冶金生产用耐火材料.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流冶金生产用耐火材料.精品文档.第五篇 冶金生产用耐火材料概述耐火材料是为高温技术服务的基础材料，它与高温技术尤其是高温冶炼工业的发展有密切关系，相互依存，互为促进，共同发展。在一定条件下，耐火材料的质量品种对高温技术的发展起着关键作用。一百多年来钢铁冶炼发展过程中，每一次重大演变都有赖于耐火材料新品种的开发。碱性氧气转炉成功的关键之一是由于开发了白云石耐火材料；护炉成功的一个重要因素是生产了具有高荷重软化温度的硅砖；耐急冷急热的镁铬砖的发明促进了全碱性平炉的发展。近年来，钢铁冶炼新技术，如大型高炉、高风温热风炉、复吹氧气转炉、铁水预处理和炉外

2、精炼、连续铸钢等，都无例外地有赖于优质高效耐火材料的开发。另外，耐火材料在节能方面也作出了重要贡献，如各种优质隔热耐火材料、陶瓷换热器，无水冷滑轨、陶瓷喷射管和高温涂料等的开发，都对高温技术的节能起了重要作用。现代冶炼技术的发展和节约能源的形势，既对耐火材料提出了更严格的要求，又必须借助于新品种优质耐火材料的成功及发展。 我国耐火原料资源丰富，品种多，储量大，品位高。高铝矾土和菱镁矿蕴藏量大，品质优良，世界著名；耐火粘土、硅石、白云石和石墨等储量多，分布广，品质好；叶蜡石、硅线石、橄榄石和锆英石等储量也多；隔热耐火材料用各种原料，各地都有储藏。另外，我国漫长的海岸线和内陆湖泊均蕴藏有大量的镁质

3、原料资源。近年来，在提高耐火原料质量和人工合成原料方面，又取得了较为显著的成就。我国有发展各种优质耐火材料资源的优势。 我国还有生产耐火材料的悠久历史。新中国以来，随着科学技术和工业水平的提高，为了适应金属冶炼和其他高温技术工业的需求，我国耐火材料工业有重大的发展。新建了许多优质耐火材料生产厂和有关机构；开发出许多优质耐火材料新品种，保证并促进了各项高温技术和整个国民经济的发展。 今后，我国耐火材料的发展应依靠科学技术的进步和整体工业水平的提高，加强生产技术的管理。以材料的质量和品种为中心，继续提高原料质量，发展合成原料，改进生产装备，全面提高产品质量和改善性能，积极开发优质新品种，合理利用和

4、提高耐火材料服役寿命，进一步降低消耗，保证和促进金属冶炼和其他高温技术工业以及国民经济的发展。18 耐火材料定义、分类、化学矿物组成18.1 耐火材料的定义耐火材料是指耐火度不低于1580的材料。一般是指主要由无机非金属材料构成的材料和制品。而耐火度是指材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度，它标志材料抵抗高温作用的性能。耐火度所表示的意义与熔点不同。熔点是结晶体的液相与固相处于平衡时的温度。耐火度是多相体系达到某一特定软化程度的温度。对绝大多数普通耐火材料而言，都是多相非均质材料，无一定熔点，其开始出现液相到完全熔化是一个渐变过程，在高温下相当宽的范围内，固液相并存。故欲表征这种材料在高温

5、下的软化和熔融的特征，只能以耐火度来度量。耐火度不是一种物质所特有的绝对物理量，是材料在特定试验条件下测定的达到特定软化程度时的相对技术指标。将试验物料按规定方法做成截头三角锥（简称试锥），与在特定升温速度下具有固定弯倒温度的标准截头三角高温锥（简称标准锥），共同在既定升温速度和一定气氛条件下加热，以试锥的弯倒程度与标准锥弯倒程度相当的对比方法，测定耐火度。角锥可能发生的弯倒情况如图181所示。我国通用的标准锥以WZ和锥体弯倒温度的十分之一标之。如试锥与WZ171号标准锥同时弯倒，则试样的耐火度为1710。图181 耐火试锥弯倒情况 耐火度是评定耐火材料的一项重要技术指标，但是不能作为制品使用

6、温度的上限。对由单相多晶体构成的耐火材料，其耐火度一般低于晶体的熔点。但是，有些耐火材料，如当形成的液相粘度很高时，其耐火度也可高于熔点。一些常用耐火材料原料和制品的耐火度如下：结晶硅石17301770 高铝砖17702000 硅砖 16901730 镁砖2000 硬质粘土17501770 白云石砖2000 9C粘土砖16101750 18.2 耐火材料的分类耐火材料品种繁多，用途广泛，其分类方法多种多样，常用的有以下几种。18.1.1 按化学矿物组成分类耐火材料按化学矿物组成可分为8类：硅质制品、硅酸铝质制品、镁质制品、白云石质制品、铬质制品、碳质制品、锆质制品、特殊制品。18.1.2 按化

