耐火材料及燃烧概论2

1、2.1.12.1.1气孔率气孔率(porosity)(porosity) (1) (1) 气孔率的定义气孔率的定义 气孔率是指耐火材料所含气气孔率是指耐火材料所含气孔的体积占耐火材料总体积的百分孔的体积占耐火材料总体积的百分比。耐火材料中的气孔依照透气性比。耐火材料中的气孔依照透气性原理可以分为：原理可以分为：(1) (1) 闭口气孔，封闭口气孔，封闭在材料中与外界不相通，不能为闭在材料中与外界不相通，不能为流体所填充流体所填充( (见图见图2-1)2-1)；(2) (2) 开口开口气孔，一端封闭而另一端与外界相气孔，一端封闭而另一端与外界相通，能为流体所填充；通，能为流体所填充；(3) (3

2、) 贯通气贯通气孔，贯通材料的两面，能为流体所孔，贯通材料的两面，能为流体所通过。通常将开口气孔和贯通气孔通过。通常将开口气孔和贯通气孔统称为开口气孔。统称为开口气孔。 图图2-1 2-1 耐火材料中气孔类型耐火材料中气孔类型 耐火材料的气孔率，通常有三种表示方法，即耐火材料的气孔率，通常有三种表示方法，即 (1) (1) 开口气孔率开口气孔率P Pa a( (也称显气孔率，也称显气孔率，apparent porosity)apparent porosity)，即耐火材，即耐火材料中开口气孔料中开口气孔(open pore(open pore，包含贯通气孔，包含贯通气孔) )的体积占耐火材料总

3、体积之百的体积占耐火材料总体积之百分比；分比； (2) (2) 闭口气孔率闭口气孔率P Pc c(closed porosity)(closed porosity)，即封闭气孔的体积占耐火材，即封闭气孔的体积占耐火材料总体积的百分比；料总体积的百分比； (3) (3) 总气孔率总气孔率P Pt t ( (亦称为真气孔率，亦称为真气孔率，total porosity)total porosity)，是总气孔体，是总气孔体积占耐火材料总体积的百分比。以上三种气孔率用数学式表示为：积占耐火材料总体积的百分比。以上三种气孔率用数学式表示为： 总气孔率总气孔率 (2-1) (2-1) 开口气孔率开口气孔

4、率 (2-2) (2-2) 闭口气孔率闭口气孔率 (2-3)(2-3)%100VVV)P(bcot%100)(boaVVP%100)(bccVVP(2) (2) 气孔率的表示方法气孔率的表示方法 图图2-2 2-2 耐火材料性质和气孔率的关系耐火材料性质和气孔率的关系1-1-抗热震性；抗热震性；2-2-线膨胀系数；线膨胀系数；3-3-体积密度；体积密度；4-4-热导率；热导率； 5-5-耐压强度耐压强度 catPPP三种气孔率间关系为：三种气孔率间关系为：(2-4)(2-4) 耐火材料开口气孔率的测定原理是根据阿基米德定律采用排水法测耐火材料开口气孔率的测定原理是根据阿基米德定律采用排水法测定

5、。致密耐火材料开口气孔率的测定方法是，首先称量试样干燥质量，定。致密耐火材料开口气孔率的测定方法是，首先称量试样干燥质量，然后将试样放置于液体抽真空，使液体充分饱和试样，称量试样在空气然后将试样放置于液体抽真空，使液体充分饱和试样，称量试样在空气中的质量中的质量( (称为饱和质量称为饱和质量) )和试样的表观质量和试样的表观质量( (指饱和试样完全浸没在液体指饱和试样完全浸没在液体中时，试样的饱和质量与其排除液体质量之差中时，试样的饱和质量与其排除液体质量之差) )。开口气孔率的计算关系。开口气孔率的计算关系式如下：式如下： 开口气孔率开口气孔率 (2-5)(2-5)(3) (3) 气孔率的测

6、定方法气孔率的测定方法%1002313mmmmPa 式中式中 P Pa a耐火材料的显气孔率，耐火材料的显气孔率，% %； m m1 1干燥试样的质量，干燥试样的质量，g g； m m2 2饱和试样的表观质量，饱和试样的表观质量，g g； m m3 3饱和试样在空气中的质量，饱和试样在空气中的质量，g g。 (1) (1) 密度的定义密度的定义 密度是指材料的质量与其体积之比，通常以密度是指材料的质量与其体积之比，通常以g/cmg/cm3 3来表示。当计量来表示。当计量的体积所包含的气孔类型不同时，可将密度分为体积密度的体积所包含的气孔类型不同时，可将密度分为体积密度(bulk (bulk d

7、ensitydensity，缩写为，缩写为D Db b) )、表观密度、表观密度(apparent density(apparent density，缩写为，缩写为D Da a) )和真和真密度密度(true density(true density，缩写为，缩写为d dt t) )三种。三种。 (2) (2) 密度的表示方法密度的表示方法 体积密度：是指材料的质量体积密度：是指材料的质量(M)(M)与其所包含的材料的实际体积与其所包含的材料的实际体积和全部气孔体积之和的总体积和全部气孔体积之和的总体积(V(Vb b) )之比，即之比，即 2.1.2 2.1.2 密度密度(density)(d

8、ensity) ctbbVVVMVMD0(2-6)(2-6) D Db b材料的体积密度，材料的体积密度，g/cmg/cm3 3； MM试样的质量，试样的质量，g/cmg/cm3 3； V Vt t试样中材料的实际体积，试样中材料的实际体积，cmcm3 3；V Vo o试样中开口气孔的体积，试样中开口气孔的体积，cmcm3 3；V Vc c试样中闭口气孔的体积，试样中闭口气孔的体积，cmcm3 3。 真密度：是指材料的质量与其实际体积之比，即真密度：是指材料的质量与其实际体积之比，即(2-8)(2-8) ttVMD 式式(2-6)-(2-8)(2-6)-(2-8)中中 表观密度：是指材料的质量

