耐火材料工藝學(xué)課件

2.5耐火材料的使用性能2.5.1耐火度

耐火度是指耐火材料在高溫下抵抗熔化的能力?；局笜?biāo)，可粗略識別耐火材料質(zhì)量。耐火材料的實際使用溫度總要比材料的耐火度低，作為選材參考。耐火度是材料耐高溫的特性。(ISO/TC33）1986年公布耐火度達(dá)到1500℃以上的無機(jī)非金屬材料或制品為耐火材料。耐火度不是熔點，多相固體混合物，不是單相的純物質(zhì)，表征材料在無荷重和高溫作用下熔融和軟化的程度，重要質(zhì)量指標(biāo)之一。不能把耐火度作為使用溫度，達(dá)耐火度時已有70％～80％的液相生成，其粘度為10～15Pa·s，不再有機(jī)械強(qiáng)度和耐侵蝕性。提高耐火原料的純度，可提高耐火材料的耐火度。耐火度的測定方法是將材料做成截頭三角錐。在規(guī)定的加熱條件下，與標(biāo)準(zhǔn)高溫錐彎倒情況作比較。直至試錐頂部彎倒接觸底盤，此時與試錐同時彎倒的標(biāo)準(zhǔn)高溫錐可代表的溫度即為該試錐的耐火度。試錐在不同熔融階段的彎倒情況a－熔融開始以前；b－在相當(dāng)于耐火度的溫度下；c－在高于耐火度的溫度下耐火度通常都用標(biāo)準(zhǔn)測溫錐的錐號表示。各國標(biāo)準(zhǔn)測溫錐規(guī)格不同，錐號所代表的溫度也不一致。有德國的塞格爾錐（SK）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、中國的（WZ）和前蘇聯(lián)（ПК）等。其中ISO、WZ、ПК是一致的，采用錐號乘以10即為所代表的溫度。測溫錐得WZ、ПК和SK標(biāo)號對照表中溫部分WZ標(biāo)號ПК標(biāo)號SK標(biāo)號德國標(biāo)準(zhǔn)/℃美國標(biāo)準(zhǔn)/℃110110111001160112112211201165114114311401170116116411601190118118511801205120120612001230中溫部分WZ標(biāo)號ПК標(biāo)號SK標(biāo)號德國標(biāo)準(zhǔn)/℃美國標(biāo)準(zhǔn)/℃1231237123012501251258125012601281289128012851301301013001305132132111320132513513512135013351381381313801350測溫錐得WZ、ПК和SK標(biāo)號對照表中溫部分WZ標(biāo)號ПК標(biāo)號SK標(biāo)號德國標(biāo)準(zhǔn)/℃美國標(biāo)準(zhǔn)/℃1411411414101400143143151435143514614616146014651481481714801475150150181500149015215219152015201531532015401530測溫錐得WZ、ПК和SK標(biāo)號對照表高溫部分WZ標(biāo)號ПК標(biāo)號SK標(biāo)號德國標(biāo)準(zhǔn)/℃美國標(biāo)準(zhǔn)/℃158158261580159516116127161016051631632816301615165165291650164016716730167016501691693116901680測溫錐得WZ、ПК和SK標(biāo)號對照表高溫部分WZ標(biāo)號ПК標(biāo)號SK標(biāo)號德國標(biāo)準(zhǔn)/℃美國標(biāo)準(zhǔn)/℃171171321710170017317333173017451751753417501760177177351770178517917936179018101821823718251820測溫錐得WZ、ПК和SK標(biāo)號對照表高溫部分WZ標(biāo)號ПК標(biāo)號SK標(biāo)號德國標(biāo)準(zhǔn)/℃美國標(biāo)準(zhǔn)/℃1851853818501835188188391880192192401920196196411960200200422000測溫錐得WZ、ПК和SK標(biāo)號對照表影響耐火制品耐火度的因素：雜質(zhì)成分特別是強(qiáng)溶劑作用的雜質(zhì)，將嚴(yán)重降低制品的耐火度。成分分布不均勻，不能形成理想的高熔點礦物，耐火度降低。耐火材料在使用中經(jīng)受高溫作用的同時還伴隨有荷重和外物的溶劑作用等等。一些耐火原料及制品的耐火度名稱耐火度范圍/℃名稱耐火度范圍/℃結(jié)晶硅石1730～1770硅磚1690～1730高鋁磚1770～2000粘土磚1610～1750鎂磚＞2000硬質(zhì)粘土1750～1770白云石磚＞20002.5.2高溫荷重軟化溫度荷重軟化溫度指耐火材料在恒定的荷重下，對高溫和荷重共同作用的抵抗性能。也為高溫荷重變形溫度，耐火制品在持續(xù)升溫條件下，承受恒定載荷產(chǎn)生變形的溫度。耐火制品同時抵抗高溫和載荷兩方面作用的能力。測定荷重軟化溫度的方法有示差-升溫法和非示差-升溫法兩種。測定一般是加壓0.2MPa，從試樣膨脹的最高點壓縮至它原始高度的0.6％為軟化開始溫度，4％為軟化變形溫度及40％變形溫度。耐火制品的0.2MPa荷重變形溫度/℃耐火磚種類0.6％變形溫度（TH）4％變形溫度40％變形溫度（TK）TK-TH硅磚（耐火度1730℃）1650167020剛玉磚（Al2O390%）18701900莫來石磚（Al2O370%）160016601800200鎂磚（耐火度約2000℃）1550158030一級粘土磚（Al2O340%，耐火度1730℃）140014701600200三級粘土磚125013201500250各種耐火材料的荷重變形曲線1－高鋁磚（Al2O370%）；2－硅磚；3－鎂磚；4，6－粘土磚；5－半硅磚影響高溫荷重軟化溫度因素：(1)化學(xué)礦物組成。結(jié)晶相、晶體構(gòu)造和性狀，即晶體是否形成網(wǎng)絡(luò)骨架，或孤島狀分散在液相中，前者軟化溫度高，后者受液相的含量及其黏度所決定。晶相和液相的數(shù)量及液相在一定溫度下的黏度，如液相量愈多，或黏度愈小，則軟化溫度下降愈多。晶相與液相的相互作用會改變液相數(shù)量和性質(zhì)。粘土磚:由耐火粘土和粘土熟料制成。相組成是莫來石和大量硅酸鹽玻璃相，高溫荷重由玻璃相承擔(dān)，荷重能力主要決定于玻璃相的含量和黏度。硅酸鹽玻璃相在800~900℃下就開始變?yōu)轲ざ群艽蟮囊合唷ｋS溫度升高液相黏度基本沒有降低，因為晶相在液相中溶解量增多，使硅氧量增多，黏度增大。粘土磚具有很寬的荷重變形溫度范圍，達(dá)200℃。硅磚:相組成是鱗石英和少量方石英，鱗石英在磚中形成矛狀雙晶相互交錯構(gòu)成結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)，形成了制品的堅固骨架，網(wǎng)絡(luò)骨架不受破壞。液相的出現(xiàn)并不影響荷軟溫度（TH）,鱗石英在接近熔點時，由于溶解使骨架破壞，引起磚變形以至坍塌。開始變形溫度和終了溫度只差10~20℃。（2）制品的致密度影響。致密度提高，開始變形溫度升高，但對荷重終了溫度影響不大。在工藝因素中，燒成溫度、配料顆粒組成，原料純度，添加物等有影響。（3）