7、学特性分类耐火材料按化学特性可分为酸性耐火材料、中性耐火材料和碱性耐火材料3类。18.1.2.1 酸性耐火材料酸性耐火材料是以二氧化硅为主要成分的耐火材料，主要指硅砖和锆英石砖。酸性耐火材料能耐酸性熔渣侵蚀。18.1.2.2 中性耐火材料中性耐火材料主要是指以三氧化二铝、三氧化二铬和碳为主要成分的耐火材料，如刚玉砖、高铝砖、碳砖等。其特性是对酸性渣和碱性渣都具有抗蚀能力。18.1.2.3 碱性耐火材料碱性耐火材料主要是指以氧化镁、氧化钙为主要成分的耐火材料，包括镁砖、镁铝砖、镁铬砖、白云石砖等。碱性耐火材料对碱性渣有较强的抗侵蚀能力。18.1.3 按耐火度分类耐火材料按耐火度可分为3类：普通耐

8、火材料，耐火度为15801770；高级耐火材料，耐火度为17702000；特级耐火材料，耐火度高于2000 。18.1.4 按成型工艺分类耐火材料按成型工艺可分为6类：天然岩石、泥浆浇注成型耐火材料、可塑成型耐火材料、半干成型耐火材料、捣打（包括机械捣打与人工捣打）成型耐火材料和熔铸制品。18.1.5 按烧制方法分类耐火材料按烧制方法可分为3类：不烧砖、烧制砖和不定形耐火材料。18.1.6 按气孔率分类耐火材料按气孔率可分为7类：特致密制品，显气孔率低于3%；高致密制品，显气孔率为3%10%；致密制品，显气孔率为10%16%；烧结制品，显气孔率为16%20 %；普通制品，显气孔率为20%30%

9、；轻质制品，显气孔率为45%85 %；超级轻质制品，显气孔率高于85 %。18.1.7 按形状和尺寸分类耐火材料按形状和尺寸可分为5类：标型制品、普型制品、异型制品、特型制品和超特型制品。18.1.8 根据不定形耐火材料和不烧制品的结合剂分类根据不定形耐火材料和不烧制品的结合剂分为：（1）水化结合剂（普通铝酸盐水泥、纯铝酸钙水泥等）与水作用而凝结与硬化的制品；（2）化学结合剂（磷酸盐、硫酸铝、水玻璃、有机硅等）与掺和料的物理化学反应而凝固；（3）凝聚结合剂（耐火粘土、膨润土、二氧化硅微粉等）由于凝聚过程而凝固；（4）有机结合剂（焦油、沥青、胶水等）由于聚合、缩聚和焦化而硬化；18.1.9 不定

10、形耐火材料按使用类型分类不定形耐火材料按使用类型分为：（1）耐火浇注料：一般以浇注或浇注捣实的方法施工的不定形耐火材料。（2）耐火喷涂料：利用气动工具，以机械喷射方法施工的不定形耐火材料。（3）耐火喷补料：利用喷射方法施工修补热工设备内衬的不定形耐火材料。（4）耐火捣打料：以强力捣打方法施工的不定形耐火材料。（5）耐火可塑料：泥料呈泥坯状或不规则团块，在一定时间内保持较好的可塑状态，一般采用风动工具捣打施工的不定形耐火材料。（6）耐火压注料：泥料呈膏状或泥浆状，用挤压泵将料强力压入的方法施工的不定形耐火材料。（7）耐火投射料：利用投射机进行投射施工的不定形耐火材料。（8）耐火涂抹料：用手工或风

11、动机涂抹或喷涂施工的不定形耐火材料。（9）自流浇注料：无需振动即可流动和脱气的可浇注的不定形耐火材料。（10）干式振动料：不加水或液体结合剂而用振动方法成型的不定形耐火材料。（11）耐火泥浆：也称接缝料，用抹刀或类似的工具施工的不定形耐火材料。此外，耐火材料还可按用途划分为高炉用耐火材料、电炉用耐火材料、转炉用耐火材料、连铸用耐火材料、玻璃窑用耐火材料、水泥窑用耐火材料，等等。由于冶金和其它高温技术不断进步，必然扩大耐火材料品种和开发新产品。例如美国近年研究出的新材料占耐火总产量的25%。在耐火材料中，不定形耐火材料将逐渐占领主要地位。耐火纤维也同样蓬勃发展，现在仅硅酸铝纤维就能生产出毡、布、

12、板、纸等50多种耐火制品。钢的炉外精炼，真空处理，气体吹炼，连续铸钢及其它新技术也在扩大耐火材料的规格和品种。18.3 耐火材料的化学矿物组成18.2.1 化学组成耐火材料的化学组成是它的基本特征。一种耐火材料在一定条件下能否形成某种物相，为何出现此种物相，并具有某些特定性质，以及如何从本质上改变材料的某些特定性质，都首先取决于其化学组成。所以，为了掌握耐火材料的本质必须对其化学组成有全面的认识。根据耐火材料中各种化学成分的含量和其作用，通常将其分为主成分、杂质成分和外加成分三类。18.2.1.1 主成分耐火材料中的主成分是构成耐火原料的主体，它的性质与数量直接决定着耐火原料的质量。主要成分可