9、与其所含材料的实际体积和闭口气表观密度：是指材料的质量与其所含材料的实际体积和闭口气孔体积之和之比，即孔体积之和之比，即 (2-7)(2-7) ctbaVVMVMD (3) (3) 密度的测定方法密度的测定方法 体积密度：致密耐火材料体积密度的测量方法，与开口气孔率体积密度：致密耐火材料体积密度的测量方法，与开口气孔率的测量方法相似。中国标准的测量方法相似。中国标准(GB/T2997-1982)(GB/T2997-1982)和国际标准和国际标准(ISO5017)(ISO5017)的的规定，体积密度的计算方法如下：规定，体积密度的计算方法如下： 2311mmDmDb(2-9)(2-9) 式中式中

10、 D Db b试样的体积密度，试样的体积密度，g/cmg/cm3 3； m m1 1干燥试样的质量，干燥试样的质量，g g； m m2 2饱和试样的表观质量，饱和试样的表观质量，g g； m m3 3饱和试样在空气的质量，饱和试样在空气的质量，g g； D D1 1试验温度下浸渍液体的密度，试验温度下浸渍液体的密度，g g。(2-10)(2-10) 真密度：根据中国标准真密度：根据中国标准(GB/T5071-1997) (GB/T5071-1997) 和国际标准和国际标准(ISO5018)(ISO5018)的规定，对于耐火材料的真密度，把材料破碎、磨细到颗的规定，对于耐火材料的真密度，把材料破

11、碎、磨细到颗粒内尽可能没有闭口气孔的程度后，用测量试样干燥质量和真实体粒内尽可能没有闭口气孔的程度后，用测量试样干燥质量和真实体积来测定真密度。其计算式如下：积来测定真密度。其计算式如下：23111mmmDmDt式中式中 D Dt t试样的真密度，试样的真密度，g/cmg/cm3 3； m m1 1干燥试样的质量，干燥试样的质量，g g； m m2 2装有试样和选用液体的比重瓶的质量，装有试样和选用液体的比重瓶的质量，g g； m m3 3装有选用液体的比重瓶的质量，装有选用液体的比重瓶的质量，g g； D D1 1试验温度下，选用液体的密度，试验温度下，选用液体的密度，g/cmg/cm3 3

12、。/iiimm 理论密度理论密度: : m mi i 和和i i分别为材料中所含第分别为材料中所含第i i种矿相的质量和理论密度种矿相的质量和理论密度(2-11)(2-11) (4) (4) 气孔率与密度之间的关系气孔率与密度之间的关系(2-12)(2-12) %100)1 (abaDDP%100)1 (tbtDDP%100)11(tacDDP(2-13)(2-13) (2-14) (2-14) 2.1.3 2.1.3 吸水率吸水率(water absorption)(water absorption) 吸水率是指耐火材料中的全部开口气孔被水充满时所吸收水的吸水率是指耐火材料中的全部开口气孔被

13、水充满时所吸收水的质量与干燥试样的质量之比，以百分率形式表示，即质量与干燥试样的质量之比，以百分率形式表示，即%100113mmmWa 式中式中 W Wa a吸水率，吸水率，% %； m m1 1干燥试样的质量，干燥试样的质量，g g； m m3 3饱和试样在空气中的质量，饱和试样在空气中的质量，g g。 吸水率通常用来在耐火原料生产中鉴定熟料的煅烧质量，原料煅吸水率通常用来在耐火原料生产中鉴定熟料的煅烧质量，原料煅烧得越好，吸水率数值越低。一般要求熟料的吸水率应小于烧得越好，吸水率数值越低。一般要求熟料的吸水率应小于5%5%。(2-15)(2-15) 2.1.4 2.1.4 透气度透气度(p

14、ermeability)(permeability) 透气度是指耐火材料制品在一定压差下，允许气体通过的能力。透气度是指耐火材料制品在一定压差下，允许气体通过的能力。透气度的计算式如下：透气度的计算式如下：(2-16) (2-16) 式中式中 K K材料的透气度，材料的透气度，mm2 2； 试验温度下气体的动力粘度，试验温度下气体的动力粘度，PasPas； h h试样高度，试样高度，mmmm； Q Q气体的体积流量，气体的体积流量，L/minL/min； p p1 1气体进入试样端的压力，气体进入试样端的压力，N/mmN/mm2 2； p p2 2气体溢出试样端的压力，气体溢出试样端的压力，N

15、/mmN/mm2 2。2112921016. 2ppppQdhK2.1.5 2.1.5 气孔孔径分布气孔孔径分布(pore size distribution)(pore size distribution) 气孔孔径分布是指耐火材料中各种孔径的气孔气孔孔径分布是指耐火材料中各种孔径的气孔( (指开口气指开口气孔孔) )占气孔总体积的百分比。占气孔总体积的百分比。总总VDdVDV0D D 平均孔径，平均孔径，mm；D D 某一压力所对应的孔径，某一压力所对应的孔径，mm；V V总总开口气孔的总容积，开口气孔的总容积，cmcm3 3；d dV V孔容积微分值，孔容积微分值，cmcm3 3。(2-

16、17)(2-17) 耐火材料的热学性能主要指比热容、导热率和热膨胀耐火材料的热学性能主要指比热容、导热率和热膨胀性等。这些性能是衡量耐火制品能否适应具体热过程的重性等。这些性能是衡量耐火制品能否适应具体热过程的重要依据，是从事工业窑炉设计的基本数据。耐火材料的热要依据，是从事工业窑炉设计的基本数据。耐火材料的热学性能与原料组成，制造工艺，显微结构和晶相结构等都学性能与原料组成，制造工艺，显微结构和晶相结构等都密切相关。密切相关。2.2.1 2.2.1 比热容比热容(specific heat capacity)(specific heat capacity) .320ctbtatCCP(2-1

