耐火材料的組成和性質

2024/11/7材料科學與工程學院1第一章耐火材料的組成和性質

耐火材料是構筑熱工設備的高溫結構材料，在使用過程中除承受高溫作用外，還不同程度地受到機械應力、熱應力作用，高溫氣體、熔體以及固體介質的侵蝕、沖刷、磨損。耐火材料的質量取決于其性質，為了保證熱工設備的正常運行，所選用的耐火材料必須具備能夠滿足和適應各種使用環(huán)境和操作條件的性質。

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耐火材料的性質主要包括:化學-礦物組成、組織結構、力學性質、熱學性質及高溫使用性質等。根據(jù)這些性質可以預測耐火材料在高溫環(huán)境下的使用情況。耐火材料所具有的各種性質是熱工設備選擇結構材料的重要依據(jù)，通常按照熱工設備的工作性質與操作環(huán)境，來研制、設計、生產或選擇能適應操作環(huán)境、滿足使用要求的耐火材料。

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檢測標準

各國的檢驗標準有所不同，由于實驗室條件下的檢驗和實際有一定的差距；實驗室的檢驗結果僅起到預測作用；蘇聯(lián)：TOCT

日本：JIS（JapaneseIndustrialStandards)

英國：BSI（BritishStandardsInstitution）

美國：ASTM（AmericanSocietyofTestingMaterials）中國：GB2024/11/7材料科學與工程學院4第一節(jié)耐火材料的化學礦物組成一、化學組成

耐火材料的化學組成即耐火材料的化學成分，它是耐火制品的最基本特性之一。是決定耐火材料的物相組成以及很多重要性質如抗渣侵蝕性能、耐高溫性能、力學性能等的重要基礎。通常將耐火材料的化學組成按各個成分含量的多少及作用分為以下幾類：

2024/11/7材料科學與工程學院5是耐火材料的特性基礎。主成分可以是:氧化物（如SiO2、Al2O３、ZrO2、Cr2O３、MgO、CaO）；可以是元素（如C）；或非氧化物（如SiC）。按主成分將耐火材料分成三類（如概述介紹的按化學特性分一樣）：酸性、中性和堿性耐火材料。1、主成分2024/11/7材料科學與工程學院6耐火材料的原料大多數(shù)是天然礦物，在耐火材料中含有一定量的雜質。這些雜質是某些能與耐火基體作用而使其耐火性能降低的氧化物或化合物，即通常稱為熔劑的雜質。例如鎂質耐火材料化學成分中的主成分為MgO，其他氧化物成分屬于雜質成分。一般而言，單位熔劑在高溫下生成的液相量愈多，且隨溫度升高液相量增加愈多，說明該雜質熔劑作用愈強，使耐火性能下降愈多。在生產中愈要注意降低其含量。２、雜質成分2024/11/7材料科學與工程學院7在耐火制品生產中，為了促進其高溫變化和降低燒結溫度，有時加入少量的添加成分。添加成分按其目的和作用的不同分為：礦化劑、穩(wěn)定劑和燒結助劑。除可燒掉成分外，它們都包含在制品的化學成分中。

(1)礦化劑：促進某相轉變而加入的成分。

：在硅磚生產中，加入的鐵鱗、石灰乳作為礦化劑使高溫α-方石英轉變成α-鱗石英。如３、添加成分2024/11/7材料科學與工程學院8

：ZrO2在高溫下發(fā)生以下轉變，并伴隨體積效應。

1100～1200℃單斜ZrO2

四方ZrO2－△V（7～9%）

900～1000℃

當純ZrO2在冷卻時會發(fā)生體積膨脹，導致制品疏松甚至開裂，所以要加入穩(wěn)定劑如：Y2O３、CaO、MgO，使四方ZrO2在常溫下能夠穩(wěn)定存在。其中以CaO與MgO使用的最多。如(２)穩(wěn)定劑：2024/11/7材料科學與工程學院9

如：高級耐火材料------SiC耐火材料它的鍵合性質是共價鍵，共價鍵份額占88%，晶格能非常大，難以燒結，在不加壓固相燒結過程中，即使足夠高的溫度下，粉末（3～5μm）之間也僅有微量的頸部長大，而不發(fā)生體積收縮致密化。研究表明SiC能夠在燒結助劑活化下不加壓固相燒結得比較致密，Mizrah等人用質量分數(shù)約為0.5%B（以B4C的形式加入）和3.0%石墨的燒結助劑，使粒度為1.7μmα-SiC生坯可以在2150℃下燒結到99%理論密度。試驗Al2O3-SiC-C搗打料時，用多種燒結助劑促進該材料的燒結，得到較好的效果。（３）燒結助劑2024/11/7材料科學與工程學院10二、礦物組成1．礦物定義是指地殼中的化學元素，經過各種地質作用所形成的，并在一定條件下相對穩(wěn)定的單質或化合物。礦物具有比較均一的成分和內部結構，因此具有一定的幾何形態(tài)和物理化學性質。如：石墨（單質C，鱗片狀結構）、剛玉（簡單化合物Al2O３、三方晶系，呈桶狀，短柱狀）目前還存在“人造礦物”如：人造金剛石，水泥熟料中的A礦（C3S）、B礦（C2S）等。2024/11/7材料科學與工程學院11

2．礦物的同質多象現(xiàn)象同種化學成分的物質在不同的外界條件下，可生成結構不同，形態(tài)和物理性質方面均有差異的礦物，這種現(xiàn)象稱為同質多象現(xiàn)象（變體）。

如：SiO2在不同的條件下有不同的晶體結構，表現(xiàn)出不同的性質。

又如：耐火原料中的“三石”也屬于同質多象變體，它們的化學組成同為Al2O3·SiO2，但不同的晶體結構，所以表現(xiàn)出不同的性質。對礦物的同質多象僅用化學分析是分析不出的，用如下鑒定方法：X-ray射線衍射；顯微鏡分析；差熱分析（DTA）和熱重分析（TG）。2024/11/7材料科學與工程學院12

