微结构示意图陶瓷结合又称为硅酸盐结合，其结构特征是砒火 制品主晶相之间由低熔点的硅酸盐非晶质和晶质联结

18、 在一起而形成结合（图1-la），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。0罠協曲肝学0罠協曲肝学0罠協曲肝学CaO (wt%)36.0851.3052.17耐火材料中陶瓷结合示意图MgO SiO2A 24.83 39.09B 11.70 37.00C 11.54 36.290罠協艸肝学0罠協艸肝学直接结合是指耐火制品中,高熔点的主晶相之间0罠協艸肝学0罠協艸肝学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髙的高温力学性能,与材质相近的硅酸盐

19、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。一种致密氧化铝材料图示Fig. 8.16 Microstructure of an incompletely fired AI2O3-呂wphite relractory. Large fused alumina grains (A) are bonded to grey edge-on graphite Hakes (J) by a dark carbon bond. Light antioxidant Si metal grains are clearly visible (courtesy of J. Penn, M

20、 o rga n Mat roc Ltd, Stourport, UK).0罠協艸肝学1-5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 宏观关系（它们的数量、分布等）构成了耐火材料的宏观组织结构。制品的宏观组织结构特征是影响其高温使用性质的主要因素。（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孑b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。Open pores I Closed poresNonperielraliirig耐火材料中气孔的类型0罠協艸肝学耐

21、火材料中存在的气孔?材料中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）;2）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。0罠協艸肝学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:P 二±xlOO%°岭式中：F厂为显气孔率;Vr为制品中开口气孔的体积;匕厂为制品的总体积，即试样外表面围成的体积，亦称表观体积。如何测量显气孔率：干重W；饱和重w?；悬浮重W3；悬浮金属丝重量Ww ; Po显气孔率P。二气孔率=显气孔率+闭口气孔率(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

22、比。吸水率实质上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。0罠協艸肝学(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/cnP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O式中：£力为体积密度，g/cnP;G为试样质量，g;匕为试样表观体积，cm3 如何测量体积密度：干重W1；饱和重W2；悬浮 iw3;悬浮金属丝重量Ww ； D体积密度Pw浸渍液体的比重“2（M%）0罠協艸肝学(4) 真密度与真比重耐火

23、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/cnP来表示。式中：0为真密度，g/cnPG为试样质量，gW为试样真体积，cm3真比重的概念:单位体积耐火材料的重量与4 C单位体积水的重量之比值o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釆用浸液称量法测定。0罠協艸肝学（5）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。式中：为气体透过的数量（升）；Z为试样的厚度（米）；为试样的横截面积（平方米）；厂为气体透过时间（小时）;匚叱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）气孔率和体积密

24、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。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。透气度与耐火制品的气孔的构造和状态有关，并随 耐火制品成型时的加压方向而异。它和气孔率既有一定 关系，又无规律性。0罠康利仪知学作业1 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分别是什么？它们对耐火制品的性质有何影响？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影响。4.耐火材料的显微组织

25、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？这些指标之间有何联系？0罠協艸肝学1.6耐火材料的热学性质和导电性质(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。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。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。体积膨胀系数：o1,1r詁c线膨胀系数：i/刃、 si站c膨胀系数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1°C,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

26、耐材热震稳定性能等。0罠協艸肝学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。AV =(Vz-Vo)xlOO(厶-Lo)xlOOL。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 行结构设计的重要参数。o頁净皿騎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:A键强高的材料具有低的热膨胀系数（SiC）;A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）;A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

27、应的变化（鳞石英、方石英）。（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2表示:dx式中：2 导热率（W/mK）;XQ M时间沿兀轴方向穿过AF截面上的热量（W/m2 ）; 空一沿工轴方向的温度梯度（K/m）。dx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。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。晶体中的各种缺陷、杂质以及晶粒界面都会引起 晶格波的散射，也等效于声子平均自由程的减小，从 而降低热导率。0罠協艸肝学（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

28、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°C所需要的热量不同。工程上用在常压下加热1公斤物质使 之升温1°C所需要的热量（以KJ计）来表示和衡量这一性质, 称为热容（又称比热容）。工程上所用的平均热容是指从温度Ti到丁2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。耐火材料的热容取决于它的化学矿物组成和所处 的温度。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测定方法:多采用量热计法。(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

29、将材料加热至熔融状态，则会呈现较强的导电能力。某些耐火材料具有导电性，如含碳耐火制品具有导电性，而二氧化错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。o頁净皿騎1.7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度等物理指标，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。o頁净皿騎(1)耐压强度耐火材料的耐压强度包括常温耐压强度和高温耐压强度,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/毫米2 (或MPa)表示。可按下式计算:式中：