17、8)(2-18) 式中式中 C Cp p 、C C0 0分别表示在温度分别表示在温度t t和和00时比定压热容，时比定压热容，kJ/kJ/（kg kg ） ； a a、b b、c c实验测得的系数；实验测得的系数； t t温度，温度， 。图图2-3 2-3 耐火材料的平均比热容与温度的关系曲线耐火材料的平均比热容与温度的关系曲线11粘土砖；粘土砖；22镁砖；镁砖；33硅砖；硅砖；44硅线石砖；硅线石砖；55白云石砖；白云石砖；66铬砖铬砖2.2.2 2.2.2 热膨胀性热膨胀性(thermal expansibility)(thermal expansibility) 热膨胀性是指材料的尺寸随

18、温度的升高热膨胀性是指材料的尺寸随温度的升高( (或降低或降低) )而增加而增加( (或或减小减小) )的性能。的性能。 耐火材料的热膨胀性是耐火材料使用时重要性能之一。炉窑耐火材料的热膨胀性是耐火材料使用时重要性能之一。炉窑在常温下砌筑，而在高温下使用时炉体要膨胀。为抵消因热膨胀在常温下砌筑，而在高温下使用时炉体要膨胀。为抵消因热膨胀所产生的应力，需预留膨胀缝，而且必须根据耐火材料的热膨胀所产生的应力，需预留膨胀缝，而且必须根据耐火材料的热膨胀性和砌筑体的构造情况制定正确的烘烤制度。性和砌筑体的构造情况制定正确的烘烤制度。热膨胀性的测定方法热膨胀性的测定方法 耐火材料的热膨胀性有两种表示方法

19、，即线膨胀率和线膨胀系耐火材料的热膨胀性有两种表示方法，即线膨胀率和线膨胀系数。它们是预留膨胀缝和砌体总尺寸结构设计计算的关键参数。数。它们是预留膨胀缝和砌体总尺寸结构设计计算的关键参数。 线膨胀率线膨胀率: : 是指由室温至试验温度间，试样长度的相对变化率。是指由室温至试验温度间，试样长度的相对变化率。 试样由室温至试验温度的各温度间隔的线膨胀率按下式计算：试样由室温至试验温度的各温度间隔的线膨胀率按下式计算：式中式中 试样的线膨胀率，试样的线膨胀率，% %； L L0 0试样在室温下的长度，试样在室温下的长度，mmmm； L Lt t试样加热到试验温度试样加热到试验温度t t时的长度，时的

20、长度，mmmm； A Ak(t)k(t)在温度在温度t t时仪器的矫正系数，时仪器的矫正系数，mmmm。100)(0)(0LALLtKt(2-19)(2-19) 试样由室温至试验温度的线膨胀系数按下式计算：试样由室温至试验温度的线膨胀系数按下式计算：线膨胀系数线膨胀系数: :100)(00tt(2-20) (2-20) 式中式中 试样的线膨胀系数，试样的线膨胀系数，1010-6-6-1-1； 0 0试样的线膨胀率，试样的线膨胀率，% %； t t0 0室温，室温，C C； t t试验温度，试验温度，C C。 图图2-4 2-4 常用耐火材料的热膨胀曲线常用耐火材料的热膨胀曲线11镁砖；镁砖；2

21、2硅砖；硅砖；33铬镁砖；铬镁砖；44半硅砖；半硅砖；5-5-粘土砖；粘土砖；66高铝砖；高铝砖；77粘土砖粘土砖 各种耐火制品的热膨胀性差别很大，主要取决于其化学矿物组成，而各种耐火制品的热膨胀性差别很大，主要取决于其化学矿物组成，而与制品的生产工艺无关。与制品的生产工艺无关。 一般而言，由晶体构成的材料与晶体中化学键的性质和键强有关。由一般而言，由晶体构成的材料与晶体中化学键的性质和键强有关。由共价键向离子键发展过程中，离子键性增加，其膨胀性也增加。具有较大共价键向离子键发展过程中，离子键性增加，其膨胀性也增加。具有较大键强的晶体和非同向性晶体中键强大的方向上，热膨胀系数较低。如碳化键强的

22、晶体和非同向性晶体中键强大的方向上，热膨胀系数较低。如碳化硅具有较高的键强，故热膨胀系数较低。层状结构的石墨，其垂直于硅具有较高的键强，故热膨胀系数较低。层状结构的石墨，其垂直于C C轴的轴的层内原子间强大，线膨胀系数很低，仅为层内原子间强大，线膨胀系数很低，仅为1 11010-6-6/ ；而平行于；而平行于C C轴的层间轴的层间分子键强小，线膨胀系数高达分子键强小，线膨胀系数高达27271010-6-6/ 。故凡由高度各向异性的晶体构。故凡由高度各向异性的晶体构成的多晶体，其膨胀系数都很小，如堇青石和铝板钛矿多晶体都是低热膨成的多晶体，其膨胀系数都很小，如堇青石和铝板钛矿多晶体都是低热膨胀系

23、数的材料。据有氧离子紧密堆积结构的氧化物晶体，一般具有较高的胀系数的材料。据有氧离子紧密堆积结构的氧化物晶体，一般具有较高的热膨胀性。如热膨胀性。如MgOMgO、BeOBeO、AlAl2 2O O3 3、MgAlMgAl2 2O O4 4和和BeAlBeAl2 2O O4 4等都具有离子紧密堆积结等都具有离子紧密堆积结构，故都具有很高的热膨胀性。构，故都具有很高的热膨胀性。 具有网状结构的玻璃制品，一般皆有很低的膨胀系数，如石英玻璃具有网状结构的玻璃制品，一般皆有很低的膨胀系数，如石英玻璃全由硅氧四面体构成网络，正负离子间键强大，故膨胀系数最小，仅为全由硅氧四面体构成网络，正负离子间键强大，故

