耐火材料基礎知識培訓.ppt

耐火材料基礎知識培訓,耐火材料可用作高溫窯爐等熱工設備的結構材料以及工業(yè)用的高溫容器和部件，能承受在其中進行的各種物理化學變化及機械作用。耐火材料是冶金、玻璃、水泥、陶瓷、機械熱加工、石油化工、動力和國防工業(yè)等高溫工業(yè)所必須的重要基礎材料。,本次培訓主要介紹耐火材料的 基本概念 基本性能,一、耐火材料的定義 傳統(tǒng)的定義：耐火度不小于1580的無機非金屬材料； （耐火度-指材料在高溫無荷重條件下，不熔融軟化的性能) 耐火材料大部分是以天然礦石為原料制成，但目前采用某些工業(yè)原料和人工合成原料制造的耐火材料也日益增多。,二、耐火材料的分類 耐火材料品種繁多、用途各異，有必要對耐火材料進行科學分類，以便于科學研究、合理選用和管理。耐火材料的分類方法很多，其中主要有化學屬性分類法、化學礦物組成分類法、生產(chǎn)工藝分類法、材料形態(tài)分類法等多種方法。,1、根據(jù)耐火度的高低分： 普通耐火材料：15801770 高級耐火材料：17702000 特級耐火材料：2000,標準型：230mm113mm65mm； 不多于4個量尺，（尺寸比）Max:Min4:1； 異 型：不多于2個凹角，（尺寸比）Max:Min6:1； 或有一個5070的銳角； 特異型：（尺寸比） Max:Min8:1； 或不多于4個凹角；或有一個3050的銳角； 特殊制品：坩堝、器皿、管等。,2、依據(jù)制品形狀及尺寸的不同分：,3、按制造方法耐火材料可分為：,按化學屬性分類對于了解耐火材料的化學性質，判斷耐火材料在實際使用過程中與接觸物之間的化學作用情況具有重要意義。,4. 按材料化學屬性分類：,耐火材料在使用過程中除承受高溫作用外，往往伴隨著熔渣（液態(tài)）及氣體等化學侵蝕。為了保證耐火材料在使用中有足夠的抵抗侵蝕介質侵蝕能力，選用的耐火材料的化學屬性應與侵蝕介質的化學屬性相同或接近。,耐火材料化學屬性分類,（1）酸性耐火材料 通常是指其中含有相當數(shù)量二氧化硅的耐火材料。,硅質耐火材料中游離二氧化硅含量很高(大于94%)，是酸性最強的耐火材料； 粘土質耐火材料中游離二氧化硅含量較少，是弱酸性的； 半硅質耐火材料也歸于此類。也有將鋯英石質耐火材料和碳化硅質耐火材料歸入酸性耐火材料的，因為此類材料中含有較高的SiO2或在高溫狀態(tài)下能形成SiO2。,（2）中性耐火材料 中性耐火材料按嚴格意義講是指碳質耐火材料。但通常也將以三價氧化物為主體的高鋁質、剛玉質、鋯剛玉質、鉻質耐火材料歸入中性耐火材料（兩性氧化物如Al2O3、Cr2O3等）。 此類耐火材料在高溫狀況下對酸、堿性介質的化學侵蝕都具有一定的穩(wěn)定性，尤其對弱酸、弱堿的侵蝕具有較好的抵抗能力。,（3）堿性耐火材料 一般是指以MgO、CaO或以MgOCaO為主要成分的耐火材料（鎂質、石灰質、鎂鉻質、鎂硅質、白云石質耐火制品及其不定形材料）。 這類耐火材料的耐火度都比較高，對堿性介質的化學侵蝕具有較強的抵抗能力。,5. 按化學礦物組成分類： 此種分類法能夠很直接地表征各種耐火材料的基本組成和特性，在生產(chǎn)、使用、科研上是常見的分類法，具有較強的實際應用意義。,（1）硅質耐火材料 含SiO2在90%以上的材料通常稱為硅質耐火材料，主要包括硅磚及熔融石英制品。硅磚以硅石為主要原料生產(chǎn)，其SiO2含量一般不低于93%，主要礦物組成為磷石英和方石英。,（2）硅酸鋁質耐火材料 半硅質（Al2O330%) 粘土質 (Al2O3 30%48%) 高鋁質 （ Al2O3 48%-90%） （3）剛玉質 Al2O3在90%以上,（4）鎂質耐火材料（與 鎂相關） 鎂質耐火材料是指以鎂砂為主要原料，以方鎂石為主晶相，MgO含量大于80%的堿性耐火材料。 鎂質制品： MgO含量87%，主要礦物為方鎂石； 鎂鋁質制品：含MgO 75%，Al2O3含量一般為7-8%，主要礦物成分為方鎂石和鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）； 鎂鉻質制品：含MgO60% ，Cr2O3含量一般在20%以下，主要礦物成分為方鎂石和鉻尖晶石;,鎂橄欖石質及鎂硅質制品：此種鎂質材料中除含有主成分MgO外，第二化學成分為SiO2。鎂橄欖石磚比鎂硅磚含有更多的SiO2，前者的主要礦物成分為鎂橄欖石，其次為方鎂石；后者的主要礦物為方鎂石，其次鎂橄欖石； 鎂鈣質制品：此種鎂質材料中含有一定量的 CaO,主要礦物成分除方鎂石外還含有一定量的硅酸二鈣（2 CaOSiO2）。,白云石質耐火材料 以天然白云石為主要原料生產(chǎn)的堿性耐火材料稱為白云石質耐火材料。 主要化學成分為：30-42%的MgO和40-60%的CaO，二者之和一般應大于90%。 主要礦物成分為：方鎂石和方鈣石（氧化鈣）。,（5）碳復合耐火材料 碳復合耐火材料是指以不同形態(tài)的碳素材料與相應的耐火氧化物復合生產(chǎn)的耐火材料。,（6）含鋯耐火材料 含鋯耐火材料是指以氧化鋯（ZrO2）、鋯英石等 含鋯材料為原料生產(chǎn)的耐火材料。 