其他。熟料顆粒組成與氣孔率含量，熟料用量多會使氣孔率提高，降低體密度從而使軟化點降低。提高原料純度、減少低熔物或溶劑含量，會提高荷軟溫度。耐材使用中注意：實際使用時荷重遠(yuǎn)小于0.2MPa，開始變形溫度將提高。砌體在厚度上受熱不均勻，大部分負(fù)荷由溫度較低部分承擔(dān)。承受時間很長。同時還承受其他類負(fù)荷。高溫室璇頂使用溫度低于開始軟化點。2.5.3重?zé)€變化率體積穩(wěn)定性又稱重?zé)湛s或膨脹。耐火材料在高溫長期停留時體積發(fā)生的不可逆變化。大多數(shù)耐火材料高溫下會產(chǎn)生殘余收縮，而硅磚卻膨脹。殘余收縮或膨脹過大會使?fàn)t體強(qiáng)度受到影響，甚至發(fā)生倒塌。選材時要求殘余收縮或膨脹小，且不超過其使用溫度。重?zé)€變化計算式中

Lc為試樣重?zé)€變化率，％；L1為加熱后試樣長度，mm；L0為加熱前試樣長度，mm。上式計算結(jié)果正值表明膨脹，負(fù)值表明收縮。當(dāng)重?zé)w積變化很小時，可以用3ΔL表示體積變化百分率。各種不燒制品和耐火粉料不經(jīng)高溫?zé)杉葱惺褂?，重?zé)€變化的測定就更為重要。常用耐火材料的重?zé)€變化指標(biāo)材

