耐火材料工艺学讲义.ppt

耐火材料工艺学 课程意义 耐火材料是冶金 建材 化工 机械等工业高温窑炉及物件的重要基础材料 了解它们的性能及选用合适的耐火材料对于生产控制及降低成本有重要的意义 本课程介绍常用耐火材料的基本性能 应用范围以及易懂的生产工艺与原料知识 这门课程是从事涉及耐火材料生产 研究 应用和贸易的人员的必修之课 其重要性不言而喻 绪论 一 耐火材料的定义传统的定义 耐火度不小于1580 的无机非金属材料 ISO的定义 耐火度不小于1500 的非金属材料及制品 历史悠久5000年前出现了陶器 2000年前有了瓷器 后来 开始使用天然原料 如硅线石砖 1637年 石墨粘土坩锅投入使用 二 耐火材料的发展概况 3 改革开放以后 随着钢铁工业的迅速发展 耐火材料行业快速发展起来 2004年统计 全国有1136家耐火材料生产企业2005年统计 全国有1359家耐火材料生产企业2006年统计 全国有1505家耐火材料生产企业 中国耐火材料工业的现状与发展 1 解放前 几乎都要进口 只有几家手工小厂生产粘土砖 2 计划经济时代 中国耐火材料由33家重点企业扶持 中国耐火材料产量 一方面 连铸比的提高和冶炼技术的进步导致吨钢耐火材料消耗下降 另一方面 钢产量增加使得2002年以后中国耐火材料产量呈上升趋势 2002年 2004年和2006年 中国粗钢产量分别为 1 8 2 8和4 1亿吨 2007年在4 9亿吨左右 另外 水泥工业的快速发展 也带动了耐火材料用量的大幅度增加 2003年突破7亿吨 2006年 12 2亿吨 2007年突破13 5亿吨 1994 2004年钢产量与耐火材料单耗 1994 2004年水泥产量 耐火材料需求量及耐火材料单耗 中国耐火材料的发展历程手工制品 普通耐火材料制品 三高 耐火材料制品 不定形耐火材料 碳复合耐火材料 功能化耐火材料 洁净钢的生产对耐火材料提出了更高的要求 除了要求长寿以外 还要求对钢水无污染 存在的问题和今后的发展 钢铁工业的竞争日趋激烈 耐火材料生产厂家面临更大的成本压力 我国是钢铁生产大国 也是耐火材料需求大国 全国仅冶金企业年耗耐火材料价值达300多亿元 耐火材料资源消耗大 耐火材料能源消耗大 耐火材料污染 中国耐火材料企业的研发力量有待加强 不能仅仅作为一个加工基地 加强耐火材料应用基础研究 体系 Al2O3 SiO2系耐火材料 碳复合耐火材料 碱性耐火材料 非氧化物耐火材料 应注意可持续发展战略 如 矿山的管理 耐火材料的回收利用 环境友好耐火材料的使用 三 耐火材料的分类 耐火材料的分类方法很多 其中主要有化学属性分类法 化学矿物组成分类法 生产工艺和使用部位分类法 材料形态分类法等多种方法 1 按化学属性分类酸性耐火材料中性耐火材料碱性耐火材料 硅质耐火材料中游离二氧化硅含量很高 大于94 是酸性最强的耐火材料 粘土质耐火材料与硅质耐火材料相比 游离二氧化硅含量较少 是弱酸性的 半硅质耐火材料居于期间 也有将锆英石质耐火材料和碳化硅质耐火材料归入酸性耐火材料的 因为此类材料中含有较高的SiO2或在高温状态下能转变为SiO2 对酸性介质的侵蚀具有较强的抵抗能力 酸性耐火材料是指其中含有一定数量二氧化硅的耐火材料 中性耐火材料中性耐火材料按严格意义讲是指碳质耐火材料 通常也将以三价氧化物为主体的高铝质 刚玉质 锆刚玉质 铬质耐火材料归入中性耐火材料 因为此类材料含有较多量的两性氧化物如Al2O3 Cr2O3等 此类耐火材料在高温状况下对酸 碱性介质的化学侵蚀都具有一定的稳定性 尤其对弱酸 弱碱的侵蚀具有较好的抵抗能力 碱性耐火材料一般是指以MgO CaO或以MgO CaO为主要成分的耐火材料 如镁质 石灰质 镁铬质 镁硅质 白云石质耐火制品及其不定形材料 镁质 石灰质 白云石质耐火材料为强碱性耐火材料 镁铬质 镁硅质及尖晶石质耐火材料为弱碱性耐火材料 这类耐火材料的耐火度都比较高 对碱性介质的化学侵蚀具有较强的抵抗能力 硅质耐火材料 镁质耐火材料 白云石质火材料 铬质火材料 碳质火材料 锆质火材料和特种火材料 2 按化学矿物组成分类 镁质耐火材料 指以镁砂为主要原料 以方镁石为主晶相 MgO含量大于80 