含鋯耐火材料制品通常包括鋯英石制品、鋯莫來石制品、鋯剛玉制品等。,（7）特種耐火材料 特種耐火材料又可分為如下品種：,碳質制品：包括碳磚和石墨制品； 純氧化物制品：包括氧化鋁制品、氧化鋯制品、氧化鈣制品等； 非氧化物制品：包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化鋯、硼化鈦、塞倫(Sialon）、阿倫(Alon)制品等；,6. 不定形耐火材料分類 （根據(jù)使用方法分類）,5000年前出現(xiàn)了陶器； 2000年前有了瓷器； 后來，天然的原料開始使用，如硅線石磚； 1637年，石墨粘土坩鍋投入使用。 我國，解放前僅有少量的耐火材料工廠，生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質量較低，嚴重依賴進口；,三、耐火材料的發(fā)展 歷史悠久,四.中國耐火材料工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展,1）計劃經(jīng)濟時代中國耐火材料由33家重點企業(yè)扶持； 2）改革開放以后，隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，耐火材料行業(yè)快速發(fā)展起來； 2004年統(tǒng)計，全國 有1136家耐火材料生產(chǎn)企業(yè) 2005年統(tǒng)計，全國 有1359家耐火材料生產(chǎn)企業(yè) 2006年統(tǒng)計，全國 有1505家耐火材料生產(chǎn)企業(yè),連鑄比的提高和冶煉技術的進步導致噸鋼耐火材料消耗（x公斤耐火材料/噸鋼）下降；另一方面，鋼產(chǎn)量增加；使得2002年以后中國耐火材料產(chǎn)量呈上升趨勢。 2002年、2004年和2006年，中國粗鋼產(chǎn)量分別為： 1.8、2.8和4.1億噸；2007年在4.9億噸左右。,鋼鐵工業(yè)的競爭日趨激烈，耐火材料生產(chǎn)廠家面臨更大的成本壓力； 潔凈鋼的生產(chǎn)對耐火材料提出了更高的要求，除了要求長壽以外，還要求對鋼水無污染； 中國耐火材料企業(yè)的研發(fā)力量有待加強。不能僅僅作為一個加工基地； 應注意可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。如：礦山的管理、耐火材料的回收利用、環(huán)境友好耐火材料的使用。,3）存在的問題和今后的發(fā)展,第一章 耐火材料的組成與性質,耐火材料的化學成分、礦物組成及微觀結構決定了耐火材料的性質； 正確合理選用耐火材料也是以其性質作為主要依據(jù)。,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（Japanese Industrial Standards） 英國：BSI（British Standards Institution） 美國：ASTM（American Society of Testing Materials） 中國：GB（始于1959年，重標ZB 冶標YB 國標GB）,1.1 前 言 耐火材料是耐火度不低于1580的無機非金屬材料。耐火材料在無荷重時抵抗高溫作用的穩(wěn)定性，即在高溫無荷重條件下不熔融軟化的性能稱為耐火度，它表示耐火材料的基本性能。,1.2 耐火材料的組成、結構與性質 耐火材料是構筑熱工設備的高溫結構材料，面臨： 承受高溫作用；機械應力；熱應力；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。,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)。,1.3 耐火材料的化學-礦物組成 （1）化學組成 化學組成是耐火材料最基本的特性，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：,主成分 主成分是指在耐火材料中對材料的性質起決定作用并構成耐火基體的成分。 一般為氧化物、元素或某些元素的化合物。 耐火材料按其主成分的化學性質可分為酸性耐火材料、中性耐火材料和堿性耐火材料。,雜質成分 耐火材料中由原料及加工過程中帶入的非主要成分的化學物質（氧化物、化合物等）稱為雜質。 雜質的存在往往能與主要成分在高溫下發(fā)生反應，生成低熔性物質或形成大量的液相，從而降低耐火材料基體的耐火性能，故也稱之為熔劑。即雜質成分對耐火基體起一定的熔劑作用，降低耐火制品的耐火性能。有利作用是降低制品（原料）的燒成溫度，促進燒結。 注:雜質的熔劑作用只是相對的，這種作用取決于基體的性質和雜質的組成和比例。,添加成分 耐火材料的化學組成中除主要成分和雜質成分外有時為了制作工藝的需要或改善某些性能往往人為地加入少量的添加成分，引入添加成分的物質稱為添加劑。 作用是促進耐火制品在生產(chǎn)中的高溫變化和降低燒結溫度等。 按照添加劑的目的和作用不同可分為礦化劑、穩(wěn)定劑、促燒劑（燒結劑）等。