３、耐火材料的礦物組成耐火材料是一個多相組成體，其礦物組成取決于耐火材料的化學組成和生產工藝條件，礦物組成可分為兩大類：結晶相（主晶相、次晶相）

玻璃相2024/11/7材料科學與工程學院13主晶相

主晶相是指構成耐火制品結構的主體而且熔點較高的結晶相，通常是由一定配比的原料在不同的工藝條件下，通過高溫物理化學反應形成的，耐火制品中的主晶相隨著其在平衡體系中的組分和相對含量的不同而有所不同。主晶相的性質、數(shù)量、結合狀態(tài)直接決定著耐火制品的性質。

如:鎂鉻磚中的主晶相是方鎂石；鎂鋁磚中的主晶相是方鎂石等。2024/11/7材料科學與工程學院14主晶相

次晶相又稱第二固相，是在高溫下與主晶相共存的第二晶相。次晶相也是熔點較高的晶體，它的存在可以提高耐火制品中固相間的直接結合，同時可以改善制品的某些特定的性能。

如:鎂鉻磚中與方鎂石并存的尖晶石，鎂鋁磚中的尖晶石，鎂鈣磚中的硅酸二鈣，鎂硅磚中的鎂橄欖石等。如:鎂鉻磚中，氧化鉻與氧化鎂反應生成的鎂鉻尖晶石存在與方鎂石主晶相間，提高了制品中結晶相間的固-固結合程度和兩面角，從而提高了制品的高溫結構強度以及抗熔渣滲透、侵蝕的能力。2024/11/7材料科學與工程學院15基質

(一般以細粉形式加入，最終在耐火制品中形成的)

填充與主晶相之間的不同成分的結晶礦物（次晶相）和玻璃相統(tǒng)稱為基質，也稱為結合相?；|的組成和形態(tài)對耐火制品的高溫性質和抗侵蝕性能起著決定性的影響。因為基質對于主晶相而言是制品的相對薄弱之處，在使用中無論物理因素還是化學因素的破壞，往往首先從基質部分開始，基質被破壞后主晶相失去基質的保護才被損壞。

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為了提高耐火制品的使用壽命，在生產實踐中，往往采取調整和改變制品的基質組成的工藝措施，來改善和提高耐火制品的性質。2024/11/7材料科學與工程學院17

這樣在主晶相和基質的配合方面存在兩種情況：

a、陶瓷結合:又稱為硅酸鹽結合，其結構特征是耐火制品主晶相之間由低熔點的硅酸鹽非晶質和晶質聯(lián)結在一起而形成結合。

如：普通鎂磚中硅酸鹽基質與方鎂石之間的結合。此類耐火制品在高溫使用時，低熔點的硅酸鹽首先在較低的溫度下成為液相（或玻璃相軟化），大大降低了耐火制品的高溫性能。

2024/11/7材料科學與工程學院18MgOABC

MgOSiO2CaO(wt%)A24.8339.0936.08B11.7037.0051.30C11.5436.2952.17耐火材料中陶瓷結合示意圖2024/11/7材料科學與工程學院19

b、直接結合:指耐火制品中，高熔點的主晶相之間或主晶相與次晶相間直接接觸產生結晶網絡的一種結合，而不是靠低熔點的硅酸鹽相產生結合。直接結合耐火制品一般具有較高的高溫力學性能，與材質相近的硅酸鹽結合的耐火制品相比高溫強度可成倍提高，其抗渣蝕性能和體積穩(wěn)定性也較高。如：高純鎂磚及鎂鉻磚中方鎂石晶體之間、方鎂石與尖晶石之間即為直接結合。2024/11/7材料科學與工程學院20一種致密氧化鋁材料圖示2024/11/7材料科學與工程學院21兩種情況的比較：經過實驗證明，屬于直接結合的耐火制品高溫性能（高溫力學強度、荷重軟化溫度、高溫蠕變、抗渣性等）要優(yōu)越的多。

圖1-1硅酸鹽結合與直接結合顯微結構示意圖2024/11/7材料科學與工程學院22

如何制造直接結合？

①采用高純原料，減少制品中低熔物成分；②在高溫下使少量液相移向顆粒間隙中,而不是包圍在固體顆粒周圍，使固體顆粒構成連續(xù)的結晶網，形成直接結合的特征結構。2024/11/7材料科學與工程學院23

耐火材料是由固相（包括結晶相與玻璃相）和氣孔兩部分構成的非均質體。其中各種形狀的氣孔和固相之間的宏觀關系構成耐火材料的宏觀組織結構。第二節(jié)耐火材料的組織結構包括：氣孔率（porosity）吸水率（waterabsorbility）真密度（truedensity）體積密度（bulkdensityorvolumedensity）2024/11/7材料科學與工程學院24一：氣孔率（porosity）

耐火材料（或耐火制品）中氣孔體積與總體積之比稱為氣孔率。耐火材料中的氣孔可分為三類（見圖1-2）：

耐火制品中氣孔類型2024/11/7材料科學與工程學院25

在研究氣孔對耐火制品使用過程中被外界介質侵入而加速其破壞時發(fā)現(xiàn)，貫通氣孔和開口氣孔起著主要作用，閉口氣孔影響很小。因此，為了簡便起見，通常將上述三類氣孔合并為兩類，即開口氣孔（包括貫通氣孔）和封閉氣孔。

（1）封閉氣孔：封閉在制品中不與外界相通；（2）開口氣孔：一端封閉，另一端與外界相通，能為流體填充；（3）貫通氣孔：貫通制品的兩面，能為流體流過。

2024/11/7材料科學與工程學院26耐火材料中存在的氣孔1）原料中的氣孔（原料沒有燒好）；2）制品成型時，顆粒間的氣孔；2024/11/7材料科學與工程學院27氣孔率有三種表示，即：（1）總氣孔率（真氣孔率）Pt（totalporosity）：