的碱性耐火材料 通常依其化学组成不同分为 镁质制品 MgO含量 87 主要矿物为方镁石 镁铝质制品 含MgO 75 Al2O3一般为7 8 主要矿物成分为方镁石和镁铝尖晶石 MgO Al2O3 镁铬质制品 含MgO 60 Cr2O3一般在20 以下 主要矿物成分为方镁石和铬尖晶石 镁钙质制品 主要矿物成分除方镁石外还含有一定量的硅酸二钙 硅质耐火材料 含SiO2在90 以上的材料通常称为硅质耐火材料 主要包括硅砖及熔融石英制品 硅砖以硅石为主要原料生产 其SiO2含量一般不低于94 主要矿物组成为磷石英和方石英 碳复合耐火材料 碳复合耐火材料是指以不同形态的碳素材料与相应的耐火氧化物复合生产的耐火材料 一般而言 碳复合材料主要包括镁碳制品 镁铝碳制品 锆碳制品 铝碳制品等 白云石质耐火材料 以天然白云石为主要原料生产的碱性耐火材料称为白云石质耐火材料 主要化学成分为30 42 的MgO和40 60 的CaO 二者之和一般应大于90 其主要矿物成分为方镁石和方钙石 氧化钙 特种耐火材料 上述分类所不能包括的材料 此类材料除其化学组成比较特殊 不宜归类到上述类别中外 通常它们还具有各自的较为突出的特点 如优良的热震稳定性 抗渣性等 利用这些特点往往用于特定的使用条件 含锆耐火材料 含锆耐火材料是指以氧化锆 ZrO2 锆英石等含锆材料为原料生产的耐火材料 含锆耐火材料制品通常包括锆英石制品 锆莫来石制品 锆刚玉制品等 3 根据耐火度的高低普通耐火材料 1580 1770 高级耐火材料 1770 2000 特级耐火材料 2000 4 依据外观形状及尺寸的不同定型耐火制品 包括标型砖 异型砖 特异型砖 坩埚 管 器皿及其它形状复杂的制品等 不定型耐火材料 包括浇注料 捣打料 投射料 喷涂料 可塑料等耐火泥浆 5 按照生产工艺烧成制品 熔铸制品和不烧制品 三 耐火材料生产的基本工艺 本课程学要了解和掌握的内容 什么是耐火材料 不同耐火材料制品的组成 性能和相关检测方法 不同品种的耐火材料生产的工艺要点和流程 相关的物理化学原理 耐火材料损毁机理及提高耐火材料质量的途径 耐火材料的应用 第一章耐火材料的组织结构与性能 耐火材料是构筑热工设备的高温结构材料 面临 承受高温作用 机械应力 热应力 高温气体 熔体以及固体介质的侵蚀 冲刷 磨损 为了保证热工设备的正常运行 所选用的耐火材料必须具备能够满足和适应各种使用环境和操作条件 耐火材料的性质主要包括化学 矿物组成 组织结构 力学性质 热学性质及高温使用性质等 通常按照热工设备的工作性质与操作环境 来研制 设计 生产或选择能适应操作环境 满足使用要求的耐火材料 各国的检验标准有所不同 由于实验室条件下的检验和实际有一定的差距 实验室的检验结果仅起到预测作用苏联 TOCT日本 JIS JapaneseIndustrialStandards 英国 BSI BritishStandardsInstitution 美国 ASTM AmericanSocietyofTestingMaterials 中国 GB 耐火材料的化学成分 矿物组成及微观结构决定了耐火材料的性质 化学组成化学组成是耐火材料最基本的特性 是决定耐火材料的物相组成以及很多重要性质如抗渣侵蚀性能 耐高温性能 力学性能等的重要基础 1 1耐火材料的化学 矿物组成 根据含量分 主成分 杂质成分 添加成分 添加成分耐火材料的化学组成中除主要成分和杂质成分外有时为了制作工艺的需要或改善某些性能往往人为地加入少量的添加成分 引入添加成分的物质称为添加剂 引入添加成分的物质称为添加剂 按照添加剂的目的和作用不同可分为矿化剂 稳定剂 促烧剂 促凝剂等 主成分是指在耐火材料中对材料的性质起决定作用并构成耐火材料基体的成分 耐火材料按其主成分的化学性质可分为酸性耐火材料 中性耐火材料和碱性耐火材料 杂质成分耐火材料中由原料及加工过程中带入的非主要成分的化学物质 氧化物 化合物等 称为杂质 杂质的存在往往能与主要成分在高温下发生反应 生成低熔性物质或形成大量的液相 从而降低耐火材料基体的耐火性能 故也称之为熔剂 基质 填充于主晶相之间的不同成分的结晶矿物 次晶相 和玻璃相统称为 也称为结合相 