13、以是高熔点的氧化物，如氧化铝（Al2O3）、氧化硅（SiO2）、氧化镁（MgO）等；或者是复合氧化物，如莫来石（Al2O3SiO2）、镁铝尖晶石（MgOAl2O3）等；也可以是某些单质和非氧化物，如碳和石墨（C）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）等。18.2.1.2 杂质成分 杂质成分是指由于天然原料纯度有限而被带入或生产加工过程中混入的对耐火原料性能具有不良影响的少量成分。一般来说，K2O、Na2O、FeO或Fe2O3都是耐火原料中的有害杂质成分。碱性耐火原料（RO为主成分）中的酸性氧化物（RO2）及酸性耐火原料中的碱性氧化物都被视为杂质成分。杂质成分在高温下具有强烈的熔剂作用，他们之间相互

14、作用或与主成分作用，使得共熔液相生成温度降低或者液相量增加，从而降低原料的耐火性能。18.2.1.3 添加成分在耐火原料研究与生产中，为了促进其高温物相变化和降低烧结温度或扩大烧结温度范围，有时添加少量其它成分。按其作用不同通常有矿化剂、稳定剂、烧结剂等。它们的加入量很少，但却能明显地降低原料的生产成本或改善耐火材料的性能。18.2.2 矿物组成在评价耐火原料的质量时，单从化学组成考察是不全面的，应进一步观察其矿物组成。耐火原料的矿物组成取决于它的化学组成与生成条件（天然原料）或工艺条件（人工合成原料）。化学组成完全相同的原料，由于其生成条件的不同，所形成的矿物种类、数量、结晶状况可以完全不同

15、，其性能差异也较大。例如，化学组成都是Al2O3SiO2，Al2O362.93 % , SiO237.07%的蓝晶石族矿物，由于生成时的地质条件不同，则有蓝晶石、硅线石与红柱石三个同质多象变体，其结构、密度、高温膨胀性等完全不同。即使是矿物的组成相同时，其矿物的结晶大小、形状和分布的不同，也会对耐火材料的性质产生显著的影响。如前所述，耐火材料根据化学矿物组成分为8类，该8类的耐火材料的化学矿物组成如表181所示。表181 耐火材料的化学矿物组成分类类别主要化学成分主要矿物成分硅质制品硅砖石英玻璃SiO2 SiO2鲜石英、方石英、石英玻璃硅酸铝质制品半硅砖粘土砖高铝砖SiO2, Al2O3SiO

16、2, A l2O3 SiO2, A l2O3莫来石、方石英莫来石、方石英莫来石、刚玉镁质制品镁砖（方镁石砖） 镁铝砖镁铬砖镁橄榄石砖镁硅砖镁钙砖镁白云石砖镁碳砖MgOMgO, A l2O3MgO, Cr2O3MgO, SiO2MgO, SiO2 MgO, CaOMgO, CaOMgO, C方镁石方镁石、镁铭尖晶石方镁石、铬尖晶石镁橄榄石、方镁石方镁石、镁橄榄石方镁石、硅酸二钙方镁石、氧化钙方镁石、无定形碳（或石墨）白云石质制品白云石砖CaO, MgO 氧化钙、方镁石铬质制品铬砖铬镁砖Cr2O3, FeOCr2O3, MgO铬铁犷铬尖晶石、方镁石碳质制品碳砖石墨制品 碳化硅制品CCSiC无定形碳

17、（石墨）石墨碳化硅锆质制品锆英石砖ZrO2、SiO2锆英石特殊制品氧化物制品A l2O3, ZrO2CaO, MgO刚玉，高温型ZrO2氧化钙、方镁石非氧化物制品碳化物（如TiC）氮化物（如BN、Si3N4）硅化物（如MoSi2）硼化物（如ZrB2）金属陶瓷等复习思考题1耐火材料是如何定义的？2什么叫耐火度，耐火度与熔点有何不同？3耐火材料有哪些分类方法，是如何分类的？4根据耐火材料中各种化学成分的含量和其作用，通常将其分为哪三类？5耐火材料中常见的杂质成分有哪些，对耐火材料有什么危害？ 6耐火材料中常见的添加成分有哪些，对耐火材料起什么作用？7简述八类耐火材料的化学矿物组成。19 耐火材料的