它是總氣孔體積與制品體積之比；（2）開口氣孔率（顯氣孔率）Pa(apparentporosity)：它是開口氣孔體積與制品體積之比；（3）閉口氣孔率Pc(closeporosity)：它是閉口氣孔體積與制品體積之比；三者之間的關系：Pt=Pa+Pc2024/11/7材料科學與工程學院28

由于顯氣孔率的測定較為容易，所以耐火材料氣孔率的指標常以顯氣孔率來表示：

式中：Pa—顯氣孔率；

V1—制品中開口氣孔的體積；

V0—制品的總體積，即試樣外表面圍成的體積亦稱表觀體積。

2024/11/7材料科學與工程學院29顯氣孔率的測定方法：

中國標準（GB/T2997-1982）和國際標準（ISO5017）規(guī)定：用體積為50～200cm3的試樣。①先稱干試樣的質量m1；②然后讓試樣在容器中抽真空，在加入液體充分飽和試樣，稱量飽和試樣在空氣中的質量m3；③飽和試樣的表觀質量m2（指飽和試樣完全淹沒在浸液中時，飽和試樣的質量減去被排開的液體的質量）。

顯氣孔率按下式計算：

Pa=(m3

－m1)/(m3

－m2)×100%2024/11/7材料科學與工程學院30

實驗室如何測量顯氣孔率：干重W1；飽和重W2；懸浮重W3；懸浮金屬絲重量WW

；Po顯氣孔率2024/11/7材料科學與工程學院31

吸水率：耐火制品全部開口氣孔所吸收的水的質量與干燥試樣的質量百分比。測定意義：判斷原料（<5%）或制品質量的好壞、燒結與否、是否致密。同時可以預測耐火材料的抗渣性、透氣性能和熱震穩(wěn)定性能。吸水率的測定方法：中國標準（GB/T2997-1982）規(guī)定：用水作為液體。

吸水率按下式計算：

Wa=(m3－m1)/m1×100%二：吸水率（waterabsorbility）2024/11/7材料科學與工程學院32

體積密度：是耐火制品的質量與其總體積（包括氣孔）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質量標準中的基本指標之一。

體積密度按下式計算：

Db=m1·ρ液/（m3－m2）對于同一種耐火制品而言，其體積密度與顯氣孔率呈負相關關系，即制品的體積密度大則顯氣孔率就低。三：體積密度（bulkdensityorvolumedensity）2024/11/7材料科學與工程學院33

如何測量體積密度：干重W1；飽和重W2；懸浮重W3；懸浮金屬絲重量WW

；D體積密度ρw：浸漬液體的比重2024/11/7材料科學與工程學院34

真密度：是耐火制品的質量與其真體積（不包括氣孔體積）之比。真密度的測量方法：中國標準（GB/T5017-1997）和國際標準（ISO5018）規(guī)定，把材料破碎、磨細到盡可能無封閉氣孔存在的顆粒后，用測量試樣的干燥質量和真體積來測量真密度。真密度按下式計算：

ρ=m1·ρ液/（m1＋m3－m2）

m1

為試樣的干燥質量；

m2為裝有試樣和所用液體比重瓶的質量；

m3為裝有所用液體的比重瓶的質量。四：真密度（truedensity）2024/11/7材料科學與工程學院35五：透氣度（permeability）

透氣度：耐火制品允許氣體在壓差下通過的性能。透氣度主要是由貫通氣孔的大小、數(shù)量和結構決定的。

耐火材料中存在以下兩種情況：

（1）盡量減少制品的透氣度。如：熱電偶保護管，高爐上部的砌磚以及其他爐體的襯磚，透氣度要求越小越好。

（2）要求制品有良好的透氣度。如：近年來，鋼包、中間包通過透氣磚吹氬對鋼液進行凈化處理，要求該耐火材料有一定的貫通氣孔。2024/11/7材料科學與工程學院36

測量方法：中國標準（GB/T3000-1982）規(guī)定，測定直徑50㎜，高50㎜的圓柱體試樣，在三個不同壓差下，流過試樣兩端面氣體的流量。

下式計算試樣的透氣度：

K=2.16×109η·h/d2·Q/△P·2P1/(P1＋P2)η—試驗溫度下氣體的粘度，Pa·s；

h—試樣高度，mm；

d—試樣直徑，mm；

Q—氣體的體積流量，L/min；

P1—氣體進入試樣一端的壓力，mmH2O；

P2—氣體流出試樣另一端的壓力，mmH2O；△P—試樣兩端的壓差，mmH2O，△P=P1－P2。2024/11/7材料科學與工程學院37

氣孔率和體積密度等技術指標只是表征耐火制品中氣孔體積的多少和制品的致密程度，但并不能夠反映氣孔的大小，分布和形狀。耐火制品在使用過程中侵蝕介質浸入、滲透與氣孔的大小、形狀等密切相關，一般而言，耐火制品的透氣度越高，其抵抗熔渣滲透、侵蝕的能力越差。2024/11/7材料科學與工程學院38熱膨脹（thermalexpansioncoefficient）第三節(jié)耐火材料的熱學性能熱導率（thermalconductivity）2024/11/7材料科學與工程學院391、定義：耐火材料的體積或長度隨著溫度的升高而增大的物理性質稱為熱膨脹。2、表示方法：

膨脹系數(shù):

線膨脹系數(shù)(α)或體積膨脹系(β)

膨脹百分率:

線膨脹百分率或體積膨脹百分率

一：熱膨脹（thermalexpansioncoefficient）2024/11/7材料科學與工程學院40

膨脹系數(shù)：耐火制品由室溫至試驗溫度間，溫度每升高1℃，體積（長度）的相對變化率。

體積膨脹系數(shù)：β=(Vt－V0)/V0(t－t0)

線膨脹系數(shù)：

α=(lt－l0)/l0(t－t0)

Vt

、lt—分別是試樣在溫度為t時的體積和長度。

V0

、l0—分別是試樣在溫度為t0時的體積和長度。注：如果線膨脹系數(shù)很小，則β=3α。

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膨脹百分率則是指耐火材料由室溫加熱至試驗溫度時，試樣體積或長度的變化百分率。