質(zhì)品

種測試條件指標(biāo)值粘土質(zhì)N-11400℃，2h+0.1-0.4N-2a1400℃，2h+0.1-0.5N-2b1400℃，2h+0.2-0.5N-3aN-3bN-4N-51350℃，2h+0.2-0.5重?zé)€變化值是砌窯時預(yù)留脹縫和烤窯時制訂升溫曲線與松拉條的依據(jù)。盡可能小。較大的重?zé)€變化增加操作負(fù)擔(dān)，還影響窯爐氣密性和壽命。玻璃窯爐對硅磚、電熔鋯剛玉磚應(yīng)多注意。2.5.4抗熱震性熱穩(wěn)定性又稱為耐急冷急熱性。耐火材料抵抗溫度的急劇變化而不破裂或剝落的性能。對間歇式作業(yè)的設(shè)備特別重要。影響抗熱震性的因素是耐火材料的熱物理性質(zhì)（如導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù)）、組織結(jié)構(gòu)、顆粒組成和形狀尺寸。熱膨脹系數(shù)小、彈性模量小、熱導(dǎo)率大的材料抗熱震性好。YB/T376.1-1995直形磚水急冷法.將長200~230mm、寬100~150mm、厚50~100mm的直形磚的受熱端面伸入至1100℃的爐內(nèi)50mm，保持20min。取出試樣迅速將其受熱端浸入到流動冷水中急冷3min，然后干燥。用受熱端面破損一半的熱循環(huán)次數(shù)表征其抗熱震性。2.5.5抗渣性抗渣性指耐火材料在高溫下抵抗?fàn)t渣侵蝕和沖刷作用的能力。熔渣侵蝕是材料在使用中最常見的一種損壞形式。約有50%損壞是由熔渣侵蝕引起。耐材抗渣性主要與材料的化學(xué)礦物組成及組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與熔渣的性質(zhì)及相互條件有關(guān)。采用高純耐火原料，改善化學(xué)礦物組成，盡量減少低熔物及雜質(zhì)含量，制品產(chǎn)生液相及與外界開始反應(yīng)的溫度提高，可提高制品抗渣性。再者注意選材，盡量選用與渣的化學(xué)成分相近的耐材，減弱界面反應(yīng)強(qiáng)度。或是盡量改變渣的成分。耐材使用應(yīng)注意到所用材料之間化學(xué)特性應(yīng)相近，防止或減輕高溫下界面損毀反應(yīng)。不同耐火材料間的相互反應(yīng)溫度/℃硅磚無石英磚無無白泡石130013001300粘土磚1300140013001400高鋁磚1300145013001400無剛玉磚1400145014001300無無鋯剛玉磚800800800900140015001400鎂磚無無無無無無無1000鋯英石磚測定耐火材料抗渣性方法分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩類。靜態(tài)法包括熔錐法、坩堝法和浸漬法。熔錐法。將耐火材料與爐渣分別磨成細(xì)粉，按不同比例混合，制成截頭三角錐，其形狀、大小與標(biāo)準(zhǔn)測溫錐相同，然后按耐火度試驗方法進(jìn)行測試，以耐火度降低程度來表示耐火材料抗渣性的優(yōu)劣。坩堝法。耐火制品上切取邊長為80mm，高度為65mm的立方體，或鉆取直徑50mm、高50mm的圓柱體試樣，在其頂面中心鉆一直徑30~40mm、深度30~40mm孔，裝入爐渣，在規(guī)定溫度下加熱，并保持一定時間。冷卻后，從鉆孔的直徑部位切開，觀察爐渣對耐火材料的侵蝕情況。浸漬法。將耐火制品切成圓棒狀，在規(guī)定溫度下，浸入熔渣中，浸漬一定時間后，取出觀察侵蝕情況，測定其體積變化，計算侵蝕百分率。動態(tài)法包括回轉(zhuǎn)渣蝕法、轉(zhuǎn)動浸漬法、撒渣法、高溫滴渣法和感應(yīng)爐法?；剞D(zhuǎn)渣蝕法。將被檢測的耐火制品切制成一定形狀的試塊，可以是6塊或9塊。砌在一個小型回轉(zhuǎn)爐內(nèi)，爐體可自由傾斜，轉(zhuǎn)速為0~10r/min。用燃?xì)饧訜岬皆囼灉囟取Ｔ谝欢〞r間內(nèi)加入一定量的爐渣，視其渣蝕情況，持續(xù)一段時間，將渣倒出。冷卻后，拆開砌在一起的試塊，沿試塊的長度方向垂直渣蝕面切開，測量試驗前、后試塊厚度變化，計算渣蝕量，用mm或%表示。這是比較好的一種動態(tài)測定耐火材料抗渣性的試驗方法，特點是直觀、對比性強(qiáng)、重復(fù)性好。缺點是爐內(nèi)氣氛較難控制，試驗后試塊的厚度測量不易掌握。中國（GB8931）、美國（ASTMC874）以及英國（BS1902：5·13）都規(guī)定用這種方法作為檢測耐火材料抗渣性的標(biāo)準(zhǔn)方法。轉(zhuǎn)動浸漬法。亦稱旋棒法，與浸漬法不同點是將圓棒試樣浸入熔渣中旋轉(zhuǎn)一定時間后取出，觀察侵蝕情況。撒渣法。將耐火材料切制成長方體試樣，置于電爐內(nèi)，加熱到試驗溫度，將一定量的爐渣通過石英管分次均勻地撒布在試樣頂面中心處，保溫一定時間，冷卻后，測量熔渣侵蝕前后試樣的體積變化，計算其侵蝕百分率。高溫滴渣法。將爐渣壓制成棒狀，與水平面成10°角插入到耐火材料試樣的試驗爐內(nèi)，試樣的受蝕面與水平面成3010°角斜靠在爐壁上，當(dāng)加熱到試驗溫度時，渣棒熔化，不斷向前移動，使渣滴落在試樣的受蝕面上，流蝕成溝。冷卻后，從試樣下邊緣38mm處切開，測量渣蝕的寬度和深度，并測量蝕損的體積。感應(yīng)爐法。把要被檢測的耐火材料作成小型感應(yīng)爐爐襯，置于感應(yīng)圈內(nèi)，加入一定量的金屬，待其熔化后，再加入一定量的爐渣，在試驗溫度下保持一定時間。冷卻后，切開爐襯的斷面，觀察比較其侵蝕情況。這種方法比較好，特點是直觀、對比性強(qiáng)、爐內(nèi)氣氛易于控制。缺點是設(shè)備復(fù)雜、昂貴。耐玻璃侵蝕性是高溫下抵抗玻璃料粉、玻璃液及堿、硼蒸氣等侵蝕的性能。以試樣被侵入深度和侵蝕后礦相的變化來表示。浸漬法坩堝法2.5.6抗酸性耐火材料抵抗酸侵蝕的能力。根據(jù)《致密耐火制品耐酸性的規(guī)定》：