,耐火材料化學組成的分析方法,專門標準規(guī)定。 較新方法：比色法、有機試劑（絡合物）滴定法、火焰光度法、光譜分析法、x射線熒光分析法等,（2）礦物組成 耐火材料一般說來是一個多相組成體，其礦物組成取決于耐火材料的化學組成和生產(chǎn)工藝條件，礦物組成可分為兩大類：結晶相與玻璃相，其中結晶相又分為主晶相和次晶相。,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。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。,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。 如鎂鉻磚中與方鎂石并存的鉻尖晶石，鎂鋁磚中的鎂鋁尖晶石，鎂鈣磚中的硅酸二鈣，鎂硅磚中的鎂橄欖石等。 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：高溫結構強度以及抗熔渣滲透、侵蝕的能力。,填充于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。 基質的熔點一般較低，其組成和形態(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。 采用調整和改變耐火制品的基質 成分是改善制品性能的有效工藝措施。 基質對于主晶相而言是制品的相對薄弱之處。,1.4 耐火材料的顯微結構 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。它們之間的相對數(shù)量及其分布和結合形態(tài)構成了耐火材料的顯微結構。而耐火制品的顯微組織結構表征的是耐火材料中主晶相與基質間的結合形態(tài)。,圖1-1 硅酸鹽結合與直接結合顯微結構示意圖,耐火材料主晶相與基質的結合形態(tài)有兩種： 陶瓷結合（硅酸鹽結合）與直接結合。,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（圖1-1a），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。,MgO SiO2 CaO (wt%) A 24.83 39.09 36.08 B 11.70 37.00 51.30 C 11.54 36.29 52.17,耐火材料中陶瓷結合示意圖,直接結合是指耐火制品中，高熔點的主晶相之間或主晶相與次晶相間直接接觸形成結晶網(wǎng)絡的一種結合。 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。,一種致密氧化鋁材料圖示,（1）氣孔率 耐火材料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：開口氣孔（顯氣孔）、貫通氣孔、封閉氣孔。 若把開口氣孔與貫通氣孔合并為一類，則耐火材料的氣孔可分為開口氣孔和封閉氣孔兩類。,1.5 耐火材料的常溫物理性質 耐火材料制品中各種形狀和大小的氣孔與固相之間的宏觀關系（它們的數(shù)量、分布等）構成了耐火材料的宏觀組織結構。制品的宏觀組織結構特征是影響其高溫使用性質的主要因素。,耐火材料中氣孔的類型,耐火材料中存在的氣孔,材料中氣孔產(chǎn)生的原因？,氣孔產(chǎn)生的原因： 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； 3）制品燒成時，由于物化反應形成的氣孔。,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- 為顯氣孔率； V1- 為制品中開口氣孔的體積； V0- 為制品的總體積，即試樣外表面圍成的體 積，亦稱表觀體積。,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,真氣孔率顯氣孔率閉口氣孔率,（2）吸水率 吸水率是指耐火制品中全部開口氣孔吸滿水時，制品所吸收水的重量與制品重量之比。吸水率實質上是反映制品中開口氣孔量的一個指標。,測定意義：判斷原料或制品質量的好壞、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。,（3）體積密度 耐火制品單位表觀體積的質量稱為體積密度，通常用kg/m3或g/cm3表示。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。 式中：Db為體積密度，g/cm3 ； G為試樣質量 ，g ； Vb為試樣表觀體積，cm3,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,浸漬液體的比重,（4）真密度與真比重 耐火材料的質量與其真體積（即不包括氣孔體積）之比，稱為真密度，通常也用g/cm3來表示。 式中：Dt為真密度，g/cm3 G為試樣質量， g Vt為試樣真體積 ，cm3,真比重的概念：單位體積耐火材料的重量與4單位體積水的重量之比值。 