2024/11/7材料科學與工程學院42３、測試方法（１）頂桿式間讀法（２）望遠鏡直讀法2024/11/7材料科學與工程學院43４、討論

（1）熱膨脹系數(shù)與何因素有關？

熱膨脹性能取決于它的化學礦物組成，且與耐火材料中結晶相的晶體結構及鍵強密切相關。鍵強高的材料具有低的熱膨脹系數(shù)(SiC)；

離子鍵型如：Al2O3、MgO以氧離子緊密堆積結構，所以一般線膨脹系數(shù)較大；共價鍵形如：SiC等一般線膨脹系數(shù)較小組成相同的材料，晶體結構不同，其熱膨脹系數(shù)也不同(石英和石英玻璃）；加熱過程中，存在多晶轉變的材料，其熱膨脹系數(shù)也要發(fā)生相應的變化（鱗石英、方石英）。2024/11/7材料科學與工程學院44（２）為什么測定熱膨脹系數(shù)？窯爐設計的重要參數(shù)；用耐火材料砌筑爐體內襯時，應預留一定的膨脹縫；新砌的窯爐在烘烤時，應有合理的烘烤溫度曲線；

可間接判斷耐材熱震穩(wěn)定性能。2024/11/7材料科學與工程學院45１、定義：指在單位時間內，在單位溫度梯度下，單位面積試樣所通過的熱量，用λ表示。

二、熱導率（thermalconductivity）其中：λ—導熱率（W/m·K）；

ΔQ—Δt時間沿x軸方向穿過ΔF截面上的熱量（W/m2

）；

?T/?x—沿x軸方向的溫度梯度（K/m）。2024/11/7材料科學與工程學院46

熱導率對高溫熱工設備設計必不可少的重要數(shù)據(jù)。如：采用熱導率小的隔熱材料砌筑可以減少厚度和熱損失；采用熱導率大的材料作為隔煙板和換熱器管，可以提高爐膛溫度和傳熱效率。

2、目的：2024/11/7材料科學與工程學院47４、討論：熱傳導與哪些因素有關？（1）化學礦物組成

化學礦物組成越復雜，雜質含量越高，添加成份形成的固溶體越多，熱導率降低越明顯。（2）晶體結構

一般晶體結構愈復雜，熱導率愈低；光子傳導與聲子傳導。等軸晶系的晶體存在各向異性；耐火材料為多相結合體，可以認為熱導率為各向同性。（3）溫度的影響

一般晶體為負的熱導率溫度系數(shù)，即dλ/dT＜0，大多數(shù)晶體隨溫度升高熱導率下降；非晶體如：玻璃質物質具有正的熱導率溫度系數(shù)，即dλ/dT＞0。耐火材料熱導率溫度系數(shù)較為復雜。2024/11/7材料科學與工程學院48（4）氣孔的影響耐火材料中所含的氣孔對其熱導率的影響最大。一般說來，在一定的溫度范圍內，氣孔率越大，熱導率越低。氣體熱導率較低，所以耐火材料中的氣孔降低了熱導能力。

如：南極人，北極絨保暖內衣利用中孔纖維，降低了熱導能力，從而達到了保暖目的。很多工業(yè)窯爐用隔熱耐火材料，就是提高了材料的氣孔率，防止熱量的散失。2024/11/7材料科學與工程學院49

耐火材料的力學性質是指制品在不同條件下的強度等物理指標，是表征耐火材料抵抗不同溫度下外力造成的形變和應力而不破壞的能力。耐火材料的力學性質通常包括耐壓強度、抗折強度、扭轉強度、耐磨性、彈性模量及高溫蠕變等。第四節(jié)耐火材料的力學性能2024/11/7材料科學與工程學院50一、耐壓強度

定義：耐火材料的耐壓強度包括常溫耐壓強度和高溫耐壓強度，分別是指常溫和高溫條件下，耐火材料單位面積上所能承受的最大壓力，以牛頓/毫米2（或MPa）表示?？砂聪率接嬎悖?/p>

式中Cs—耐火制品的耐壓強度，單位：MPa；

P—試樣破壞時所承受的極限壓力，牛頓；

A—試樣承受載荷的面積，毫米2。

2024/11/7材料科學與工程學院51意義：

常溫耐壓強度指標通?？梢苑从成a中工藝制度的變動。因此，常溫耐壓強度也是檢驗現(xiàn)行工藝狀況和制品均一性的可靠指標。

高溫耐壓強度表明制品的成型坯料加工質量、成型坯體結構的均一性及磚體燒結情況良好;同時還反映了耐火材料在高溫下結合狀態(tài)的變化。特別是加入一定數(shù)量結合劑的耐火可塑料和澆注料，由于溫度升高，結合狀態(tài)發(fā)生變化時，高溫耐壓強度的測定更為有用。2024/11/7材料科學與工程學院52

測試方法：

中國標準GB/T5072-1985規(guī)定在磚體上切取邊長為40～100mm的正方體，在液壓機上加壓，直至試樣破壞。根據(jù)記錄的最大載荷和試樣的面積，用下式計算常溫耐壓強度：

S=P/AN/mm2,MPaA=(A1＋A2)/2mm2

P—試樣破碎時的最大載荷，NA1，A2—試樣上、下受壓面的面積,mm2。圖1-2耐壓強度簡示圖2024/11/7材料科學與工程學院53二、抗折強度定義：耐火材料的抗折強度包括常溫抗折強度和高溫抗折強度，分別是指常溫和高溫條件下，耐火材料單位截面積上所能承受的極限彎曲應力，以牛頓/毫米2（或MPa）表示。它表征的是材料在常溫或高溫條件下抵抗彎矩的能力，采用三點彎曲法測量。2024/11/7材料科學與工程學院54

式中：R—抗折強度，N/mm2（MPa）；

W—試樣斷裂時所施加的最大載荷，N；

l—試樣底面兩支撐點之間的距離，mm；

b、d—試樣的長度或寬度，mm。2024/11/7材料科學與工程學院55

定義:

