耐火材料的使用性质

1、材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-51三、耐火材料的使用三、耐火材料的使用性质性质材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-521、耐火度、耐火度(GB/T 7322-2007) 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称为耐火度。质称为耐火度。 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，没有固定的熔点。其熔融是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

2、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），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，在这个温度范围内，液相与固相同时存在。液相，在这个温度范围内，液相与固相同时存在。 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-53 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。试锥以一定升温速度加热，达到某一温度开截头三角锥。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

3、渐增加始出现液相，温度继续升高液相量逐渐增加,粘度减小，试粘度减小，试锥在重力作用逐渐软化弯倒锥在重力作用逐渐软化弯倒,当其弯倒至顶点与底接触的温当其弯倒至顶点与底接触的温度，即为试样的耐火度。度，即为试样的耐火度。 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-54材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-55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

4、的，是一个工艺指标。围内进行的，是一个工艺指标。 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-56 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，只有综合考虑材料的其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

5、允许使用温度大大低于耐火度。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； 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-57 耐火制品的化学矿物组成及其分布状态是影响其耐火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，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。将严重降低制品的耐火度。 同时，测定条件也将影响到耐火度的大小，如：粉末同时，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、升温的速率及炉内的气氛（针对的粒度、测温锥的安装、升温的速率及炉内的气氛

6、（针对变价元素，如变价元素，如Fe2与与Fe3之间的转变）。之间的转变）。 影响因素影响因素材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-582、高温荷重软化温度、高温荷重软化温度(GB/T 5989-2008 ) 耐火材料的高温荷重软化温度也称为高温荷重变形温度，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。表示材料在温度与荷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耐火制品在与其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，因而是耐火使用情况相近的条件下的结构强度与变形情况，

7、因而是耐火制品的重要性能指标。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耐火制品的荷重软化温度取决于制品的化学-矿物组成、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。相互作用等。 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-59 耐火制品荷重软化温度的测定一般是在耐火制品荷重软化温度的测定一般是在0.2MPa的固定载的固定载荷下，以一定的升温速度均匀加热，在国家标准的示差荷下，以一定的升温速度均匀加热，在国家标准的示差升温升温法测定试样压缩法测定试样压缩0.5%、1%、2%、 5% 时的温度。

8、时的温度。 在非示差在非示差升温法中，常把试样压缩升温法中，常把试样压缩0.6%时的变形温度时的变形温度定义为试样的荷重软化开始温度，即通常所说的定义为试样的荷重软化开始温度，即通常所说的荷重软化点荷重软化点。 试样压缩试样压缩4变形温度；变形温度； 试样压缩试样压缩40溃裂点；溃裂点；材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-510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-粘土砖粘土砖；5-半硅砖；半硅砖；6-粘土砖粘土砖 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-5113、高温蠕变、高温蠕变(

9、GB/T 5073-2005 ) 耐火材料的高温蠕变性能是指在某一恒定的温度以及耐火材料的高温蠕变性能是指在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。根据施加荷重形固定载荷下，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、高温拉伸蠕变、高温抗折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。由于高温压缩与高温抗折蠕变较易测定，故应用蠕变等。由于高温压缩与高温抗折蠕变较易测定，故应用较多。我国通常采用压蠕变。较多。我国通常采用压蠕变。材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-512 高温压缩蠕变的表示方法一般以某一恒定温度（高温压缩蠕变的表示方法一般

10、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）的关系曲线即蠕变曲线来表示，也可用某一时段内（如关系曲线即蠕变曲线来表示，也可用某一时段内（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。材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-513 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。 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-514q化学矿物组成化学矿物组成q显微组织结构显微组织结构q测定条件测定条件影响荷软和蠕变的因素：影响荷软和蠕变的因素：荷软的意义：可以