24、膨胀系数最小，仅为0.540.5410-6/ 10-6/ 。但是，当此种玻璃含有能使网络破断的碱金属氧化物。但是，当此种玻璃含有能使网络破断的碱金属氧化物时，则玻璃的膨胀系数增大，而且随着加入的正离子与氧离子间键强的时，则玻璃的膨胀系数增大，而且随着加入的正离子与氧离子间键强的减小而增加。反之，若加入能参与网络构造使以断裂的硅氧网络重新连减小而增加。反之，若加入能参与网络构造使以断裂的硅氧网络重新连接起来的氧化物，例如在一定含量范围内，加入接起来的氧化物，例如在一定含量范围内，加入B B2 2O O3 3、AlAl2 2O O3 3、GaGa2 2O O3 3等，等，随着加入量的增加可使热膨胀

25、系数下降。若玻璃中含有键强大的离子，随着加入量的增加可使热膨胀系数下降。若玻璃中含有键强大的离子，如如ZrZr2+2+、ZrZr4+4+、ThTh4+4+等，它们处于网络间隙中，对其周围硅氧四面体起聚等，它们处于网络间隙中，对其周围硅氧四面体起聚集作用，增加结构的紧密性，也使膨胀系数下降。集作用，增加结构的紧密性，也使膨胀系数下降。2.2.32.2.3导热性导热性(thermal conductivity)(thermal conductivity) 耐火材料的导热性，即其传递热量的能力，通常以导热系数耐火材料的导热性，即其传递热量的能力，通常以导热系数来表示。导热系数表示在能量传递过程中，在

26、单位时间内，在单来表示。导热系数表示在能量传递过程中，在单位时间内，在单位温度梯度下，单位面积所通过的热量。导热系数的表达式为：位温度梯度下，单位面积所通过的热量。导热系数的表达式为：)/(dxdTq(2-21)(2-21) 式中式中 材料的导热系数；材料的导热系数；W/m W/m q q热流密度；热流密度； dT/ddT/dx x温度梯度。温度梯度。11碳化硅砖；碳化硅砖；22镁砖；镁砖；33碳化硅砖碳化硅砖( (含含SiC70%)SiC70%)；44刚玉转；刚玉转；55碳化硅砖碳化硅砖( (含含SiC50%)SiC50%)；66烧结白云石砖；烧结白云石砖；77氧化锆砖；氧化锆砖；88铬镁砖

27、；铬镁砖；99刚玉刚玉( (含含-Al-Al2 2O O3 390%)90%)；1010硅线石砖；硅线石砖；1111橄榄石砖；橄榄石砖；1212铬砖；铬砖；1313硅砖；硅砖；1414致密粘土砖；致密粘土砖；1515粘土砖粘土砖图图2-5 2-5 常见耐火材料的导热率常见耐火材料的导热率 当耐火材料含有玻璃相时，由于非晶质的结构无序，原子间当耐火材料含有玻璃相时，由于非晶质的结构无序，原子间相撞机率大，故与晶体相比，导热系数较低。当耐火材料中含有相撞机率大，故与晶体相比，导热系数较低。当耐火材料中含有气孔时，由于气体的导热系数比固体小，所以随气孔率的增加，气孔时，由于气体的导热系数比固体小，所

28、以随气孔率的增加，材料的导热系数减小。这就是材料的导热系数减小。这就是多孔材料导热系数低的基本原因多孔材料导热系数低的基本原因。2.2.4 2.2.4 导电性导电性(electrical conductivity)(electrical conductivity) 耐火材料的导电性，通常用电阻率来表示。电阻率与绝对温度间的耐火材料的导电性，通常用电阻率来表示。电阻率与绝对温度间的关系可以用如下关系式来表示：关系可以用如下关系式来表示：TBAe/式中式中 材料的电阻率，材料的电阻率，-1-1cmcm-1-1； T T绝对温度，绝对温度，K K； A A、B B与材料性质有关的常数。与材料性质有关

29、的常数。 (2-22)(2-22) 耐火制品的导电率，主要受其化学矿物组成、气孔率和温度等影响耐火制品的导电率，主要受其化学矿物组成、气孔率和温度等影响。例如，除碳质、石墨质和碳化硅制品外，大部分耐火材料在常温下是电例如，除碳质、石墨质和碳化硅制品外，大部分耐火材料在常温下是电的不良导体。但是，随温度升高，电阻减小，导电性增加，特别是在的不良导体。但是，随温度升高，电阻减小，导电性增加，特别是在10001000C C以上，导电性明显增加。如果加热到熔融状态时，会呈现出很以上，导电性明显增加。如果加热到熔融状态时，会呈现出很高的导电能力。高的导电能力。 气孔率对耐火制品导电性的影响，通常随气孔率

30、的增加，电阻率增气孔率对耐火制品导电性的影响，通常随气孔率的增加，电阻率增加。但在某些导电率低的陶瓷中，气孔能使导电率提高。这主要是因为加。但在某些导电率低的陶瓷中，气孔能使导电率提高。这主要是因为电荷沿气孔表面的迁移更方便电荷沿气孔表面的迁移更方便( (与表面扩散相似与表面扩散相似) )。 杂质对导电率的影响也很大杂质对导电率的影响也很大, , 是作为决定结晶界面上得到硅酸盐玻是作为决定结晶界面上得到硅酸盐玻璃相的材料来源而影响导电率。璃相的材料来源而影响导电率。 耐火材料的力学性能是指耐火材料在承受载荷时抵抗形变和断裂的性耐火材料的力学性能是指耐火材料在承受载荷时抵抗形变和断裂的性能能。耐

31、火材料在承受载荷时，要产生形变。这种形变的大小，虽所受载荷。耐火材料在承受载荷时，要产生形变。这种形变的大小，虽所受载荷的增加而增大，一般首先经弹性变形再塑性变形直至断裂。根据作用于材的增加而增大，一般首先经弹性变形再塑性变形直至断裂。根据作用于材料之上应力方向的不同，如压缩应力、拉应力、剪切应力、弯曲应力、摩料之上应力方向的不同，如压缩应力、拉应力、剪切应力、弯曲应力、摩擦力或撞击力等，相应地将材料的强度分为耐压强度、抗折强度、抗剪强擦力或撞击力等，相应地将材料的强度分为耐压强度、抗折强度、抗剪强度、耐磨性和抗撞击性等。度、耐磨性和抗撞击性等。 通过检验不同条件下耐火材料的力学性能，对于了解