耐磨性是指耐火材料抵抗堅硬物料或含塵氣體的磨損作用（研磨、摩擦、沖擊等）的能力。在許多情況下耐磨性也決定耐火材料的使用壽命。

如：①高爐上部的砌磚受到球團下降的磨損，還受到上升氣流的沖刷；②焦爐焦化室的砌磚受到焦碳的磨損作用和CO氣體的沖刷;③水泥回轉窯的砌磚受到生料及熟料的磨損。懸浮預熱器的管道內襯受到含塵氣流的沖刷，等等。

測定方法：回轉法和噴沙法。通常以一定條件下制品的質量或體積損失來表示。三：耐磨性（abrasionresistence）2024/11/7材料科學與工程學院56

１、定義：指耐火制品在高溫下受應力作用隨著時間變化而發(fā)生的等溫形變。

２、分類：根據(jù)施加荷重形式：

高溫壓縮蠕變高溫抗折蠕變高溫拉伸蠕變高溫彎曲蠕變高溫扭轉蠕變常用的是高溫壓縮蠕變。

四、高溫蠕變性（creepathightemperature）2024/11/7材料科學與工程學院57

高溫壓縮蠕變的表示方法一般以某一恒定溫度（℃）和荷重（MPa）條件下，制品的變形量（%）與時間（h）的關系曲線即蠕變曲線來表示，也可用某一時段內（如25-50小時）制品的變形量（%）來表示。2024/11/7材料科學與工程學院58

３、蠕變的測定：

中國標準GB/T5073-1985規(guī)定在恒壓下，以一定的升溫速率，加熱規(guī)定尺寸的試樣，在指定溫度下恒溫，記錄試樣隨時間的變形量。

蠕變的計算：

C=(Ln－L0)/Li×100%

Ln—試樣恒溫n小時的高度，mm；

Li—試樣原始高度，mm；

L0—試樣恒溫開始時的高度，mm。

2024/11/7材料科學與工程學院59４、典型的蠕變曲線

分三個階段:（1）1次蠕變：也叫初次蠕變或減速蠕變。這一階段較為短暫。（2）2次蠕變：也叫粘性蠕變或均速蠕變。（3）3次蠕變：加速蠕變。

隨溫度升高，壓力增加，蠕變曲線會變陡。彈性變形1次蠕變2次蠕變3次蠕變ⅠⅡⅢ蠕變變形率/%時間2024/11/7材料科學與工程學院605、影響因素有哪些？

（1）使用條件，如溫度、荷重、時間、氣氛等；（2）材質，如化學組成、礦物組成；（3）顯微組織結構。2024/11/7材料科學與工程學院616、測定耐火材料蠕變的意義？①研究耐火材料在高溫下由于應力作用而產生的組織結構的變化；②檢測制品的質量和評價生產工藝；③測定制品在不同溫度和荷重下的蠕變曲線，可以了解制品發(fā)生蠕變的最低溫度，不同溫度下的蠕變速率和高溫應力下的變形特征，確定制品保持彈性狀態(tài)的溫度范圍和呈現(xiàn)高溫塑性的溫度范圍。2024/11/7材料科學與工程學院62

舉例：

實際使用如高爐（特別是大高爐）為什么爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸等部位用磚不一樣？目前一代高爐壽命長達10年，在長時間的高溫和負荷作用下，耐火材料必定發(fā)生形變，即蠕變。蠕變大小直接影響高爐壽命。2024/11/7材料科學與工程學院63

定義：材料在其彈性范圍內（即符合虎克定律的彈性體），在荷載σ（應力）的作用下，產生變形ε（應變），當荷載去除后，材料仍恢復原來的形狀和尺寸，此時應力和應變的比值稱為彈性模量，也稱楊氏模量。它表示材料抵抗變形的能力，可用下式表示：式中：E—彈性模量；σ—材料所受應力；

e—材料相對長度變化。

五、彈性模量2024/11/7材料科學與工程學院64

耐火材料制品在各種不同的窯爐中服役時，長期處于高溫狀態(tài)下。耐火材料耐高溫的性質好壞能否滿足各類窯爐工作條件的要求，是材料選用的重要依據(jù)，因此耐火制品的高溫性質也是最重要的基本性質。

耐火度

高溫荷重軟化溫度

高溫體積穩(wěn)定性

抗熱震性（熱震穩(wěn)定性)

抗渣性、抗氧化性第五節(jié)耐火材料的高溫使用性能2024/11/7材料科學與工程學院651、定義：耐火度是指耐火材料在無荷重時抵抗高溫作用而不熔化的性能。耐火度是判定材料能否作為耐火材料使用的依據(jù)。

一、耐火度（refractoriness）2024/11/7材料科學與工程學院662、耐火度與熔點的區(qū)別？

（1）熔點指純物質的結晶相與液湘處于平衡時的溫度，且是一個物理常數(shù)；如：純氧化鋁熔點：2050℃；純氧化鎂熔點：2800℃；純二氧化硅熔點：1713℃。（2）耐火材料是由各種礦物相組成的多相固體混合物，并非單相的純物質，（故沒有一定的熔點。當達到某一溫度時，某些礦物相會熔化，而某些礦物相不會熔化。隨溫度繼續(xù)升高，熔化的程度增加，）即熔融是在一定的溫度范圍內進行的，是一個工藝指標。2024/11/7材料科學與工程學院67

中國標準GB/T7322-1997規(guī)定：試樣做成截頭三角錐，截面為等邊三角形，下底邊長8㎜，上底長2㎜，高30㎜。試錐以一定升溫速度加熱，達到某一溫度開始出現(xiàn)液相，溫度繼續(xù)升高液相量逐漸增加,粘度減小，試錐在重力作用逐漸軟化彎倒,當其彎倒至頂點與底接觸的溫度，即為試樣的耐火度。