18、主要性能19.1 耐火材料的宏观组织结构 耐火材料是由固相（包括结晶相和玻璃相）和气孔两部分构成的非均质体。其中各种形状和大小的气孔与固相之间的宏观关系（包括它们的数量和分布结合情况等）构成耐火材料的宏观组织结构。制品的宏观组织结构特征，是影响耐火材料高温使用性质的重要因素。表示耐火材料宏观组织结构的致密程度，有如下一系列指标。19.1.1 气孔率耐火原料中的气孔可分为两大类:即开口气孔与闭口气孔。开口气孔至少有一端与外界相通，而闭口气孔则封闭于原料之中，与外界不连通。通常认为耐火原料中的气孔中只有贯通气孔对耐火材料的耐侵蚀性影响明显，闭口气孔影响较小。气孔率可分为显气孔率、闭口气孔率与真气孔

19、率。用下述公式计算： 显气孔率 Pa=（ V1 / Vb ）100% 闭口气孔率 Pc=（ V2 / Vb ）100% 真气孔率 Pt = Pa + Pc式中 V1，V2，Vb 分别代表开口气孔体积、闭口气孔体积与试样总体积。闭口气孔体积难于直接测定，因此通常用显气孔率来表示。气孔率与体积密度关系密切，它除反映耐火材料的烧结程度外，还与原料的其它性能如机械强度、热膨胀、抗渣性及导热性有一定关系。19.1.2 吸水率 吸水率是原料中所有开口气孔所吸收的水的质量与其干燥材料的质量之比值。用下述公式计算：吸水率 a =（3 - m1）/m1100 %式中 1 ，m3 分别表示干燥试样的质量和饱和试样

20、在空气中的质量，g。 吸水率测定方法简便，在生产实际中常用来鉴定耐火原料的质量。原料烧结程度愈好其吸水率愈低。19.1.3 体积密度 体积密度系指材料的质量与其总体积之比，用g/cm3表示。总体积包括固体材料、开口气孔及闭口气孔的体积总和。体积密度有时也称作容积重量和容重。计算公式如下：:体积密度 Db = m1/Vb= m1 D1 /（m3 - m2）式中 1,m3 分别表示干燥试样的质量和饱和试样在空气中的质量，g。m2 分别表示饱和式样的表观质量，g；D1 试验温度下浸渍液体的密度，g/cm3；Vb 试样的总体积 ，cm3。 体积密度直观地反映出了耐火原料的致密程度，是耐火原料的重要质量

21、指标。19.2 耐火材料力学性质 耐火材料的力学性质是指材料在不同温度下的强度、弹性和塑性性质。这类性质表征材料在不同温度下抵抗因外力作用产生的各种形变和应力而不破坏的能力。无论是在常温或在使用条件下耐火制品都会因受到各种应力如压缩应力、拉应力、弯曲应力、剪应力、摩擦力或撞击力的作用而变形及损坏。因此对不同温度下工作的耐火材料，检验其力学性质具有重要意义。通常用检验耐压、抗拉、抗折、扭转强度、耐磨性、弹性横量和高温蠕变等指标来判断耐火材料的力学性质。 19.2.1 常温力学性质19.2.1.1 常温耐压强度 它是指常温下耐火材料在单位面积上所能承受的最大压力，如超过此值，材料被破坏。以Mpa表

22、示。如用用A表示试样受压的总面积，以P表示压碎试样所需的极限压力，则有：常温耐压强度 = P/A ， Mpa 通常耐火材料在使用过程中很少由于常温下的静负荷而招致破损。但常温耐压强度能够是表明制品的烧结情况，以及与其组织结构相关的性质，测定方法简便，因此是判断制品质量的常用检验项目。另一方面通过常温耐压强度可间接地评定其它指标，如制品的耐磨性、耐冲击性以及不烧制品的结合强度等。 在生产中工艺制度的变动，会反映在制品常温耐压强度指标的变化上。高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。19.2.1.2

23、 抗拉、抗折和扭转强度 耐火材料在使用时，除受压应力外，还受拉应力、弯曲应力和剪应力的作用。为了评定耐火材料的抗拉、抗折和扭转强度的实际大小，必须测定在相应操作温度下的数值。 在室温下测定这些数值，其实际意义较小，所以对耐火材料很少确定在室温下的抗拉、抗折和扭转强度。根据实验结果，抗折强度约比耐压强度小l2至23，而抗拉强度则小45至910。 耐火制品的抗拉强度和抗折强度的主要影响因素是其组织结构，细颗粒结构有利于这些指标的提高。19.2.1.3 耐磨性耐火材料抵抗坚硬物料或气体（如含有固体颗粒的）磨损作用（研磨、摩擦、冲击力作用）的能力，在许多情况下也决定着它的使用寿命。高炉上部砌砖因炉料沿