30、口一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;A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 动。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 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度则反映了耐火材料在高温下 结合状态的变化。特别是力口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。0罠協艸肝学(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

31、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。3 FlR匕丽式中：/?抗折强度，N/mm2 (MPa);F试样断裂时所施加的最大载荷，N;Z试样底面两支撑点之间的距离,mm;b 一上刀口部位试样的宽度，mm;d一上刀口部位试样的厚度(高度)mm。(3)高温蠕变性能蠕变：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 增加，甚至会使材料破坏的现象。耐火材料的高温蠕变性能是指在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。根据施加荷重形式的不同可分为高温压缩蠕

32、变、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。我国通常采用压缩蠕变。高温压缩蠕变的表示方法一般以某一恒定温度（°C ）和 荷重（MPa）条件下，制品的变形量（）与时间（h）的 关系曲线即蠕变曲线来表示（后页图所示），也可用某一时 段内（如2550小时）制品的变形量（）来表示。典型高温压缩蠕变过程：第一阶段（1次蠕变，或称初期蠕变或减速蠕变） 曲线斜率越来越小，曲线越来越平缓，较短暂。第二阶段（2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。第三阶段（3次蠕变，或加速蠕变）应变速率迅速增加直至材料断裂。0罠

33、協艸肝学材料不同或材料测试或使用的具体条件不同,其同温蠕变曲线也不尽相同。影响高温蠕变的因素： 使用条件，如温度、荷重、时间、气氛性质等; 材质，如化学组成和矿物组成； 制品的显微组织结构。测定耐材高温蠕变意义：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 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。（4）弹性模量材料在其弹性范围内（即符合虎克定律的弹性体）， 在荷载b （应力）的作用下，产生变形£ （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 的比值称为弹性模量，也称杨氏模量。它表示材料抵抗变 形的

34、能力，可用下式表示：CF式中：弹性模量；G一材料所受应力；£ = 材料相对长度变化。作业1.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?2.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？0罠康利仪知学1.8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，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。0罠協艸肝学(1)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 质称为耐火度。与有固定熔点的结聶态物质不同，耐火材料一般是由多种矿物组成的多

35、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，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。耐火度与熔点的区别: 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;3>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。（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使用温度上限，只有综合考

36、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。以镁砖为例，其耐火度高it2000°C以上，但允许使用温度大 大低于耐火度。耐火度的意义：评价原料纯度和难熔程度。0罠協艸肝学影响因素 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强熔剂作用的杂质，将严重降低制品的耐火度。 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、升温的速率及炉内的气氛（针对变价 元素，如Fe?*与Fe3 +之间的转变）。(2)高温荷重软化温度耐火材料的高温荷重软化温度也称为高温荷重变形温度, 表示材料在温度与荷重双重作用下抵抗变形的能力，即指

37、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 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。耐火制品的荷重软化温度取决于制品的化学矿物组成、组织结构、显微结构、液相的性质、结晶相与液相的比例及相 互作用等。耐火制品荷重软化温度的测定：一般是在02MPa的固定载荷下，以一定的升温速度均匀 加热，测定试样(C 36 x 50mm直圆柱体)压缩0.6%、4%、 40%时的温度。试样压缩0.6%时的变形温度即为试样的荷重软化开始温 度，即通常所说的荷重软化点。试样压缩4 % (2mm) -变形温

38、度；试样压缩40 % (20mm) -溃裂点；各种耐火材料的荷重变形曲线L高铝砖（AJCO%） ; 2硅砖；3-镁砖;4粘土砖I ; 5半硅砖；6粘土砖II影响荷软的因素：化学矿物组成。晶相构造和性状、晶相与液相的比例和相 互作用、液相粘度等。生产工艺。制品烧成温度和气孔率等。原料纯度、杂质成分的性质和含量。测定条件。升温速率快，荷软温度较高。测定荷软的意义:可以作为材料最高的使用温度。(3)高温体积稳定性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，表示耐火材料在高温下长期使用时，其外形及体积保 持稳定而不发生变化的性能。0罠協艸肝学一般而言，烧成耐火制品在高温谶烧过程中，由于各种

39、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；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。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体积变化。0罠協艸肝学这些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。重烧体积变化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备的结构及工况的稳定性具有十分重要的意义。测定意义：衡量材料烧结性能的好坏。0罠協艸肝学重烧体积变化可用体积变化百分率或线变化百分率表示:AV =V-VoxlOO

