耐火材料二教材

耐火材料基础知识

（二）耐火材料的性能结构性能热学性能力学性能使用性能第一节、结构性能耐火材料是由固相（包括结晶相与玻璃相）和气孔两部分构成的非均质体。其中各种形状的气孔和固相之间的宏观关系构成耐火材料的宏观组织结构。其结构性能包括气孔率、吸水率、体积密度、真密度和透气度。一、气孔率耐火材料中的气孔可分为三大类：1、闭口气孔：封闭在制品中，不与外界相通；2、开口气孔：一端封闭，另一端与外界相通，能被液体填充；3、贯通气孔：贯通制品的两面，能为液体所通过。一、气孔率

在研究气孔对耐火制品使用过程中被外界介质侵入而加速其破坏时发现，贯通气孔和开口气孔起着主要作用，闭口气孔影响很小。因此，为了简便起见，通常将上述三类气孔合并为两类，即开口气孔（包括贯通气孔）和封闭气孔。

一、气孔率由于贯通气孔和开口气孔占总气孔体积的绝大部分，而且对制品的使用性能影响最大，因此在耐火材料的检测标准中，以显气孔率来表示，即多孔体中所有开口气孔的体积与其总体积的比值。二、吸水率

吸水率是耐火制品全部开口气孔所吸收的水的质量与干燥试样的质量百分比。

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。三、体积密度

体积密度是耐火制品的质量与其总体积（包括气孔）的比值。它表征耐火材料的致密程度，是耐火原料和耐火制品质量标准中的基本指标之一。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。四、真密度

真密度是耐火制品的质量与其真体积（不包括气孔体积）之比。耐火制品的真密度指标，可以反映材质的成分纯度或晶型转变的程度、比例等，以此亦可以推知在使用中可能产生的变化。五、透气度

透气度是耐火制品允许气体在压差下通过的性能。透气度主要是由贯通气孔的大小、数量和结构决定的。耐火材料中存在以下两种情况：

（1）尽量减少制品的透气度。如：热电偶保护管，高炉上部的砌砖以及其他炉体的衬砖，透气度要求越小越好。

（2）要求制品有良好的透气度。如：近年来，钢包、中间包通过透气砖吹氩对钢液进行净化处理，要求该耐火材料有一定的贯通气孔。小结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，但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、渗透与气孔的大小、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。第二节、热学性能由于耐火材料通常是在热态状态下使用，因此耐火材料的热学性质成为其性质的重要方面。热学性质主要包括热膨胀、热导率和比热容。一、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。表示方法：

膨胀系数

线膨胀系数或体积膨胀系数

膨胀百分率

线膨胀百分率或体积膨胀百分率膨胀系数

膨胀系数：耐火制品由室温至试验温度间，温度每升高1℃，长度（体积）的相对变化率。

线膨胀系数：α=(lt－l0)/l0(t－t0)

体积膨胀系数：β=(Vt－V0)/V0(t－t0)

Vt

、lt—分别是试样在温度为t时的体积和长度。

V0

、l0—分别是试样在温度为t0时的体积和长度。注：如果线膨胀系数很小，则β=3α。

膨胀百分率

膨胀百分率：耐火材料由室温加热至试验温度时，试样长度（体积）的变化百分率。测定热膨胀系数的作用窑炉设计的重要参数；用耐火材料砌筑炉体内衬时，应预留一定的膨胀缝；新砌的窑炉在烘烤时，应有合理的烘烤温度曲线；

可间接判断耐材热震稳定性能。二、热导率热导率是指在单位时间内，在单位温度梯度下，单位面积试样所通过的热量，用λ表示。通俗的讲就是指耐火材料材料导热的能力。热导率对高温热工设备设计必不可少的重要数据。如：采用热导率小的隔热材料砌筑可以减少厚度和热损失；采用热导率大的材料作为隔烟板和换热器管，可以提高炉膛温度和传热效率。气孔对热导率的影响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。气体热导率较低，所以耐火材料中的气孔降低了热导能力。三、比热容耐火材料比热容的定义是常压下加热1千克的样品使之升温1℃所需的热量。耐火材料的比热容指标，在设计和控制炉体的升温、冷却，特别是蓄热能力计算中，具有重要意义。第三节、力学性能

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。一、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。意义

常温耐压强度指标通常可以反映生产中工艺制度的变动。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。

高温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;同时还反映了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。二、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。三、高温蠕变性1、定义：指耐火制品在高温下受应力作用，随着时间变化而发生的等温形变。2、根据施加荷重形式分类：高温压缩蠕变、高温抗折蠕变、高温拉伸蠕、高温弯曲蠕变、高温扭转蠕变，常用的是高温压缩蠕变。高温压缩蠕变表示方法一般以某一恒定温度（℃）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。也可用某一时段内（如25-50小时）制品的变形量（%）来表示。典型的蠕变曲线

分三个阶段:（1）1次蠕变：也叫初次蠕变或减速蠕变。这一阶段较为短暂。（2）2次蠕变：也叫粘性蠕变或均速蠕变。（3）3次蠕变：加速蠕变。

随温度升高，压力增加，蠕变曲线会变陡。弹性变形1次蠕变2次蠕变3次蠕变ⅠⅡⅢ蠕变变形率/%时间第四节、使用性能

耐火材料制品在各种不同的窑炉中服役时，长期处于高温状态下。耐火材料耐高温的性能好坏能否满足各类窑炉工作条件的要求，是材料选用的重要依据，因此耐火制品的高温性质也是最重要的基本性质。主要有耐火度、高温荷重软化温度、高温体积稳定性、抗热震性（热震稳定性)、抗渣性。一、耐火度耐火度是指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性能。耐火度是判定材料能否作为耐火材料使用的依据。

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，且是一个物理常数；如：纯氧化铝熔点：2050℃；纯氧化镁熔点：2800℃；纯二氧化硅熔点：1713℃。（2）、耐火材料是由各种矿物相组成的多相固体混合物，并非单相的纯物质，（故没有一定的熔点。当达到某一温度时，某些矿物相会熔化，而某些矿物相不会熔化。随温度继续升高，熔化的程度增加，）即熔融是在一定的温度范围内进行的，是一个工艺指标。耐火度不是使用温度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2000℃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。二、荷重软化温度

荷重软化温度是指耐火制品在持续升温条件下承受恒定载荷产生某一特定形变的温度。它表示了耐火制品同时抵抗高温和载荷两方面作用的能力，在一定程度上表明制品在其使用条件相仿情况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。各种耐火材料的荷重变形曲线

1-高铝砖（Al2O370%）；2-硅砖；3-镁砖；4-粘土砖Ⅰ；5-半硅砖；6-粘土砖

Ⅱ三、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（膨胀或收缩）的性能。

一般情况下，耐火材料发生重烧收缩，因为大多数耐火材料为陶瓷烧结，在使用时，玻璃相重新粘性流动。必须减少收缩量，否则砖缝加大，发生损失或掉砖。少数耐火材料发生膨胀，按照理论说，微小膨胀对使用寿命有好处。但膨胀太大，耐火材料结构松散，使寿命降低。对于不烧制品，不经高温烧成直接使用，测定此项指标就更为重要。四、抗热震性抗热震性指耐火材料抵抗温度急剧变化而不被破坏的能力。也称为热震稳定性，抗温度急变性，耐急冷急热性等。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。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。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、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，其抗热震性就越好。五、抗渣性

耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀的性能称为抗渣蚀性能。作为高温结构材料，耐火材料在使用过程中，通常暴露于包含有腐蚀性介质的高温环境中，这些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