24、炉身下落而经受磨损作用，焦炉炭化室的砌砖也经常受着焦炭的磨损作用。在气流中以极大速度运动的粉尘状灰渣或煤粉，例如高炉热风管拐角处，锅炉煤粉燃烧室中，都对耐火砌体起磨损作用，当气流速度很大，耐火制品的耐磨性不足时，能够使窑炉内衬迅速损坏。 耐火材料的耐磨性不仅取决于制品的密度、强度，而且也取决于制品的矿物组成、组织结构和材料颗粒结合的牢固性。因而在生产中除骨料的本身硬度外，还必须注意影响制品组织结构的泥料粒度组成、气孔率和结合剂性质等工艺因素。常温耐压强度高，气孔率低，组织结构致密均匀，烧结良好的制品总是有良好的耐磨性。 一般都不对耐火材料进行耐磨性测定，也无统一规定的标准测定方法。常温下通常用

25、在一定的研磨条件和研磨时间下制品的重量损失或体积损失来表示。目前多采用吹砂法测定，即在一定时间内将压缩空气和研磨料喷吹于试样表面上，测定其减量。19.2.2 高温力学性质19.2.2.1 高温耐压强度高温耐压强度是材料在高温下单位截面所能承受的极限压力，单位是Mpa。耐火材料的高温耐压强度随着温度升高，大多数耐火制品的强度增大，其中粘土制品和高铝制品特别显著，在10001200时达到最大值。这是由于在高温下生成熔液的粘度比在低温下脆性玻璃相粘度更高些，使颗粒间的结合更为牢固。温度继续升高时，强度急剧下降。 耐火材料高温耐压强度指标，不仅是直接有用的资料，并且还可反映出制品在高温下结合状态的变化

26、，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。19.2.2.2 高温抗折强度 高温抗折强度是指材料在高温下单位截面所能承受的极限弯曲应力，单位是Mpa。它表征材料在高温下抵抗弯矩的能力。高温抗折强度又称高温弯曲强度或高温断裂模量。测定时将试样置于规定距离的支点上，在上面正中施加负荷，得出断裂时所承受的极限负荷，抗折强度可按下式计算：式中 R 抗折强度，Mpa；W 断裂时所施加的最大荷重，N；l 两支点间距离，mm；b 试样的宽度，mm；d 试样的厚度，mm。耐火材料的高温强度与其实际使用密切相关。特别是对于评价碱性直接接合砖的质量

27、，高温抗折强度是很重要的性能。如碱性直接接合砖的高温抗折强度大，则抵抗因温度梯度产生的剪应力的能力强，因而制品在使用时不易产生剥落现象。高温抗折强度大的制品亦会提高其对物料的撞击和磨损性，增强抗渣性，因此，高温抗折强度常作为表征制品的强度指标。 耐火材料的高温抗折强度指标，主要取决于制品的化学矿物组成、组织结构和生产工艺。材料中的熔剂物质和其烧成温度对制品的高温抗折强度有明显著影响。19.2.2.3 高温扭转强度高温扭转强度是材料的高温力学性能之一。它表征材料在高温下抵抗剪应力的能力。砌筑窑炉的耐火制品，在加热或冷却时，承受着复杂的剪应力，因而制品的高温扭转强度是重要的性质。 高温扭转强度可由

28、高温扭转强度试验来确定。测定时将试样一端固定，另一端施以力矩作用，试样发生扭转变形。当试样被扭转时，试样内各按截面上产生剪切应力，当应力超过一定限度肘，试样发生断裂。在高温下试样被折断时的极限剪切应力，称为高温扭转强度，单位是Mpa。 19.2.2.4 高温蠕变性当材料在高温下承受小于其极限强度的某恒定荷重时，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。因此对处于高温下的材料，就不能孤立地考虑其强度，而应将温度和时间的因素与强度同时考虑。例如，热风炉格子砖在高温长时间条件下工作，砖体逐渐软化产生可塑变形，强度显著下降甚至破坏，格子砖的这种蠕变现象成为炉子损坏

29、的主要原因。另外在许多情况下蠕变也是加热炉侧壁和隔墙倒塌的原因。在设计高温窑炉时，根据耐火材料的荷重软化试验和残存收缩率，在一定程度上可以推测耐火材料的高温体积稳定性，但对认识制品在长期高温负荷条件下工作的体积稳定性还是不充分的。因此，检验其高温蠕变性，了解它在高温负荷长时间下的变形特性是十分必要的。耐火材料的高温蠕变性系指材料在恒定的高温和一定荷重作用下，产生的变形和时间的关系。由于施加的荷重不同，可分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温扭转蠕变等。其中压缩蠕变和抗折蠕变容易测定，故应用较普遍。高温蠕变的表示方法一般为变形量（%）与时间（小时）的关系曲线，通常称为蠕变曲线，如图191所示。也可