3、耐火度的測定圖試錐在不同熔融階段的彎倒情況abca－熔融開始以前b－在相當于耐火度的溫度下c－在高于耐火度的溫度下2024/11/7材料科學與工程學院68

試錐頂部彎倒接觸底盤時的溫度是如何測得？

采用同標準錐（俗稱火錐）比較。標準錐有一系列，分別代表不同溫度，將連續(xù)的三個標準錐同試錐放在一起進行升溫，試錐與某一個標準錐同時彎倒，就用該標準錐的溫度代表試樣的耐火度。2024/11/7材料科學與工程學院69標準錐的錐號

各個國家標準錐的規(guī)格不同。世界上常見的測溫錐有德國的塞格爾錐（Segerkegel,縮寫為SK）、國際標準化組織的標準測溫錐（ISO）、中國的標準測溫錐（WZ）和前蘇聯(lián)的標準測溫錐（пк）等。其中ISO、WZ、пк是一致的。美國、日本、英國用SK錐。2024/11/7材料科學與工程學院70

中溫部分

高溫部分WZ標號пк標號SK標號德國標準/℃美國標準℃WZ標號пк標號SK標號德國標準/℃美國標準℃110110111001160158158261580159511211221120116516116127161016051141143114011701631632816301615116116411601190165165291650164011811851180120516716730167016501201206120012301691693116901680123123712301250171171321710170012512581250126017317333173017451281289128012851751753417501760130130101300130517717735177017851321321113201325179179361790181013513512135013351821823718201820138138131380135018518538185018351411411414101400188188391880143143151430143519219240192014614616146014651961964119601481481714801475200200422000150150181500149015215219152015201531532015301530

表1-1測溫錐的WZ、пк、SK標號對照表2024/11/7材料科學與工程學院71名稱耐火度范圍/℃名稱耐火度范圍/℃結晶硅石1730～1770高鋁磚1770～2000硅磚1690～1730鎂磚＞2000硬質粘土1750～1770白云石磚＞2000粘土磚1610～1750

一些耐火原料及制品的耐火度2024/11/7材料科學與工程學院72

耐火材料達到耐火度時實際上已不具有機械強度了，因此耐火度的高低與材料的允許使用溫度并不等同，也就是說耐火度不是材料的使用溫度上限，只有綜合考慮材料的其它性能和使用條件，才能作為合理選用耐火材料的參考依據(jù)。以鎂磚為例，其耐火度高達2000℃以上，但允許使用溫度大大低于耐火度。耐火度的意義：評價原料純度和難熔程度；

2024/11/7材料科學與工程學院73４、影響耐火度的因素有哪些？耐火制品的化學礦物組成及其分布狀態(tài)是影響其耐火度的主要因素；雜質成分特別是強熔劑作用的雜質，將嚴重降低制品的耐火度；同時，測定條件也將影響到耐火度的大小，如：粉末的粒度、測溫錐的安裝、升溫的速率及爐內的氣氛（針對變價元素，如Fe2+與Fe3++之間的轉變）。2024/11/7材料科學與工程學院741、定義:

指耐火制品在持續(xù)升溫條件下承受恒定載荷產生某一特定形變的溫度。它表示了耐火制品同時抵抗高溫和載荷兩方面作用的能力，在一定程度上表明制品在其使用條件相仿情況下的結構強度與變形情況，因而是耐火制品的重要性能指標。二、高溫荷重變形溫度

(refractorinessunderload）2024/11/7材料科學與工程學院75２、測定方法

1)中國標準GB/T5989-1998:示差-升溫法

樣品尺寸：φ50×50㎜施加載荷：0.2MPa

升溫速度：＜1000℃4～5℃/min;＞1000℃5～10℃

記錄試樣中心溫度及變形量，得溫度－變形曲線。分別報告自膨脹最高點壓縮試樣原始高度的變形0.5%、1.0%、2.0%和5.0%相對應的T0.5、T1.0、T2.0和T5.0。

2024/11/7材料科學與工程學院762)中國冶標（YB/T370-1995）規(guī)定用非示差-升溫法

樣品尺寸：φ36×50mm;施加載荷：0.2MPa

結果報告：①試樣自膨脹最高點被壓縮0.3mm，即試樣壓縮

0.6%時對應的溫度，稱為試樣的軟化開始溫度或0.6%變形溫度即通常所說的荷重軟化點；②試樣自膨脹最高點被壓縮2mm時對應的溫度稱為試樣的4%變形溫度；③試樣自膨脹最高點被壓縮2０mm時對應的溫度稱為試樣的40%變形溫度（或潰裂溫度）。2024/11/7材料科學與工程學院77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-粘土磚Ⅰ；5-半硅磚；6-粘土磚

Ⅱ2024/11/7材料科學與工程學院78３、討論（1）影響荷軟的因素？

取決于材料的化學礦物組成

①結晶相、晶體構造和性狀（網絡骨架高；孤島狀低）；

②晶相及液相的數(shù)量及液相的粘度；

③晶相及液相之間的相互作用改變晶相和液相的數(shù)量；

工藝條件：氣孔率低、體積密度大，荷軟溫度較高。

測試條件：升溫速度快，荷軟溫度較高

2024/11/7材料科學與工程學院79

（2）測定高溫荷重變形溫度的意義？

判斷耐火材料在使用過程中何種條件下失去荷重；高溫下制品內部的結構變化；可以作為材料最高的使用溫度。2024/11/7材料科學與工程學院80

（３）提高荷軟的措施有哪些？

適當提高燒成溫度，降低氣孔率，晶體長大且結合良好；提高原料的純度，降低低熔物或溶劑的含量，如硅磚中的Al２O３、鎂磚中的ＳiＯ、ＣaＯ2024/11/7材料科學與工程學院81三、高溫體積穩(wěn)定性