11、作为耐火材料的荷软的意义：可以作为耐火材料的最高使用温度最高使用温度。材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-5154、高温体积稳定性、高温体积稳定性(GB/T 5988-2007 ) 高温体积稳定性是评价耐火材料质量的一项重要物理指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。持稳定而不发生变化的性能。 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-516 一般而言，烧成耐火制品在高温煅烧过程中，由于各种一般而言，烧成耐火制品在高温煅烧过程中，由于各种原因制品

12、在烧成结束时，其物理化学反应往往未达到平衡状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；态； 另一方面，制品在烧成过程中由于窑炉温度分布不均等另一方面，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。行并伴随有不可逆的体积变化。材料科学与工程系材料科学与工程

13、系2022-7-517 这些不可逆的体积变化称为残余膨胀或残余收缩，也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。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，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。要的意义。 测定意义：测定意义：衡量材料烧结性能的好坏衡量材料烧结性能的好坏。材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-518重烧体积变化可用体积变化百分率或线变化百分率表示：重烧体积变化可用体积变化百分率或线变化百分率表示：式中：

14、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材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-519 一般材料的重烧都是收缩的，为什么在砌筑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？窑炉等热工设备时还要留膨胀缝？材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-520 5、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的性能称为热震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。稳定性或抗热冲击性能。 高温窑炉

15、等热工设备在运行过程中，其运行温度常常发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。工设备操作的稳定性、安全性和生产的连续性。 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-521 产生热应力的因素：材料的热膨胀系数、材料的导热产生热应力的因素：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）。系数、缓冲热应力的因素（弹性模量的大

16、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）、导热率小）、导热率（大）以及弹性模量（小）密切相关，也与制品的宏观、（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。微观组织结构，外形结构及尺寸有关。 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-522 一般而言，耐火制品在温度变化时会产生体积膨胀或一般而言，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应力，这种应力称之为热应力。当材料内

17、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、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。崩落或断裂。 另一个方面，不同矿相之间热膨胀性的差异，产生的另一个方面，不同矿相之间热膨胀性的差异，产生的应力。应力。材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-523耐火材料热震稳定性试验后的耐火材料热震稳定性试验后的SEM图片图片材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-524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

18、表面温度之差； 泊松比泊松比(在材料的比例极限内，由均匀分布的在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值值)。 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-525 上式表明，材料内部的热应力与材料的弹性模量、热上式表明，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。膨胀系数以及温度差成正比。当热应力达到材料的强度极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。生破坏。 导热率高的制品，材料中温度分布易

19、于均匀，其表层导热率高的制品，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。因匀，材料中的温度梯度大，由此而产生的热应力也大。因此此导热系数高的材料，其热震稳定性也相对较高导热系数高的材料，其热震稳定性也相对较高。 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-526 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；

20、对这类破坏的抵抗称之为抗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。热震断裂性能。 人们人们从从热弹性力学热弹性力学的观点出发，以强度应力为判据，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裂，而一旦有裂纹产生就会导致材料完全破坏。所导出的。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，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

21、合。适合。根据这种观点，材料抗热震损伤的能力和其弹性模根据这种观点，材料抗热震损伤的能力和其弹性模量呈反比的关系。量呈反比的关系。弹性模量对热震稳定性的影响弹性模量对热震稳定性的影响材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-527 另一类是在热冲击循环作用下，材料表面发生开裂、剥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；破坏的抵抗称为抗热震损伤性能； 人们人们从从断裂力学断裂力学观点出发以应变能断裂能为判据进行观点出发以应变能断裂能为判据进行分析。分析。

22、根据这种观点，材料抗热震的能力同其弹性模量呈正比根据这种观点，材料抗热震的能力同其弹性模量呈正比的关系。的关系。材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-528 由于抗热震稳定性问题的复杂性（除了弹性模量因素影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、响以外还有材料的强度、膨胀系数、热导率膨胀系数、热导率、形状和尺寸、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

23、必须和实际经验相结合。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。大，其抗热震稳定性能越好。材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-529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材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-