基质的组成和形态对耐火制品的高温性质和抗侵蚀性能起着决定性的影响 矿物组成 矿物组成可分为两大类 结晶相与玻璃相 其中结晶相又分为主晶相和次晶相 主晶相 是指构成耐火制品结构的主体而且熔点较高的结晶相主晶相的性质 数量 结合状态直接决定着耐火制品的性质 次晶相 又称第二固相 是在高温下与主晶相共存的第二晶相 耐火制品的显微组织结构表征的是耐火材料中主晶相与基质间的结合形态 耐火材料主晶相与基质的结合形态有两种 陶瓷结合与直接结合 1 2耐火材料的显微结构 陶瓷结合 又称为硅酸盐结合 其结构特征是耐火制品主晶相之间由低熔点的硅酸盐非晶质和晶质联结在一起而形成结合 直接结合 是指耐火制品中 高熔点的主晶相之间或主晶相与次晶相间直接接触产生结晶网络的一种结合 陶瓷结合 直接结合 耐火材料 或耐火制品 中气孔体积与总体积之比称为气孔率 耐火材料中的气孔可分为三类 开口气孔 显气孔 贯通气孔 封闭气孔 1 3耐火材料的常温物理性质 气孔率 其中 Pa 为显气孔率V1 为制品中开口气孔的体积V0 为制品的总体积 即试样外表面围成的体积亦称表观体积 气孔产生的原因 1 原料中的气孔 原料没有烧好 2 制品成型时 颗粒间的气孔 表示方法 其中 Pa显气孔率 m1干燥试样的质量 m2饱和试样悬浮在液体中的质量 m3饱和试样在空气中的质量 测量显气孔率 GB T2997 2000 吸水率是指耐火制品中全部开口气孔吸满水时 制品所吸收水的重量与制品重量之比 吸水率实质上是反映制品中开口气孔量的一个指标 W G1 G 100 式中G干燥式样质量G1试样开口气孔中吸满的水的质量W吸水率 粒状 大于2 0mm 耐火材料吸水率的测定 按照GB T2999 2002 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 2 吸水率 耐火制品单位表观体积的质量称为体积密度 表示干燥制品的质量与其总体积之比 通常用kg m3或g cm3表示 式中 Db为体积密度 g cm3 G为干试样质量gVb为试样表观体积cm3 GB T2997 2000 式中 b体积密度 ing试样温度下 浸渍液体的密度 其他符号同上 3 体积密度 耐火材料的质量与其真体积 即不包括气孔体积 之比 称为真密度 通常也用g cm3来表示 式中 Dt为真密度 g cm3 G为干试样质量gVt为试样真体积cm3真比重的概念 单位体积耐火材料的重量与4 单位体积水的重量之比值 4 真密度与真比重 从数值上来说 真密度和真比重是相等的 式中 Q为气体透过的数量 升 d为式样的厚度 米 A为试样的横截面积 平方米 t为气体透过时间 小时 P1 P2为试样两端气体压力差 毫米水柱 K为透气度系数 也称透气率 升 米 米2 毫米水柱 小时 5 透气度 透气度是表示气体通过耐火制品难易程度的特征值 其物理意义是在一定时间内和一定压差下气体透过一定断面和厚度的气体的量 1 4耐火材料的热学性质和导电性 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 耐火材料的热膨胀可以用线膨胀系数或体膨胀系数表示 也可以用线膨胀百分率或体积膨胀百分率表示 膨胀系数是指耐火材料由室温加热至试验温度的区间内 温度每升高1 试样体积或长度的相对变化率 1 热膨胀 耐火材料作为构筑热工设备的结构材料 常常在温度变化条件下使用 因此 耐火材料的热膨胀既是其重要的使用性能 也是工业窑炉等高温热工设备进行结构设计的重要参数 测定 按照国家标准GB T7320 1 2000 顶杆法 GB T7320 2 2000 望远镜法 热膨胀率的意义 窑炉设计的重要参数 预留膨胀缝的依据 可间接判断耐材热震稳定性能 为什么留膨胀缝 碱性耐火材料的热膨胀系数比酸性耐火材料大 键强度高的材料具有低的热膨胀系数 如SiC 组成相同的材料 晶体结构不同 其热膨胀系数也不同 加热过程中 存在多晶转变的材料 其热膨胀系数也要发生相应的变化 鳞石英 方石英 耐火材料的热膨胀性能取决于它的化学矿物组成 且与耐火材料中结晶相的晶体结构及键强度密切相关 通常 其中 导热率 单位 焦尔 米 秒 K W m