30、表示为蠕变速率（%小时），或表示为达到某变量所需的时间。图191蠕变曲线图191给出了典型的高温蠕变曲线，曲线划分为三个特征阶段，第一阶段蠕变为1次蠕变，又可称为初期陷变或减速蠕变，其曲线斜率随时间增加愈来愈小，曲线愈来愈平缓，这一阶段较短暂；第二阶段为第2次蠕变或粘性蠕变，又可称为均速蠕变或稳态蠕变。其应变速度和时间无关，几乎保持不变。这个速率是蠕变曲线中最小的速率；第三阶段为第3次蠕变又称加速蠕变，应变速率迅速增加直至断裂。对于具体某种材料来说，其高温蠕变曲线的性状，不一定完全包括上述三个阶段。由于耐火材料的材质、检验温度和施加的荷重不同，曲线的性状也不相同。一般认为影响高温蠕变的因素有：

31、1使用条件，如温度和荷重、时间、气氛性质（是氧化性还是还原性）等；2材质，如化学组成（特别是低熔性微量成分含量的多少）和矿物组成（是单相还是多相，特别是玻璃相的组成和数量）；3显微组织结构（气孔率、晶粒的大小、形状和分布状态的不同）。19.2.3 弹性模量材料在其弹性限度内受外力作用产生变形，当外力除去后，仍恢复到原来的形状，此时应力和应变的比例称为弹性模量。它表示材料的抵抗变形的能力，这种关系可以表示为：式中 E 弹性模量，Mpa ；一 材料所受应力，Mpa；ll 一 材料的相对长度变化。弹性模量是材料的一个重要弹性参数，它在很大程度上反映着材料的结构特征。研究耐火材料的弹性模量随温度的变化

32、，更可以了解其高温性能。耐火材科弹性模量的测定方法，般分为静力法（主要是静荷重法）和动力法（主要是声频法）。由于耐火制品在常温下很脆，弹性模量也较大，变形量不易测准，故多采用动力法声频法测定。声频法的原理是：已知弹性体的固有振动频率取决于它的形状、体积密度和弹性模量，则对于形状和体积密度巳知的试样，如测定其固有振动频率，则可求得弹性模量。一般来讲，硅砖的弹性模量在磷石英转变温度处急剧降低。粘土砖在方石英转变效应时，弹性模量降低。耐火浇注料在结合剂加热分解的整个温度范围内，弹性模量随温度升高而下降。19.3 耐火原料的热学性质19.3.1 热膨胀 耐火材料的热膨胀是指其体积或长度随温度升高而增大

33、的物理性质。在工程技术中，对于那些处于温度变化条件下使用的结构材料，热膨胀不仅是其重要的使用性能，而且也是工业窑炉和高温设备进行结构设计的重要参数。耐火材料的热膨胀的重要性还表现在直接影响其抗热震性和受热后的应力分布和大小等。此外，材料的热膨胀系数随温度变化的特点也与材料的相变和有关微裂纹等基础理论有关。耐火材料的热膨胀可以用线膨胀系数或体膨胀系数表示，也可以用线膨胀率或体积膨胀率表示。在耐火材料的性能中，通常使用线膨胀率和线膨胀系数。线膨胀率是指由室温至设定温度间，试样长度的相对变化率；线膨胀系数是指由室温至设定温度间，每升高1，试样长度的相对变化率。以下列公式表示： 线膨胀率 线膨胀系数

34、式中 L0 试样在室温下的长度，mmLt 试样在设定温度t时的长度，mm;Ak（t） 设定温度t时仪器的校正值，mm;t0 室温，t 设定温度，线膨胀的测试方法有顶杆式间接法、望远镜直读法等。需要指出，热膨胀系数并不是一个恒定值，而是随试验温度而变化，所以它是指定温度范围t内的平均值。因此，在使用这一数据时，必须注明它的温度范围。 耐火原料的热膨胀取决于其化学矿物组成。一般碱性耐火原料的热膨胀系数比酸性原料的大，高铝质原料介于两者之间。当原料的矿物发生晶型转变时，会导致热膨胀系数的不均匀变化，在相变点发生突变。 热膨胀是耐火材料的重要性能，对耐火制品的强度、热震稳定性等影响明显，热膨胀系数对分

35、析耐火材料的热应力大小与分布、晶型转变、微裂纹的产生与弥合等非常重要。19.3.2 导热性导热性是材料传导热量的能力，是材料的一种属性。通常用导热系数来表示不同物质的导热性能，单位为W/mK，它代表在单位温度梯度下，通过材料单位面积的热流速率。耐火材料的导热系数对于高温热工设备的设计是不可缺少的重要数据。对于那些要求绝热性能良好的轻质耐火材料和要求导热性能良好的隔焰加热炉结构材料，检验其导热系数更具有重要意义。耐火材料导热系数的大小不仅与其用途有关，而且也是直接影响制品热震稳定性的重要因素。通常耐火原料的导热系数愈大，其制品受热震时，内部产生热应力愈小，热震稳定性愈好。影响耐火原料导热性的因素