24、5300204060801001200.5123469硅微粉含量(%)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 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-531 此外，耐火制品的宏、微观组织结构对制品的热震稳定此外，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。当耐火制品内部存在某些细微缺陷，如性也有一定影响。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一定的工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扩阻止裂纹扩展展的目的，是目前普

25、遍采用的提高制品热震稳定性有效措的目的，是目前普遍采用的提高制品热震稳定性有效措施之一。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。部应力集中而产生破坏。材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-532 耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀的性能称为抗渣蚀性耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀的性能称为抗渣蚀性能。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“熔渣熔渣”，包，包括高温下与耐火材料接触的各种固态、液态物料（如水泥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、

26、玻璃液等）、冶金炉渣、燃料灰熟料、石灰、熔融金属、玻璃液等）、冶金炉渣、燃料灰分、飞灰以及各种气态物质等。高温环境下，熔渣物质与分、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接触，并与之发生复杂的物理化学反应，导致耐火材料相接触，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。耐火材料的侵蚀损毁。6、抗渣蚀性能、抗渣蚀性能 ( (GB/T 8931-2007) ) 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-533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材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-534 熔渣侵蚀是耐火材料使用过程中最主要的一种损毁形式，熔渣

27、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般可分为以下几种情况：耐火材料在熔渣中的溶蚀损毁一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应的物理溶解耐火材料与熔渣不发生化学反应的物理溶解作用所造成的耐火材料的损毁。如碳素材料向钢铁溶液中作用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蚀作用。的溶解即属于单纯溶蚀作用。 反应溶蚀：反应溶蚀：耐火材料与熔渣物质在其接触界面处发生化耐火材料与熔渣物质在其接触界面处发生化学反应，生成低熔点的化合物，导致耐火材料工作面的溶学反应，生成低熔点的化合物，导致耐火材料工作面的溶蚀损毁

28、。蚀损毁。材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-535 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材料的气孔熔渣类物质通过耐火材料的气孔或通过液相、固相扩散，渗入耐火材料基体中与耐火材料或通过液相、固相扩散，渗入耐火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火材料的溶蚀损毁。变而造成耐火材料的溶蚀损毁。 碱性耐火材料的熔渣侵蚀过程就是一个典型的渗透、侵碱性耐火材料的熔渣侵蚀过程就是一个典型的渗透、侵入变质溶损过程。入变质溶损过程。 材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-536

29、熔渣在耐火材料中的渗透熔渣在耐火材料中的渗透材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-537熔渣熔渣镁砂颗粒镁砂颗粒熔渣在镁砂颗粒中的渗透熔渣在镁砂颗粒中的渗透材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-538镁碳化硅浇注料抗渣实验后电镜图片镁碳化硅浇注料抗渣实验后电镜图片材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-539 左：反应层左：反应层 右：渗透层右：渗透层材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-540 左：变质层左：变质层 右：原质层右：原质层材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-541影响耐火材料抗渣能力的因素：影响耐火材料抗渣能力的因素：q熔渣与耐火材料的化

30、学矿物组成；熔渣与耐火材料的化学矿物组成；q耐火材料在熔渣中的溶解度；耐火材料在熔渣中的溶解度；材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-542溶解速度：溶解速度：0()xdCDCC SdtdC/dtdC/dt: :溶解速度；溶解速度；D:D:耐火材料通过扩散层的扩散系数；耐火材料通过扩散层的扩散系数； ：扩散层厚度；：扩散层厚度；C0：一定温度下溶于熔渣中的耐火材料的饱和浓度；一定温度下溶于熔渣中的耐火材料的饱和浓度；Cx：耐火材料在熔渣中溶解的实际浓度；：耐火材料在熔渣中溶解的实际浓度；S S：熔渣与耐火材料相接触的面积；：熔渣与耐火材料相接触的面积；渣的流动性好渣的流动性好 降低；溶解加快。降低；溶解加快。使用温度升高使用温度升高DD变大；溶解加快。变大；溶解加快。材料科学与工程系材料科学与工程系2022-7-543熔渣侵入机理主要有以下几种方式：熔渣侵入机理主要有