K Q t时间沿x轴方向穿过 F截面上的热量 焦耳 沿x轴方向的温度梯度 K m 1 耐火材料的导热率是指单位温度梯度下 单位时间内通过单位垂直面积的热量 用 表示 2 热导率 耐火材料中所含的气孔对其导热率的影响最大 一般来说 在一定的温度范围内 对一定范围的气孔率 气孔率越大 导热率越低 耐火材料的化学矿物组成对材料的导热率也有明显影响 晶体中的各种缺陷 杂质以及晶粒界面都会引起格波的散射 也等效于声子平均自由程的减小 从而降低热导率 测定 按照国家标准GB T17106 1997 平行热线法 或GB T5990 1986 十字热线法 热容也称比热容是耐火材料的一个重要热学性质 它是表示材料受热后温度升高情况的参数 任何物质受热后温度都要升高 但不同的物质温度升高1 所需要的热量不同 工程上用在常压下加热1公斤物质升高1 所需要的热量 以KJ计 来表示和衡量这一性质 称为热容 工程上所用的平均热容是指从温度T1到T2所吸收的热量的平均值 平均热容是比较粗略的 温度范围越大 精度越差 应用时要特别注意使用的温度范围 3 热容 耐火材料通常在室温下是电的不良导体 随温度升高 电阻减小 导电性增强 若将材料加热至熔融状态 则会呈现较强的导电能力 某些耐火材料具有导电性 如含碳耐火制品具有导电性 而二氧化锆制品在高温下也具有较好的导电性 可以作为高温下的发热体 4 导电性 判断耐火材料力学性质的指标通常包括耐压强度 抗折强度 扭转强度 耐磨性 弹性模量及高温蠕变等 1 5耐火材料的力学性质 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 式中Cs 耐火制品的耐压强度 单位 MPa P 试样破坏时所承受的极限压力 牛顿 A 试样承受载荷的面积 平方毫米 1 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 可按下式计算 耐压强度指标通常可以反映生产中工艺制度的变动 常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 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 高温耐压强度则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 测定致密定形 国家标准GB T5072 1985或GB T5072 1 1998 无衬垫仲裁试验 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 采用三点弯曲法测量时 可按下式计算 2 抗折强度 式中 R 抗折强度 N mm2 MPa W 试样断裂时所施加的最大载荷 N l 试样底面两支撑点之间的距离 mm b 上刀口部位试样的宽度 mm d 上刀口部位试样的厚度 mm 当材料在高温下承受小于其极限强度的某一恒定荷重时 产生塑性变形 变形量会随时间的增长而逐渐增加 甚至会使材料破坏 这种现象叫蠕变 根据施加荷重形式的不同可分如高温压缩蠕变 高温拉伸蠕变 高温抗折蠕变等 高温压缩蠕变的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 国家标准GB T5073 2005 3 高温蠕变性能 4 弹性模量材料在其弹性范围内 即符合虎克定律的弹性体 在荷载 应力 的作用下 产生变形 应变 当荷载去除后 材料仍恢复原来的形状和尺寸 此时应力和应变的比值称为弹性模量 也称杨氏模量 它表示材料抵抗变形的能力 可用下式表示 式中 E 弹性模量 材料所受应力 材料相对长度变化 材料的弹性模量在一定条件下是一个定值 即与外力的大小无关 属于材料的固有力学性质 从上式可以看出材料的弹性模量愈大在相同的应力下应变愈小 弹性模量是材料的重要弹性力学参数 它是材料中原子间结合 键合 强度的反映 当材料受到拉应力时 原子间距加大 随着荷载的增加原子间距不断增大 键合愈强 使得原子间距增大所需的应力愈大 因而材料的弹性模量就较高 所以 弹性模量的大小是衡量材料在弹性范围内受到应力破坏之前所产生的应变量 