36、很多。化学组分越复杂，杂质含量越多，或者加入另一组分形成的固溶体越多，它的导热系数降低越明显。矿物晶体结构越复杂，其导热系数也越小。例如MgOAl2O3（镁铝尖晶石）的导热系数比MgO和Al2O3低，3Al2O3SiO23 （莫来石）的结构比MgOAl2O3更复杂，因而导热系数更低。对于非等轴晶体，导热系数也存在各向异性。但对一般耐火原料而言，由于矿物结晶的排列杂乱无章，即使晶体为各向异性，原料的宏观导热系数的表现也为无方向性。原料中包含的气孔数量，大小，形状及分布等对导热系数都有影响。气孔内的气体导热系数低，因此在一定的温度限度与气孔率范围内，气孔率愈大则导热系数愈小。对于粉末和纤维材料因在

37、其间的气孔形成了连续相，材料的导热率在很大程度上受气孔相导热率的影响。所以其导热率比烧结状态时要低得多。这也是通常粉末、多孔和纤维类材料能有良好绝热性能的原因。19.4 耐火材料的高温使用性质耐火材料在实际使用过程中都要遭受高温热负荷作用，故耐火材料的使用性质实质上是表征其抵抗高温热负荷作用同时还受其他化学、物理化学及力学作用而不易损坏的牲能。因此，耐火材料的这些性质不仅可用于判断材质的优劣，还可根据使用时的工作条件，直接考查其在高温下的适用性。耐火材料的使用性质可划分为以下几种:19.4.1 荷重软化温度荷重软化温度是耐火材料在一定的重负荷和热负荷共同作用下达到某一特定压缩变形时的温度，是对

38、耐火材料进行恒荷重持续升温法所测定的高温力学性质，表征耐火材料抵抗重负荷和高温热负荷共同作用而保持稳定的能力。测定耐火材料的荷重软化温度多采用升温法测定，即在规定的恒压和升温速度下加热直径50mm，高50mm，中心孔径1213mm的圆柱体试样，测定其达到规定变形量时的温度。与此变形量相应的温度即为荷重软化变形温度。常绘制成变形温度曲线，以确定各种变形量时的温度。我国国家标准规定，将从曲线最高点起压缩变形量分别达0.5% ,1.0% ,2.0%和5.0%时的温度分别以T0.5、T1.0、T2.0和T5.0.标示，作为耐火材料的各级荷重软化温度。荷重软化曲线如图192所示。图192荷重软化变形曲线

39、各种耐火材料的开始荷重软化温度及其荷重变形温度曲线不同，主要取决于制品的化学矿物组成和结构，也在一定程度上与其宏观结构有关。其中影响最明显的因素为以下几项：主晶相的种类和性质以及主晶相间或主晶相和次晶相间的结合状态；基质的性质和基质同主晶相或次晶相的数量比以及分布状态。另外，制品的密实性和气孔的状况也有一定的影响。 上述耐火材料的矿物组成和结构，取决于耐火材料的原料和制品的生产工艺。特别是提高原料的纯度和制品的烧成温度，有助于降低基质的数量，改善基质的性质与分布，提高制品的致密性和晶体的发育长大与实现良好的结合。因此，欲提高耐火材料的荷重软化温度，必须正确选用原料和采取合理的工艺方法与制度。荷

40、重软化温度是评价耐火材料质量的一项重要技术指标。测定荷重软化温度时的热负荷重负荷共同作用的条件接近于耐火材料服役时的许多实际状况，其中开始软化变形温度可作为在相近工作条件下大多数耐火材抖使用温度上限的参考值。但是，应该指出，耐火制品的荷重软化温度基本上是瞬时测定的，而绝大多数耐火制品在实际中是长期服役的，即长期在热负荷和重负荷共同作用下工作，从而使耐火材料的变形和裂纹易于持续地发展，并可导致损毁，故耐火材料的荷重软化温度仅能作为确定耐火材料最高使用温度时参考。19.4.2 高温体积稳定性耐火材料的高温体积稳定性是指其在热负荷作用下外形体积或线度保持稳定而不发生永久变形的性能。对烧结制品，一般以

41、制品在无重负荷作用下的重烧体积变化百分率或重烧线变化百分率来衡量其优劣。重烧体积变化和重烧线变化也称残余体积变形和残余线变形。其表示式如下:式中 V和L 分别表示重烧体积变化率和重烧线变化率，%； Vo和V1 分别表示重烧前后的体积，cm3； L0和L1 分别表示重烧前后的长度， cm。若变化值为正，则为膨胀；若为负，则为收缩。当重烧变化微小时，可认为V =3L。当制品化学矿物组成及颗粒配比一定时，多数耐火制品产生重烧变形的原因是制品烧成时一些物理化学反应未充分完成或部分组分有晶型转化所致。其中重烧膨胀是由于一些高密度的反应物形成低密度产物的反应，或高密度的晶型向低密度晶型转化未充分完成之故。