32、耐火材料抵通过检验不同条件下耐火材料的力学性能，对于了解耐火材料抵抗破坏的能力，掌握材料的受损机理和研究开发高质量耐火制品都有着十抗破坏的能力，掌握材料的受损机理和研究开发高质量耐火制品都有着十分重要的意义。本节主要讲述耐火材料的主要力学性能指标，包括耐压强分重要的意义。本节主要讲述耐火材料的主要力学性能指标，包括耐压强度、抗折强度、蠕变性、弹性模量和耐磨性等。度、抗折强度、蠕变性、弹性模量和耐磨性等。2.3.1 2.3.1 常温耐压强度常温耐压强度(cold crushing strength(cold crushing strength， 缩写为缩写为CCS)CCS) 常温耐压强度是指常温

33、下材料的单位面积所能承受的最大压力常温耐压强度是指常温下材料的单位面积所能承受的最大压力，用用N/mmN/mm2 2即兆帕即兆帕(MPa)(MPa)来表示，即：来表示，即： APS (2-23)(2-23) 常温耐压试验方法是，在常温下，用压力试验机以规定的速率，常温耐压试验方法是，在常温下，用压力试验机以规定的速率，对规定尺寸的试样加载，直至试样断裂。然后根据所记录的最大载荷对规定尺寸的试样加载，直至试样断裂。然后根据所记录的最大载荷和试样承受载荷的面积，计算其抗压强度。和试样承受载荷的面积，计算其抗压强度。图图2-6 2-6 常见耐火材料的常温耐压强度常见耐火材料的常温耐压强度 2.3.2

34、 2.3.2 高温耐压强度高温耐压强度(hot crushing strength(hot crushing strength，HCS)HCS) 耐火材料的高温耐压强度是指材料在高于耐火材料的高温耐压强度是指材料在高于1000-1200 1000-1200 的高温热的高温热态下单位面积所承能受的最大压力，以态下单位面积所承能受的最大压力，以MPaMPa表示表示。 耐火材料的耐压强度一般随温度的升高而有明显的变化。从常耐火材料的耐压强度一般随温度的升高而有明显的变化。从常温起随温度升高，强度呈直线下降。此后，有些材料仍随温度升高温起随温度升高，强度呈直线下降。此后，有些材料仍随温度升高而继续下降

35、；有些材料当温度升至一定范围内时，则随温度升高而而继续下降；有些材料当温度升至一定范围内时，则随温度升高而升高，并在某一特定温度下达最大值，随后急剧下降。图升高，并在某一特定温度下达最大值，随后急剧下降。图2-72-7是一些是一些常用耐火材料的高温耐压强度随温度的变化情况。常用耐火材料的高温耐压强度随温度的变化情况。 1 1刚玉砖；刚玉砖； 22粘土砖；粘土砖； 33高铝砖；高铝砖； 44镁砖；镁砖；5 5，66硅砖硅砖图图2-72-7常见耐火材料的高温强度曲线常见耐火材料的高温强度曲线 耐火制品高温耐压强度的这种变化是受材料中的某些组分、特耐火制品高温耐压强度的这种变化是受材料中的某些组分、

36、特别是其中的基质或其结合相在高温下发生的变化所控制。一般而言，别是其中的基质或其结合相在高温下发生的变化所控制。一般而言，完全由晶体构成的烧结耐火材料，因高温下其中晶粒及晶界易发生塑完全由晶体构成的烧结耐火材料，因高温下其中晶粒及晶界易发生塑性变形，特别是当其加荷速度较小时更易发生塑性变形，故其强度随性变形，特别是当其加荷速度较小时更易发生塑性变形，故其强度随温度的升高而降低。当其中部分晶相间在高温下熔融或形成熔融体时，温度的升高而降低。当其中部分晶相间在高温下熔融或形成熔融体时，如硅砖、粘土砖和高铝砖，其基质主要由玻璃相构成，随着温度的升如硅砖、粘土砖和高铝砖，其基质主要由玻璃相构成，随着温

37、度的升高，此种多相材料的强度也因显微结构随温度变化而降低。但当温度高，此种多相材料的强度也因显微结构随温度变化而降低。但当温度进一步提高后，由于玻璃相的粘度由脆性变为强韧性，使材料颗粒间进一步提高后，由于玻璃相的粘度由脆性变为强韧性，使材料颗粒间结合更为牢固，从而使强度明显提高。而后，随着温度升高，因材料结合更为牢固，从而使强度明显提高。而后，随着温度升高，因材料中熔体粘度急剧下降，材料的强度也随之急剧下降。中熔体粘度急剧下降，材料的强度也随之急剧下降。2.3.3 2.3.3 抗折强度抗折强度 (modulus of rupture(modulus of rupture，MOR)MOR) 抗折

38、强度亦称抗弯强度或断裂模量，是指材料单位面积所能承受抗折强度亦称抗弯强度或断裂模量，是指材料单位面积所能承受的极限弯曲应力的极限弯曲应力。 耐火材料的抗折强度分为常温抗折强度和高温抗折强度。在耐火材料的抗折强度分为常温抗折强度和高温抗折强度。在常温下测得的抗折强度成为常温抗折强度；在常温下测得的抗折强度成为常温抗折强度；在1000-1200C1000-1200C以上的某以上的某一特定温度下测得的抗折强度为高温抗折强度。一特定温度下测得的抗折强度为高温抗折强度。LPhb图图2-8 2-8 试样三点弯曲简图试样三点弯曲简图(2-24) 式中式中 R R试样的抗折强度，试样的抗折强度，N/mmN/m