在很大程度上反映了材料的结构特征 弹性模量小的材料可以允许有较大的应变而不破坏 反之允许的应变量就小 因此弹性模量与材料由于温度梯度造成的热应力有直接的关系 也就对材料的热震稳定性有直接的影响 一般地 材料的弹性模量与其热震稳定性呈反比关系 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质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 1 6耐火材料的高温使用性质 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 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液相 即固定的熔融终了温度 在这个温度范围内 液相与固相同时存在 1 耐火度 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 上底每边长2mm 下底每边长8mm 高30mm 截面成等边三角形 试锥以一定升温速度加热 由于其自重的影响而逐渐变形弯倒 达到某一温度开始出现液相 温度继续升高液相量逐渐增加 粘度减小 试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度 即为试样的耐火度 熔点指纯物质的结晶相与液湘处于平衡时的温度 熔点是一个物理常数 耐火度与熔点的区别 意义 评价原料纯度和难熔程度 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 因而是耐火制品的重要性能指标 2 高温荷重软化温度 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 耐火制品的荷重软化温度取决于制品的化学 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相互作用等 一般是将被测制品按一定方法制成高50mm 直径30mm 上下直径平行的直圆柱体置于高温电阻炉中 在0 2MPa的固定载荷下 以一定的升温速度均匀加热 测定试样压缩0 6 4 40 时的温度 试样压缩0 6 时的变形温度即为试样的荷重软化开始温度 即通常所说的荷重软化点 4 2mm 变形温度 40 20mm 溃裂点 耐火制品荷重软化温度的测定 化学矿物组成 生产工艺 体积密度大 荷软温度较高 测定条件 升温速率快 荷软温度较高 影响荷重软化温度的因素 测定荷软的意义 可以作为材料最高的使用温度 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不发生变化的性能 3 高温体积稳定性 产生体积变化的原因 一般而言 烧成耐火制品在高温煅烧过程中 由于各种原因制品在烧成结束时 其物理化学反应往往未达到平衡状态 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行并伴随有不可逆的体积变化 对于各种不烧耐火制品而言 其间的物理化学反应均在使用过程中进行 不可避免地伴随有不可逆的体积变化 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 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要的意义 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 V V0 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 高温体积变化测定意义 衡量烧结性能的好坏 耐火材料抵抗温度急剧变化而不破坏的性能称为热震稳定性或抗热冲击性能 4 热震稳定性 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 如转炉加料出钢 吹氧过程 钢包 铁水包接受钢水及铁水的过程 其温度均会发生剧烈变化 