1、定義

高溫體積穩(wěn)定性是評價耐火材料質量的一項重要物理指標，表示耐火材料在高溫下長期使用時，其外形及體積保持穩(wěn)定而不發(fā)生變化的性能。

2024/11/7材料科學與工程學院82

２、體積發(fā)生收縮或膨脹的原因？

a、物理化學過程繼續(xù)（燒成耐火制品在高溫煅燒過程中，由于各種原因制品在燒成結束時，其物理化學反應往往未達到平衡狀態(tài)）；

b、制品燒成不充分（制品在燒成過程中由于窯爐溫度分布不均等原因，不可避免地存在欠燒現(xiàn)象）。對于各種不燒耐火制品而言，其間的物理化學反應均在使用過程中進行，不可避免地伴隨有不可逆的體積變化。這些不可逆的體積變化稱為殘余膨脹或殘余收縮，也稱重燒膨脹或收縮。2024/11/7材料科學與工程學院83３、測試指標

重燒體積變化可用體積變化百分率或線變化百分率表示：式中：V，V0—分別表示重燒前后試樣的體積；

L，L0—分別表示重燒前后試樣的長度。2024/11/7材料科學與工程學院84

一般情況下，耐火材料發(fā)生重燒收縮，因為大多數(shù)耐火材料為陶瓷燒結，在使用時，玻璃相重新粘性流動。必須減少收縮量，否則磚縫加大，發(fā)生損失或掉磚。少數(shù)耐火材料發(fā)生膨脹，按照理論說，微小膨脹對使用壽命有好處。但膨脹太大，耐火材料結構松散，使壽命降低。對于不燒制品，不經高溫燒成直接使用，測定此項指標就更為重要。2024/11/7材料科學與工程學院85重燒體積變化的大小表征了耐火制品的高溫體積穩(wěn)定性，對高溫窯爐等熱工設備的結構及工況的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。衡量燒結性能的好壞。即砌體脫落；整體結構破壞。５、測定高溫體積穩(wěn)定性的重要性？2024/11/7材料科學與工程學院86

一般材料的重燒都是收縮的，為什么在砌筑窯爐等熱工設備時還要留膨脹縫？思考題0|

評論

2024/11/7材料科學與工程學院87

窯爐留膨脹縫的主要目的就是讓整座窯爐的大氣壓(簡稱“正壓”)在膨脹過程中預留的一種空間范圍,而耐火材料的收縮程度不大，主要是窯爐在正常運行中熱氣流的沖擊而引起膨脹！耐火材料在使用過程中，發(fā)生線度和體積變化的指標主要有線膨脹和重燒體積變化。耐火制品的重燒體積變化時一種不可逆的體積過程，而制品的熱膨脹是一種可逆的體積變化。耐火材料作為構筑熱工設備的機構材料，常常在高溫和溫度反復變化的條件下使用，材料的體積變化主要取決于制品的線膨脹性質。因此，在使用過程中，即使制品重燒收縮，也需要預留膨脹縫，容納制品因反復的溫度變化產生的線膨脹。2024/11/7材料科學與工程學院88１、定義：

指耐火材料抵抗溫度急劇變化而不被破壞的能力。也稱為熱震穩(wěn)定性，抗溫度急變性，耐急冷急熱性等。高溫窯爐等熱工設備在運行過程中，其運行溫度常常發(fā)生變化甚至劇烈的波動。四、抗熱震性（thermalshockresistence）2024/11/7材料科學與工程學院89

一般而言，耐火制品在溫度變化時會產生體積膨脹或收縮。當這種膨脹和收縮受到約束時，材料內部就會產生應力，這種應力稱之為熱應力。當材料內部由于溫度變化而產生的熱應力超過制品的強度時，制品將會產生開裂、崩落或斷裂。另一個方面，不同礦相之間熱膨脹性的差異，產生的應力。2024/11/7材料科學與工程學院90耐火材料熱震穩(wěn)定性試驗后的電鏡圖片2024/11/7材料科學與工程學院91熱應力可由下式計算：式中：Q—熱應力；E—彈性模量；

—熱膨脹系數(shù)；

ΔT—材料的初始溫度與表面溫度之差；

—泊松比(在材料的比例極限內，由均勻分布的縱向應力所引起的橫向應變與相應的縱向應變之比的絕對值)。2024/11/7材料科學與工程學院92

上式表明，材料內部的熱應力與材料的彈性模量、熱膨脹系數(shù)以及溫度差成正比。當熱應力達到材料的強度極限時也就是材料的強度不足以抵抗熱應力時，制品就會產生破壞。導熱率高的制品，材料中溫度分布易于均勻，其表層與內部的溫度差（溫度梯度）就小，因而產生的熱應力相對較??；反之，導熱率低的材料，其中的溫度分布難以均勻，材料中的溫度梯度大，由此而產生的熱應力也大。因此導熱系數(shù)高的材料，其熱震穩(wěn)定性也相對較高。2024/11/7材料科學與工程學院93熱應力產生的因素？１、材料的熱膨脹系數(shù)、２、材料的導熱系數(shù)、３、緩沖熱應力的因素（彈性模量的大?。?。耐火材料的熱震穩(wěn)定性與其熱膨脹率(?。?、熱導率（大）以及彈性模量（?。┟芮邢嚓P，也與制品的宏觀、微觀組織結構，外形結構及尺寸有關。2024/11/7材料科學與工程學院94

材料因熱震破壞的情況可以分為兩大類：一類是材料發(fā)生瞬時斷裂；對這類破壞的抵抗稱之為抗熱震斷裂性能。

人們從熱彈性力學的觀點出發(fā)，以熱應力δH和材料的固有強度δf之間的平衡條件作為抗熱震破壞的判據(jù):

δH≥δf2、熱震破壞的形式及理論彈性理論2024/11/7材料科學與工程學院95

即當材料中固有強度不足以抵抗抗熱震溫差ΔT引起的熱應力，就導致材料瞬時斷裂，即所謂“熱震斷裂”。根據(jù)彈性理論：得出抗熱震參數(shù)（因子）：

R3=σ(1-μ)/αE。

σ—材料表面產生的張應力；μ—泊松比；

α—材料的熱膨脹系數(shù)；E——材料的彈性模量。

2024/11/7材料科學與工程學院96

認為材料中的熱應力達到抗張強度極限后，材料就產生開裂，而一旦有裂紋產生就會導致材料完全破壞。所導出的結果對于一般的玻璃、瓷器和電子陶瓷等都能較好的適應，但是對于一些含有微孔的材料和非均質的金屬陶瓷等都不適合。根據(jù)這種觀點，材料抗熱震損傷的能力和其彈性模量呈反比的關系。2024/11/7材料科學與工程學院97