39、m2 2( (或或MPa)MPa)； F F试样断裂时所承受的最大载荷，试样断裂时所承受的最大载荷，N N； L L两支点间的距离，两支点间的距离，mmmm b b试样宽度，试样宽度，mmmm； h h试样高度；试样高度；mmmm。232FLRbh 耐火制品抗折强度的测量方法是，一定尺寸的试样在三点耐火制品抗折强度的测量方法是，一定尺寸的试样在三点弯曲装置上弯曲装置上( (如图如图2-8)2-8)变弯时，抗折强度按下式计算变弯时，抗折强度按下式计算 : : 耐火制品的抗折强度与耐压强度受相同的因素所支配。就烧结耐耐火制品的抗折强度与耐压强度受相同的因素所支配。就烧结耐火制品和不烧耐火制品而言，

40、耐火材料中的基质、结合剂和组织结构火制品和不烧耐火制品而言，耐火材料中的基质、结合剂和组织结构( (如气孔和裂纹等如气孔和裂纹等) )的特征，对抗折强度的影响较为明显，特别是对材的特征，对抗折强度的影响较为明显，特别是对材料的高温抗折强度影响更为明显。当材料中的主晶相仍稳定的情况下，料的高温抗折强度影响更为明显。当材料中的主晶相仍稳定的情况下，其中的基质或结合剂在高温下是否易于出现熔体及熔体的性质和其分其中的基质或结合剂在高温下是否易于出现熔体及熔体的性质和其分布情况，对高温抗折强度的影响甚为敏感。因此，耐火材料的高温抗布情况，对高温抗折强度的影响甚为敏感。因此，耐火材料的高温抗折强度常作为评

41、价材料在高温热态下的质量折强度常作为评价材料在高温热态下的质量( (特别是其结合相质量特别是其结合相质量) )的的一项重要指标。一项重要指标。 2.3.4 2.3.4 粘结强度粘结强度(bond strength)(bond strength) 粘结强度是指两种材料粘结在一起时，单位界面之间的粘结力。粘结强度是指两种材料粘结在一起时，单位界面之间的粘结力。耐耐火材料粘结强度主要是表征不定形耐火材料在各种温度及特定条件下的火材料粘结强度主要是表征不定形耐火材料在各种温度及特定条件下的强度指标。不定形耐火材料在使用时，要有一定的粘结力，以使其有效强度指标。不定形耐火材料在使用时，要有一定的粘结力，

42、以使其有效地粘结于施工基体。地粘结于施工基体。 根据受力方向不同，耐火材料的粘结强度可分为抗弯粘结强度和抗根据受力方向不同，耐火材料的粘结强度可分为抗弯粘结强度和抗剪切粘结强度。剪切粘结强度。 232FLRbh(2-25) 式中式中 R R试样的抗折粘结强度，试样的抗折粘结强度，N/mmN/mm2 2( (或或MPa)MPa)； F F试样粘结面断裂时所承受的最大载荷，试样粘结面断裂时所承受的最大载荷，N N； L L两支点间的距离，两支点间的距离，mmmm b b粘结面处试样的宽度，粘结面处试样的宽度，mmmm； h h粘结面处试样的高度；粘结面处试样的高度；mmmm。2.3.5 2.3.5

43、 蠕变性蠕变性(creep properties) (creep properties) 当耐火材料承受低于极限强度的一定应力时会产生塑性变形，变形量当耐火材料承受低于极限强度的一定应力时会产生塑性变形，变形量随负荷时间延长而增加，甚至导致材料破坏。这种随负荷时间延长而增加，甚至导致材料破坏。这种受外力作用产生的变形受外力作用产生的变形随时间延长而增加的现象称为蠕变随时间延长而增加的现象称为蠕变。耐火材料的高温蠕变性是指制品在高。耐火材料的高温蠕变性是指制品在高温应力作用下随着时间变化而发生的等温变形。高温蠕变性可分为高温压温应力作用下随着时间变化而发生的等温变形。高温蠕变性可分为高温压缩蠕变

44、、高温拉伸蠕变、高温弯曲蠕变和高温扭转蠕变等。其中最常用的缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温弯曲蠕变和高温扭转蠕变等。其中最常用的是高温压缩蠕变。是高温压缩蠕变。 压缩蠕变性以压蠕变率压缩蠕变性以压蠕变率来度量，即：来度量，即：%10001LLLn式中式中 蠕变率，蠕变率，% %； L L0 0试样原始高度，试样原始高度，mmmm； L L1 1试样恒温开始时的高度，试样恒温开始时的高度，mmmm； L Ln n试样恒温试样恒温n n小时后的高度，小时后的高度，mmmm。(2-26) 测定耐火材料蠕变的意义在于，研究耐火材料在高温下由于应力作测定耐火材料蠕变的意义在于，研究耐火材料在高温下由于应力作用

45、而产生的组织结构的变化，检测制品的质量和评价生产工艺。此外，用而产生的组织结构的变化，检测制品的质量和评价生产工艺。此外，测定耐火制品在不同温度下和荷重下的蠕变曲线，可以了解制品发生蠕测定耐火制品在不同温度下和荷重下的蠕变曲线，可以了解制品发生蠕变的最低温度、不同温度下的蠕变速率和高温应力下的变形特征，确定变的最低温度、不同温度下的蠕变速率和高温应力下的变形特征，确定制品保持弹性状态的温度范围和呈现高温塑性的温度范围等。这在窑炉制品保持弹性状态的温度范围和呈现高温塑性的温度范围等。这在窑炉设计时，预测耐火制品在实际应用中承受负荷的变化，评价制品的使用设计时，预测耐火制品在实际应用中承受负荷的变

46、化，评价制品的使用性能等有着实际意义。性能等有着实际意义。 耐火材料的蠕变主要受温度、应力、时间和材料结构的影响。材耐火材料的蠕变主要受温度、应力、时间和材料结构的影响。材料所处的温度愈高，承受应力愈大，时间愈长，蠕变率愈大。料所处的温度愈高，承受应力愈大，时间愈长，蠕变率愈大。 当耐火材料完全由晶体构成时，蠕变除受到与晶体弹性有关的晶当耐火材料完全由晶体构成时，蠕变除受到与晶体弹性有关的晶体的键强影响以外，主要受晶体内空位扩散、位错移动、晶体滑移和体的键强影响以外，主要受晶体内空位扩散、位错移动、晶体滑移和晶粒间的结合状态所控制。晶体缺陷愈小，晶界较少以及晶间穿插结晶粒间的结合状态所控制。晶