40、%L-LAL = x 100%L式中：匕 叫一分别表示重烧前后试样的体积;L,乙一分别表示重烧前后试样的长度。一般材料的重烧都是收缩的，为什么在砌筑 窑炉等热工设备时还要留膨胀缝？0罠協艸肝学(4)热震稳定性耐火材料抵抗温度急剧变化而不被破坏的性能称为热震 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，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、安全性和生产的连续性。0罠協艸肝学产生热应力的因素：材料的热膨胀系数.材料的导热 系数.缓冲热应力的因素（弹性模量的大小）。耐火材料的热震稳定性与其

41、热膨胀率（小）.导热率 （大）以及弹性模量（小）密切相关，也与制品的宏观、 微观组织结构，外形结构及尺寸有关。一般而言，耐火制品在温度变化时会产生体积膨胀或 收缩。当这种膨胀和收缩受到约束时，材料内部就会产生 应力，这种应力称之为热应力。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，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差异，产生的 应力。耐火材料热震稳定性试验后的电镜图片热应力可由下式计算:Exax AT1一式中：0热应力；E弹性模量;理一热膨胀系数;力卩一材料的初始温度与表面温度之差;“ 一泊松比（在材料的比例极限内，由均匀分布的 纵向应另所引起的横向

42、应变与相应的纵向应变之比的绝对 值）。0罠協艸肝学上式表明，材料内部的热应力与材料的弹性模量、热 膨胀系数以及温度差成正比。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热应力时，制品就会产 生破坏。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，其中的温度分布难以均 匀，材料中的温度梯度大，由此而产生的热应力也大。因 此导热系数高的材料，其热震稳定性也相对较高。0罠協艸肝学弹性模量对热震稳定性的影响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；对这类破坏的抵抗称之为抗 热震断裂性能。人们

43、从热弹性力学的观点出发，以强度-应力为判据， 认为材料中的热应力达到抗张强度极限后，材料就产生开 裂，而一旦有裂纹产生就会导致材料完全破坏。所导出的 结果对于一般的玻璃、瓷器和电子陶瓷等都能较好的适应, 但是对于一些含有微孔的材料和非均质的金属陶瓷等都不 适合。根据这种观点，材料抗热震损伤的能力和其弹性模 量呈反比的关系。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，以致最终破裂或变质而破坏；对于这类 破坏的抵抗称为抗热震损伤性能；人们从断裂力学观点出发以应变能-断裂能为判据进行 分析。根据这种观点，材料抗热震的能力同其弹性模量呈正比 的关系。0罠協艸肝学由于抗热震稳定性问

44、题的复杂性（除了弹性模量因素影响以外还有材料的强度、膨胀系数.热导率.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合。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。0罠協艸肝学热震稳定性的试验方法:风冷（1000 °C, 30分钟，风冷，重复）水冷（1100°C, 20分钟，水冷，自然干燥，重复）评价：试样被破坏的程度试样强度的保持率120Q 1丄丄丄0.5123469-系列1|硅微粉含量(%)热震试验后强度变化0罠協艸肝

45、学此外，耐火制品的宏、微观组织结构对制品的热震无急定 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，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微裂纹而达到阻止裂纹扩 展的目的，是目前普遍采用的提高制品热震稳定性有效措 施之一。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。0罠協艸肝学(5 )含碳耐火材料的抗氧化性含碳耐火材料在氧化性气氛中，其中的碳素材料会同空 气中的氧气发生发应。试样：50 ± 2mm的立方体或直径与高为50 ± 2mm的圆柱体;温度：1400°C,保温3小时，固定流量向炉内通

46、空气;评价：切开试样，测量脱碳层厚度。也可由双方协商测量方法。0罠協艸肝学抗氧化性试样试样：50 x 50 x 50 mmo将试验置于炉内, 在氧化气氛中加热至1400°C并保温2小时，冷却至室温后切 成两半，测量其脱碳层厚度。按下式计算脱碳层厚度：L _ （厶 + <2 + 厶 +，4）+ （人 + <2 + 3 +，4） 8式中，L:脱碳层厚度，mm1仃：自试样一个切面四边测量的脱碳层厚度，mm/4:自试样另一个切面四边测量的脱碳层厚度，mm0罠協艸肝学0罠協艸肝学抗氧化性试验后，试样截面图Thickness of decarburizatio61 61 630罠協艸肝学对于不含抗氧化剂的含碳耐火材料先碳化再氧化，利用测得的数值来进行计算，得到其失碳率。0罠協艸肝学(6)抗渣蚀性能耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀的性能称为抗渣蚀性腐蚀性介质通常称之为“熔渣"。所谓“熔渣”,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、玻璃液等)、冶