另一類是在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面發(fā)生開裂、剝落，并不斷發(fā)展，以致最終破裂或變質而破壞；對于這類破壞的抵抗稱為抗熱震損傷性能；

人們從斷裂力學觀點出發(fā)以應變能－斷裂能為判據(jù)進行分析。

根據(jù)這種觀點，材料抗熱震的能力同其彈性模量呈正比的關系。斷裂力學理論2024/11/7材料科學與工程學院98

斷裂力學概念以熱彈性應變能W核材料的斷裂能U之間的平衡條件為熱震破壞的判據(jù)：W≥U當熱應力導致的存儲于材料中的應變能W足以支付裂紋成核和擴展形成新表面所需要的能量U，裂紋就可能形成和擴展。在實際材料中都存在一定大小、數(shù)量的微裂紋，當材料中積存的彈性應變能較小，則原先裂紋擴展的可能性較??；裂紋擴展的斷裂表面能較大，則裂紋蔓延的程度小，材料抗熱震性好。因此，抗熱沖擊損傷性正比于斷裂表面能，反比于彈性應變能。這樣就提出了抗熱震損傷因子

R4=Eγf/σf２(1-μ)

E—彈性模量；γf—斷裂表面能；

σf—材料的固有強度；μ——泊松比2024/11/7材料科學與工程學院99

由于抗熱震穩(wěn)定性問題的復雜性（除了彈性模量因素影響以外還有材料的強度、膨脹系數(shù)、熱導率、形狀和尺寸等），至今還未能建立一個十分完善的理論，因此任何試圖改進材料抗熱震性能的措施，都必須結合具體的使用條件和要求，綜合各種因素的影響，同時必須和實際經驗相結合。目前人們所認可的是：材料的膨脹系數(shù)越小，熱導率越大，其抗熱震穩(wěn)定性能越好。2024/11/7材料科學與工程學院100４、抗熱震性的測定

a)中國冶標（YB/T376.1-1995）

采用直形磚水急冷法測定耐火制品的抗熱震性。其要點：將長為200～230㎜、寬為100～150㎜、厚為50～100㎜的直形磚的受熱面伸入到預熱至1100℃的爐內50㎜，保持20min。保溫完成后，從爐內取出試樣，迅速將其受熱端侵入到流動的冷水中急冷3min，然后干燥。用試樣受熱端面破損一半的熱循環(huán)次數(shù)標準征其抗熱震穩(wěn)定性。水冷（1100℃，20分鐘，水冷，自然干燥，重復）2024/11/7材料科學與工程學院101

b)中國冶標（YB/T4018-1991）采用長條試樣試驗法測定燒成致密定形制品的抗熱震性。其原理是將230㎜×114㎜×31㎜或230㎜×65㎜×31㎜的試樣放在加熱裝置的均熱板上，以規(guī)定的速率將一個面加熱到試驗溫度1000℃，保溫30min后，從加熱裝置中取出，置于空氣中冷卻。以試樣熱震前后的抗折強度的保持率，評價熱震損傷程度。

Rr=Ra/Rb×100%

Ra—熱震后的試樣抗折強度，MPa；

Rb—熱震前的試樣抗折強度，MPa；風冷（1000℃，30分鐘，風冷，重復）2024/11/7材料科學與工程學院102熱震試驗后強度變化2024/11/7材料科學與工程學院103

此外，耐火制品的宏、微觀組織結構對制品的熱震穩(wěn)定性也有一定影響。當耐火制品內部存在某些細微缺陷，如微氣孔、微裂紋等，有利于延緩或終止裂紋的擴展。采取一定的工藝措施使制品內部產生微裂紋而達到阻止裂紋擴展的目的，是目前普遍采用的提高制品熱震穩(wěn)定性有效措施之一。

耐火制品外形結構及尺寸設計的不合理，會導致制品局部應力集中而產生破壞。

2024/11/7材料科學與工程學院104五、抗渣性（slagresistence）

１、定義：耐火材料在高溫下抵抗熔渣侵蝕的性能稱為抗渣蝕性能。作為高溫結構材料，耐火材料在使用過程中，通常暴露于包含有腐蝕性介質的高溫環(huán)境中。這些腐蝕性介質通常稱之為“熔渣”。2024/11/7材料科學與工程學院105

所謂“熔渣”，包括高溫下與耐火材料接觸的各種固態(tài)、液態(tài)物料（如水泥熟料、石灰、熔融金屬、玻璃液等）、冶金爐渣、燃料灰分、飛灰以及各種氣態(tài)物質等。高溫環(huán)境下，熔渣物質與耐火材料相接觸，并與之發(fā)生復雜的物理化學反應，導致耐火材料的侵蝕損毀。占材料被損壞原因的50％以上。2024/11/7材料科學與工程學院106鋼水及熔渣對耐火材料的侵蝕2024/11/7材料科學與工程學院1072、熔渣對耐火材料的侵蝕作用方式

熔渣侵蝕是耐火材料使用過程中最主要的一種損毀形式，耐火材料在熔渣中的溶蝕損毀一般可分為以下幾種情況：

單純溶蝕：耐火材料與熔渣不發(fā)生化學反應的物理溶解作用所造成的耐火材料的損毀。如碳素材料向鋼鐵溶液中的溶解即屬于單純溶蝕作用。

反應溶蝕：耐火材料與熔渣物質在其接觸界面處發(fā)生化學反應，生成低熔點的化合物，導致耐火材料工作面的溶蝕損毀。如熔融石英質浸入式水口被熔渣的侵蝕過程即為反應溶蝕過程。