作为炉衬 包衬的耐火材料必然也会受到操作温度急剧变化的作用 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 而影响热工设备操作的稳定性 安全性和生产的连续性 耐火材料的热震稳定性与其热膨胀率 小 导热率 大 以及弹性模量 大 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 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 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 式中 Q 热应力 E 弹性模量 热膨胀系数 T 材料的初始温度与表面温度之差 u 泊松比 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 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 制品就会产生破坏 热应力可由下式计算 从上式可以发现 在相同的外界升 降温速率条件下 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 因此导热系数高的材料 其热震稳定性也相对较好 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微裂纹而达到阻止裂纹扩展的目的 是目前普遍采用的提高制品热震稳定性有效措施之一 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 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 其抗热震稳定性能越好 风冷 1000 30分钟 风冷 重复 水冷 1100 20分钟 水冷 自然干燥 重复 热震稳定性的试验方法 评价 试样被破坏的程度试样强度的保持率 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 占材料被损坏原因的50 以上 抗渣蚀性能 耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀的性能称为抗渣蚀性能 单纯溶蚀 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的溶解即属于单纯溶蚀作用 熔渣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 反应溶蚀 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蚀损毁 如熔融石英质浸入式水口被熔渣的侵蚀过程即为反应溶蚀过程 渗透 侵入变质溶蚀 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 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 影响耐火材料抗渣能力的因素 熔渣与耐火材料的化学矿物组成 耐火材料在熔渣中的溶解度 熔渣侵入机理主要有以下几种方式 在耐火材料固相中扩散 熔渣在耐火材料固相中扩散速度一般是较慢的 通过气孔 气孔率高的材料 熔渣易于通过气孔渗入耐火材料内部 增大熔渣与耐火材料的接触面积 而导致材料的溶蚀量加大 通过耐火材料中形成的液湘 耐火材料中杂质含量较高时 耐火材料基质中玻璃相的含量较高 高温下形成的液湘较多 耐火材料的抗渣蚀性能较差 耐火材料抗渣蚀性能的检验方法 有熔锥法 坩埚法 浸渍法 转动浸渍法 撒渣法和回转法等 动态抗渣试验图 旋转抗渣法 课后思考 1 耐火度 荷重软化点的定义 表示方法 影响耐火度和荷重软化点的因素是什么 2 重烧收缩和线膨胀有什么区别 引起重烧收缩的原因是什么 3 大多数制品重烧都是收缩 为什么砌筑窑炉时还要留膨胀缝 留膨胀缝的依据是什么 4 主成分 杂质成分和添加成分各自起到的作用5 耐火材料中矿物组成的分类 那部分先被损坏