從數(shù)值上來說，真密度和真比重是相等的。 體積密度和真密度通常采用浸液稱量法測定。,（5）透氣度 其物理意義是在一定時間內和一定壓差下氣體透過一定斷面和厚度的試樣的量。,式中：Q-為氣體透過的數(shù)量（升）；d-為試樣的厚度（米）； A-為試樣的橫截面積（平方米）；t-為氣體透過時間（小時）； P1-P2為試樣兩端氣體壓力差（牛頓/平方米）； K-為透氣度系數(shù)，也稱透氣率（升米/牛頓小時）,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，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、滲透的程度與耐火制品氣孔的大小、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。 透氣度與耐火制品的氣孔的構造和狀態(tài)有關，并隨耐火制品成型時的加壓方向而異。它和氣孔率既有一定關系，又無規(guī)律性。,1.6 耐火材料的熱學性質和導電性質 （1）熱膨脹 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。 產(chǎn)生原因：原子的非諧性振動增大了原子的間距，從而使材料體積膨脹。 耐火材料的熱膨脹可以用線膨脹系數(shù)或體膨脹系數(shù)表示，也可以用線膨脹百分率或體積膨脹百分率表示。,體積膨脹系數(shù)： -1 線膨脹系數(shù)： -1,膨脹系數(shù)是指耐火材料由室溫加熱至試驗溫度的區(qū)間內，溫度每升高1，試樣體積或長度的相對變化率。 意義：窯爐設計的重要參數(shù)、預留膨脹縫的依據(jù)，可間接判斷耐材熱震穩(wěn)定性能等。,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。,耐火材料作為構筑熱工設備的結構材料，常常在溫度變化條件下使用。因此，耐火材料的熱膨脹既是其重要的使用性能，也是工業(yè)窯爐等高溫熱工設備進行結構設計的重要參數(shù)。,耐火材料的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。通常： 鍵強高的材料具有低的熱膨脹系數(shù)(SiC)； 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）。,（2）熱導率 耐火材料的熱導率是指單位溫度梯度下，單位時間內通過單位垂直面積的熱量，用表示：,式中： 導熱率（W/mK）； Q t 時間沿x軸方向穿過F截面上的熱量（ W/m2 ）； 沿x軸方向的溫度梯度（K/m）。,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。耐火材料的化學礦物組成也對材料的導熱率也有明顯影響。 晶體中的各種缺陷、雜質以及晶粒界面都會引起晶格波的散射，也等效于聲子平均自由程的減小，從而降低熱導率。,（3）熱容 熱容是耐火材料的另一重要的熱學性質，它是表征材料受熱后溫度升高情況的參數(shù)。 任何物質受熱后溫度都要升高，但不同的物質溫度升高1所需要的熱量不同。工程上用在常壓下加熱1公斤物質使之升溫1所需要的熱量（以KJ計）來表示和衡量這一性質，稱為熱容（又稱比熱容）。,工程上所用的平均熱容是指從溫度T1到T2所吸收的熱量的平均值。平均熱容是比較粗略的，溫度范圍越大，精度越差，應用時要特別注意使用的溫度范圍。,耐火材料的熱容取決于它的化學礦物組成和所處的溫度。 作用：耐火材料的熱容除影響爐體的加熱、冷卻速度外，在蓄熱磚中也具有重要意義。 測定方法:多采用量熱計法。,（4）導電性 耐火材料通常在室溫下是電的不良導體，隨溫度升高，電阻減小，導電性增強。若將材料加熱至熔融狀態(tài)，則會呈現(xiàn)較強的導電能力。 某些耐火材料具有導電性，如含碳耐火制品具有導電性，而二氧化鋯制品在高溫下也具有較好的導電性，可以作為高溫下的發(fā)熱體。,1.7 耐火材料的力學性質 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。,（1）耐壓強度 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?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，平方毫米。,常溫耐壓強度指標通?？梢苑从成a(chǎn)中工藝制度的變動。高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。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。 耐火材料的高溫耐壓強度則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。