42、如由含A12O370%左右的水铝石高岭石型铝矾土为原料制成的高铝砖和由石英为原料制成的硅砖烧成不充分时，分别因二次莫来石化不足和鳞石英与方石英转化不足而产生重烧膨胀。与此相反，重烧收缩主要是由于制品在烧成过程中的高密度化的晶型转化、固相反应和再结晶以及其他固相与液相烧结反应未充分完成所致。其中烧成温度及保温时间，以及形成的液相量及其表面张力和粘度，对收缩影响尤著。如镁质制品，刚玉制品、粘土制品，都易产生此种现象。耐火制品的重烧变形也是一项重要使用性质。对判别制品的高温体积稳定性，从而保证砌筑体的稳定性，减少砌筑体的缝隙，提高其密封性和耐侵蚀性，避免砌筑体整体结构的破坏，都具有重要意义。19.4

43、.3 耐热震性耐热震性又称热震稳定性、耐急冷急热性，是耐火制品抵抗温度急剧变化而不破坏的能力。耐火材料在使用过程中，经常会遭受到温度急剧变化的作用，如冶金炉炉衬在两次熔炼和间歇中，盛钢捅衬砖在两次盛钢与浇注的交替中，其他非连续式窑炉或容器的间歇操作中，在很短时间内工作温度变化很大，都常因此种温度急剧变化即热震作用而开裂、剥落和崩溃。因此，当耐火材料在使用中，其工作温度有急剧变化时，必须考查其耐热震性。欲提高材料的耐热震性，必须采取降低其热膨胀性、弹性模量和波桑比以及增加其断裂表面能等措施。为了避免材料产生裂纹，还可提高材料的强度。为了避免材料的裂纹扩展，还可采取释放弹性应变能的措施。热震稳定性

44、的检测方法可以根据要求加以选择。主要考虑加热温度、冷却方式和试样受热部位等实验条件。一般可以将标准砖一端在炉内加热至一定温度，并保温一定时间，随后取出在流动冷水中或冷风气流中冷却，如此反复进行热冷处理，直至损失砖总重的一半为止，或根据试样在经过一定次数的冷热循环后机械强度的降低到一等程度时为止，此时的急冷急热次数（热交换次数），即为耐火砖的热震稳定性指标。19.4.4 抗渣性耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀作用而不破坏的能力称为抗渣性。这里熔渣的概念从广义上来说是指高温下与耐火材料相接触的冶金炉渣、燃料灰分、飞尘、各种材料（包括固态、液态材料，如煅烧石灰、铁屑、熔融金属、玻璃液等）和气态物质（煤气

45、、一氧化碳、氟、硫、锌、碱蒸气）等。耐火材料在与熔融液直接接触的高温冶炼炉、熔化炉、煅烧炉、反应炉等炉窑和高温容器中，极易受熔渣侵蚀。在许多热风炉、换热器、蓄热器等高温热交换的设备中，或在有些反应器和其他高温装置中，耐火材料不直接与熔融液接触。但是固态物料、烟气中的粉尘可与其接触，一些气态物质也可在耐火材料上凝结，它们都可在高温下与耐火材料反应形成熔融体，或形成性质不同的新生物，或使耐火材料中的一些组分分解，导致耐火材料损毁。通常，对耐火材料的这类（以化学或物理化学侵蚀为主要原因的）侵蚀，也通通归为渣蚀。可见渣蚀是耐火材料使用过程中最常见的一种损毁形式，有时甚至是最严重的损毁。据统计，耐火材料

46、在实际使用中约有50%是由于渣蚀而损毁的。因而，提高耐火材料的抗渣性，对提高炉衬和砌筑体的使用寿命，提高此类热工设备的热效率和生产效率，降低成本，减少产品因耐火材料渣蚀而引起的污染，提高产品质量都是很有意义的。耐火材料受熔渣侵蚀的具体原因与过程是很复杂的。一般而论，可简略地分为两个阶段，即熔渣与耐火材料的接触与渗透；熔渣与耐火材料的反应与破坏。测定抗渣性的方法很多，多数是模拟耐火材料在使用过程中实际侵蚀条件，采用对比试验方法。大体上有以下四类：以熔锥法为代表的平衡状态法；以坩锅法为代表的静态法；以及撒渣法、喷渣法、滴渣法和旋棒法等的动态法。19.5 耐真空性 耐火材料的耐真空性是指其在真空和高温下应用时的耐久性。耐火材料在高温减压下使用，其中一些组分极易挥发。同时，耐火材料与周围介质间的一些化学反应更易进行，如材料中的MgO在真空下与铁水接触时，被铁水中碳还原的温度显著降低。另外，在真空下熔渣沿材料中毛细管渗透的速度明显加快。所以许多耐火材料在真空下使用时耐久性降低。当耐火材料使用于真空熔炼炉和其他真空处理装置中时，必须考虑其耐真空性。耐火材料的耐真空性通常多采用将其置于特定的真空和温度下经历一定时间的方法测定，并以其