1組，失重量≤2%；

2組，2%＜失重量≤4%；3組，4%＜失重量≤7%。顯氣孔率：分為A級≤15%；B級＞15%。耐酸耐火制品牌號表示，用失重量的組別號數(shù)加表示級別的字母。測定耐火制品抗酸性的方法：選用硫酸作為侵蝕劑，如國際標(biāo)準(zhǔn)《致密定型耐火制品—抗硫酸的測定》（ISO8890）和PRE/R22，規(guī)定將耐火制品破碎，磨細(xì)到0.63~0.80mm的顆粒，放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的硫酸中，煮沸6h，然后測定其質(zhì)量損失，以原干料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。2.5.7抗堿性抗堿性是耐火材料在高溫下抵抗堿侵蝕的能力。耐火材料在使用中會受到堿的侵蝕，例如在高爐冶煉，關(guān)系到高爐爐襯的使用壽命，提高耐火制品的抗堿性，可以延長高爐的使用壽命。測定耐火材料制品抗堿性的方法：（1）混合侵蝕法。用焦碳顆粒與無水K2CO3混合，把試塊埋置其中，在高溫密封條件下進(jìn)行侵蝕反應(yīng)，測定試塊被侵蝕前后的尺寸變化或強(qiáng)度下降率。（2）直接接觸熔融侵蝕法。在高溫密封條件下，以熔融的K2CO3與試塊直接接觸進(jìn)行侵蝕反應(yīng)，測定試塊被侵蝕前后各種性能的變化，2.5.8抗氧化性含碳耐火材料在高溫氧化氣氛下抵抗氧化的能力。含碳耐火材料優(yōu)良的抗渣及抗熱震性使其在冶金行業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛。但是碳在高溫下易氧化，損壞的重要原因。要提高含碳耐火材料的抗氧化性，可選擇抗氧化能力強(qiáng)的炭素材料；改善制品的結(jié)構(gòu)特征，增強(qiáng)制品致密程度，降低氣孔率；使用微量添加劑，如Si、Al、Mg、Zr、SiC、B4C等。GB/T13244-1991規(guī)定了含碳耐火材料抗氧化性試驗方法。含氧化抑制劑的含碳耐火材料，將試樣置于爐內(nèi)，在氧化氣氛中按規(guī)定的加熱速率加熱至試驗溫度，并保持一定時間，冷卻至室溫后切成兩半，測量其脫碳層厚度。試樣為邊長50mm的立方體或直徑與