47、体缺陷愈小，晶界较少以及晶间穿插结合较强，皆不易产生严重蠕变。合较强，皆不易产生严重蠕变。 当材料含有玻璃相，特别是当玻璃相为连续相时，材料的蠕变受当材料含有玻璃相，特别是当玻璃相为连续相时，材料的蠕变受玻璃相控制。玻璃相的量愈多和粘度愈低，材料在低应力下即可产生玻璃相控制。玻璃相的量愈多和粘度愈低，材料在低应力下即可产生粘性流动，故在高温下蠕变愈严重。粘性流动，故在高温下蠕变愈严重。 图图2.10 2.10 典型高温蠕变曲线典型高温蠕变曲线2.3.6 2.3.6 弹性模量弹性模量(modulus of elasticity(modulus of elasticity，MOE)MOE)式中式中

48、 E E弹性模量，弹性模量，N/mmN/mm2 2； 材料所受应力，材料所受应力，N/mmN/mm2 2； 材料的应变。材料的应变。 弹性模量是指材料在外力作用下产生的变形，在弹性极限内应力与应弹性模量是指材料在外力作用下产生的变形，在弹性极限内应力与应变变( (压缩或伸长压缩或伸长) )比例关系，称为弹性模量比例关系，称为弹性模量。其数值为试样横截面积所受正。其数值为试样横截面积所受正应力与应变之比，亦可表征材料抵抗变形的能力。应力与应变之比，亦可表征材料抵抗变形的能力。 当材料受到拉伸或压缩时，在弹性极限内的应力与应变之比，称为纵当材料受到拉伸或压缩时，在弹性极限内的应力与应变之比，称为纵

49、向弹性模量或杨氏模量。如下式表示：向弹性模量或杨氏模量。如下式表示：E(2-27) 式中式中 G G剪切弹性模量，剪切弹性模量，N/mmN/mm2 2；剪切应力，剪切应力，N/mmN/mm2 2；剪切应变，以弧度表示。剪切应变，以弧度表示。 当材料受剪切应力时，在弹性极限内剪切应力同剪切应变之比，当材料受剪切应力时，在弹性极限内剪切应力同剪切应变之比，称为剪切弹性模量，或称刚性模量。如下式表示：称为剪切弹性模量，或称刚性模量。如下式表示：G材料的弹性模量受晶体键强控制，即弹性模量与晶格粒子间结合力的材料的弹性模量受晶体键强控制，即弹性模量与晶格粒子间结合力的大小密切相关。几种晶体中，原子晶体的

50、共价键结合最强，故弹性模量最大小密切相关。几种晶体中，原子晶体的共价键结合最强，故弹性模量最大；分子晶体的结合力最弱，弹性模量最小。若晶体中空位和位错等缺陷大；分子晶体的结合力最弱，弹性模量最小。若晶体中空位和位错等缺陷较多，或晶界、晶粒中解离充分，则弹性模量较低。另外，材料的弹性模较多，或晶界、晶粒中解离充分，则弹性模量较低。另外，材料的弹性模量也与其密实程度和各组分间的结合强度等状况有关。一般而言，材料的量也与其密实程度和各组分间的结合强度等状况有关。一般而言，材料的气孔率愈高，其弹性模量愈低。气孔率愈高，其弹性模量愈低。(2-28) 材料的各组分间结合较弱时，其弹性模量变小。由此可见，耐

51、火材料的材料的各组分间结合较弱时，其弹性模量变小。由此可见，耐火材料的弹性模量还与材料内部各组分间的配合，泥料的制备和成型是否适当以及烧弹性模量还与材料内部各组分间的配合，泥料的制备和成型是否适当以及烧结是否充分有关。因此，对特定组分的耐火材料而言，也可依据弹性模量的结是否充分有关。因此，对特定组分的耐火材料而言，也可依据弹性模量的高低评价其成型和烧结的优劣。高低评价其成型和烧结的优劣。耐火材料的弹性模量同其耐压强度、抗折强度和耐磨性有大致正比的关耐火材料的弹性模量同其耐压强度、抗折强度和耐磨性有大致正比的关系。耐火材料的弹性模量对其耐热震性影响甚大。系。耐火材料的弹性模量对其耐热震性影响甚大

52、。2.3.7 2.3.7 耐磨性耐磨性(wearing resistance)(wearing resistance)耐火材料的耐磨性是指其抵抗固体、液体和含尘气流对其表面的机耐火材料的耐磨性是指其抵抗固体、液体和含尘气流对其表面的机械磨损作用的能力。械磨损作用的能力。 耐火材料的耐磨性取决于材料的组成与结构。当材料为单一晶体构成耐火材料的耐磨性取决于材料的组成与结构。当材料为单一晶体构成的致密多晶时，其耐磨性主要取决于组成材料的矿物晶相的硬度。硬度越的致密多晶时，其耐磨性主要取决于组成材料的矿物晶相的硬度。硬度越高，材料的耐磨性越好。当矿相为非同向性晶体时，晶粒越细小，材料的高，材料的耐磨性

53、越好。当矿相为非同向性晶体时，晶粒越细小，材料的耐磨性越好。当材料由多相构成时，其耐磨性还与材料的体积密度或气孔耐磨性越好。当材料由多相构成时，其耐磨性还与材料的体积密度或气孔率有直接关系，也与各组分间的结合强度有关。因此，对常温下某一耐火率有直接关系，也与各组分间的结合强度有关。因此，对常温下某一耐火材料而言，其耐磨性能与其耐压强度成正比，烧结良好的制品其耐磨性也材料而言，其耐磨性能与其耐压强度成正比，烧结良好的制品其耐磨性也较好。较好。 耐火材料的耐磨性与温度有关。有的耐火材料耐火材料的耐磨性与温度有关。有的耐火材料( (如铝硅系耐火制品如铝硅系耐火制品) )，一般认为它在一定温度下一般认