,（2）抗折強度 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。,式中： R 抗折強度，N/mm2（MPa）； F 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 上刀口部位試樣的寬度，mm； d 上刀口部位試樣的厚度（高度）mm。,（3）高溫蠕變性能 蠕變 ：指材料在高溫下承受小于其極限強度的某一恒定荷重時，產(chǎn)生塑性變形，變形量會隨時間的增長而逐漸增加，甚至會使材料破壞的現(xiàn)象。 耐火材料的高溫蠕變性能是指在某一恒定的高溫以及固定載荷下，材料的形變與時間的關系。 根據(jù)施加荷重形式的不同可分為高溫壓縮蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫抗折蠕變等。由于高溫壓縮與高溫抗折蠕變較易測定，故應用較多。 我國通常采用壓縮蠕變。,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（后頁圖所示），也可用某一時段內（如25-50小時）制品的變形量（%）來表示。 典型高溫壓縮蠕變過程： 第一階段（1次蠕變，或稱初期蠕變或減速蠕變） 曲線斜率越來越小，曲線越來越平緩，較短暫。 第二階段（2次蠕變，或粘性蠕變或均速蠕變或穩(wěn)態(tài)蠕變） 曲線速率最小，應變速度幾乎不變，與時間無關。 第三階段（3次蠕變，或加速蠕變） 應變速率迅速增加直至材料斷裂。,下圖給出了耐火材料典型的高溫蠕變曲線。,材料不同或材料測試或使用的具體條件不同，其高溫蠕 變曲線也不盡相同。 影響高溫蠕變的因素： 使用條件，如溫度、荷重、時間、氣氛性質等； 材質，如化學組成和礦物組成； 制品的顯微組織結構。 測定耐材高溫蠕變意義：研究耐材在高溫下應力作用產(chǎn) 生的組織結構變化；檢驗制品質量；評價生產(chǎn)工藝；窯爐設 計中預測耐火制品在實際應用中承受負荷的變化；評價制品 的使用性能等。,（4）彈性模量 材料在其彈性范圍內（即符合虎克定律的彈性體），在荷載（應力）的作用下，產(chǎn)生變形（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； 材料所受應力； 材料相對長度變化。,1.8 耐火材料的高溫使用性質 耐火制品在各種不同的窯爐中使用時，長期處于高溫狀態(tài)下，耐火材料耐高溫的性質能否滿足各類窯爐工作條件的要求，是材料選用的主要依據(jù)，因此耐火制品的高溫性質也是最重要的基本性質。,（1）耐火度 耐火材料在無荷重條件下，抵抗高溫作用而不熔化的性質稱為耐火度。 與有固定熔點的結晶態(tài)物質不同，耐火材料一般是由多種礦物組成的多相固體混合物，沒有固定的熔點。其熔融是在一定溫度范圍內進行的，當對其加熱升溫至某一溫度時開始出現(xiàn)液相（即固定的開始熔融溫度），繼續(xù)加熱溫度仍然繼續(xù)升高、液相量也隨之增多，直至升至某一溫度全部變?yōu)橐合啵谶@個溫度范圍內，液相與固相同時存在。,耐火度是一個技術指標，將被測制品按一定方法制成截頭三角錐（2830mm）。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。,耐火度與熔點的區(qū)別： 1、熔點指純物質的結晶相與液相處于平衡時的溫度； 2、熔點是一個物理常數(shù)； 3、耐火材料為多相混合體，其熔融是在一定的溫度范圍內進行的，是一個工藝指標。 （常見耐火原料及制品耐火度指標見教材P20 ）,耐火材料達到耐火度時實際上已不具有機械強度了，因此耐火度的高與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。, 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。 雜質成分特別是具有強熔劑作用的雜質，將嚴重降低制品的耐火度。 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）。,影響因素,（2）高溫荷重軟化溫度 耐火材料的高溫荷重軟化溫度也稱為高溫荷重變形溫度，表示材料在溫度與荷重雙重作用下抵抗變形的能力，即指耐火材料試樣在固定壓力下，不斷升高溫度，試樣發(fā)生一定變形量和坍塌時的溫度。 高溫荷重軟化溫度在一定程度上能表明耐火制品在與其使用情況相近的條件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。 耐火制品的荷重軟化溫度取決于制品的化學-礦物組成、組織結構、顯微結構、液相的性質、結晶相與液相的比例及相互作用等。,耐火制品荷重軟化溫度的測定： 一般是在0.2MPa的固定載荷下，以一定的升溫速度均勻加熱，測定試樣（3650mm直圓柱體）壓縮0.6%、4%、40% 時的溫度。 試樣壓縮0.6%時的變形溫度即為試樣的荷重軟化開始溫度，即通常所說的荷重軟化點。 