54、为它在一定温度下( (如如700-900C700-900C以内的弹性范围内以内的弹性范围内) )，温度愈低耐，温度愈低耐磨性愈差，即可认为当温度提高后随着弹性模量的增加，耐磨性有所降低。磨性愈差，即可认为当温度提高后随着弹性模量的增加，耐磨性有所降低。当温度继续升高，弹性模量达到最大值以后，随着弹性模量的降低，耐磨当温度继续升高，弹性模量达到最大值以后，随着弹性模量的降低，耐磨性又有所提高。如硅酸铝质耐火制品在性又有所提高。如硅酸铝质耐火制品在1200-1350C1200-1350C时，耐磨性甚至优于时，耐磨性甚至优于常温时。当温度计一步提高，达常温时。当温度计一步提高，达1400C1400C

55、以上时，由于制品中的液相粘度急以上时，由于制品中的液相粘度急剧降低，耐磨性随之降低。但有些耐火材料，如含铬制品，随温度升高，剧降低，耐磨性随之降低。但有些耐火材料，如含铬制品，随温度升高，耐磨性增加。耐磨性增加。2.4 2.4 耐火材料的使用性能耐火材料的使用性能 耐火材料在使用过程中，除了承受高温热负荷作用外，还承受来自耐火材料在使用过程中，除了承受高温热负荷作用外，还承受来自炉料和环境的重负荷作用和其他物理、化学作用。耐火材料的使用性能，炉料和环境的重负荷作用和其他物理、化学作用。耐火材料的使用性能，就是其在高温条件下抵抗这些自外部的作用而不易损坏的性质。根据耐火就是其在高温条件下抵抗这些

56、自外部的作用而不易损坏的性质。根据耐火材料的使用性能，不仅可以判断耐火制品的优劣，还可以根据具体使用条材料的使用性能，不仅可以判断耐火制品的优劣，还可以根据具体使用条件，选择合适的耐火制品。件，选择合适的耐火制品。 耐火材料的使用性能主要包括：耐火度、荷重软化温度、重烧线变耐火材料的使用性能主要包括：耐火度、荷重软化温度、重烧线变化率、抗热震性、抗渣性、抗酸性、抗氧化性、抗水化性和抗化率、抗热震性、抗渣性、抗酸性、抗氧化性、抗水化性和抗COCO侵蚀性侵蚀性等。等。2.4.1 2.4.1 耐火度耐火度(refractoriness)(refractoriness)耐火度是指耐火材料在无荷重条件下

57、，达到特定软化程度的温度耐火度是指耐火材料在无荷重条件下，达到特定软化程度的温度，表征材料抵抗高温作用的性能。表征材料抵抗高温作用的性能。 耐火度与熔点的区别在于，熔点是晶体加热时固相与液相处于平耐火度与熔点的区别在于，熔点是晶体加热时固相与液相处于平衡时的温度；而耐火度是指多相体达到某一特定软化程度的温度。由衡时的温度；而耐火度是指多相体达到某一特定软化程度的温度。由于多数耐火制品为多相非均质材料，无一定熔点，从开始出现液相到于多数耐火制品为多相非均质材料，无一定熔点，从开始出现液相到完全熔化是一个渐变过程，在一个相当宽的温度区间内，液固两相并完全熔化是一个渐变过程，在一个相当宽的温度区间内

58、，液固两相并存。因此，为了准确表征耐火材料在高温下的软化和熔融特征，只能存。因此，为了准确表征耐火材料在高温下的软化和熔融特征，只能用耐火度来衡量。用耐火度来衡量。 图图2-11 2-11 试锥在不同熔融阶段的弯倒情况试锥在不同熔融阶段的弯倒情况aa熔融开始以前；熔融开始以前；bb在相当于耐火度的温度下；在相当于耐火度的温度下；cc在高于耐火度的温度下在高于耐火度的温度下 中国标准中国标准(GB/T7322-1997)(GB/T7322-1997)规定了耐火材料耐火度的测量方法，其规定了耐火材料耐火度的测量方法，其具体要点是，将被测材料制成与标准测温锥形状、尺寸具体要点是，将被测材料制成与标准

59、测温锥形状、尺寸( (下底边长下底边长8mm8mm，上底边长上底边长2mm2mm，高，高30mm)30mm)相同的截头三角锥，在规定的加热条件下，与标相同的截头三角锥，在规定的加热条件下，与标准测温锥弯倒情况相比较，直至试锥顶部弯倒接触底盘，此时与试锥同准测温锥弯倒情况相比较，直至试锥顶部弯倒接触底盘，此时与试锥同时弯倒的标准测温锥可代表的温度即为试锥的耐火度。时弯倒的标准测温锥可代表的温度即为试锥的耐火度。 耐火材料的耐火度通常都用标准测温锥的锥号表示。各国标准测温耐火材料的耐火度通常都用标准测温锥的锥号表示。各国标准测温锥规格不同，锥号所代表的温度也不一致。我国通用的标准锥通常以锥规格不同

60、，锥号所代表的温度也不一致。我国通用的标准锥通常以WZWZ加锥号来表示，锥号乘以加锥号来表示，锥号乘以1010即为所代表的温度。如试锥与即为所代表的温度。如试锥与WZ175WZ175号标准号标准锥同时弯倒，则试样的耐火度为锥同时弯倒，则试样的耐火度为1750C1750C。表。表2-12-1是一些常用耐火原料和是一些常用耐火原料和制品的耐火度。制品的耐火度。制制 品品耐火度耐火度/C/C制制 品品耐火度耐火度/C/C结晶硅石结晶硅石硅硅 砖砖硬质粘土硬质粘土粘粘 土土 砖砖1730-17701730-17701690-17301690-17301750-17701750-17701610-175