試樣壓縮4（2mm）變形溫度； 試樣壓縮40（20mm）潰裂點；,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；5-半硅磚；6-粘土磚 ,影響荷軟的因素： 化學礦物組成。晶相構造和性狀、晶相與液相的比例和相互作用、液相粘度等。 生產(chǎn)工藝。制品燒成溫度和氣孔率等。 原料純度、雜質成分的性質和含量。 測定條件。升溫速率快，荷軟溫度較高。 測定荷軟的意義： 可以作為材料最高的使用溫度。,（3）高溫體積穩(wěn)定性 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。,一般而言，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)； 另一方面，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，這些燒結不充分的欠燒制品中，其間的物理化學反應進行得也不充分。因此制品在使用過程中受到高溫長期作用時，一些物理化學變化會繼續(xù)進行并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。 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。 測定意義：衡量材料燒結性能的好壞。,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。,（4）熱震穩(wěn)定性 耐火材料抵抗溫度急劇變化而不被破壞的性能稱為熱震穩(wěn)定性或抗熱沖擊性能。 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.這種溫度的急劇變化常常會導致耐火材料產(chǎn)生裂紋、剝落、崩裂等結構性的破壞，而影響熱工設備操作的穩(wěn)定性、安全性和生產(chǎn)的連續(xù)性。,產(chǎn)生熱應力的因素：材料的熱膨脹系數(shù)、材料的導熱系數(shù)、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(?。?、導熱率（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。,一般而言，耐火制品在溫度變化時會產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的熱應力超過制品的強度時，制品將會產(chǎn)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(chǎn)生的應力。,耐火材料熱震穩(wěn)定性試驗后的電鏡圖片,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)； T 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)。,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(chǎn)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(chǎn)生的熱應力相對較?。环粗?，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(chǎn)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。,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)，以強度應力為判據(jù)，認為材料中的熱應力達到抗張強度極限后，材料就產(chǎn)生開裂，而一旦有裂紋產(chǎn)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。,彈性模量對熱震穩(wěn)定性的影響,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。,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(jīng)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。,熱震穩(wěn)定性的試驗方法： 風 冷（1000 ，30分鐘，風冷，重復） 水 冷（1100，20分鐘，水冷，自然干燥，重復） 評價： 試樣被破壞的程度 試樣強度的保持率,熱震試驗后強度變化,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(chǎn)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(chǎn)生破壞。,（5）含碳耐火材料的抗氧化性 含碳耐火材料在氧化性氣氛中，其中的碳素材料會同空氣中的氧氣發(fā)生發(fā)應。 試樣：502mm的立方體或直徑與高為50 2mm的圓柱體； 溫度：1400