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什么是耐火材料?耐火材料检测标准与意义

文章出处:正耐实业澳门永利娱城app下载 /?发表时间:2019-08-29


耐火材料发展历史:
8000年前出现了陶器;
2000年前有了瓷器;
1500年前有天然的原料开始使用。
1637年,石墨粘土坩埚投入使用。
1951年,国内耐火材料投入生产。
1966年,我国耐火材料总量达到年产50万吨。
1981年,我国耐火材料在政府的支持下开始大规模生产。
1997年,国内耐火材料年产量总量达到650万吨。
2006年,我国耐火砖,浇注料等耐火产品出口到时间各地。
 
耐火材料的应用领域:
1、钢铁冶金、有色冶金
2、建材,如水泥、玻璃、陶瓷
3、化工、电力
4、其它行业,如环保方面,比如垃圾等废弃物处理。
 
耐火材料的性质:
耐火材料的性质主要包括热学性质、力学性质、及高温使用性质等。
 
研究这些性质的目的:
1、根据这些性质可以预测耐火材料在高温环境下的使用情况。
2、反过来可以选择热工设备所需要的耐火材料。
 
耐火材料的重要物理性质:
气孔和气孔率,气孔占耐火材料总体积的0-90% ,耐火材料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。若把开口气孔与贯通气孔合并为一类,则耐火材料的气孔可分为开口气孔和封闭气孔两类。
 
气孔的形成:
1、挤压等生产过程中产生
2、气孔
3、裂缝
4、热处理产生
5、收缩
6、干燥水蒸气排出产生
7、气孔合并
8、毛细孔
9、原料本身气孔
 
气孔的重要性:
气孔是耐火材料不可分割的一部分,对耐火材料性能既有有利影响,也有不利影响。
1、气孔率和气孔尺寸大小及分布影响制品:
2、热震稳定性;
3、抗侵蚀性能;
4、透气度;
5、强度等。
 
体积密度 耐火制品单位表观体积的质量,通常用g/cm 3 表示。 (3)真密度与真比重 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/cm 3 来表示。 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。 从数值上来说,真密度和真比重是相等的。 真气孔率=显气孔率+闭口气孔率
 
透气度:
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试样的量。
气孔率和体积密度等技术指标只是表征耐火制品中气孔体积的多少和制品的致密程度,并不能够反映气孔的大小、分布和形状。耐火制品在使用过程中, 侵蚀介质浸入、渗透的程度与耐火制品气孔的大小、形状等密切相关,一般而言,耐火制品的透气度越高,其抵抗熔渣渗透、侵蚀的能力越差。
 
耐火材料的热学性质和导电性质:
1、热膨胀
定义: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。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: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。
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。
影响因素: 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密切相关。
 
2、热导率
定义:单位温度梯度下,单位时间内通过单位垂直面积的热量。
 
影响因素:
(1)气孔率:
耐火材料中所含的气孔对其热导率的影响最大。一般说来,在一定的温度范围内,气孔率越大,热导率越低。耐火材料的化学矿物组成也对材料的导热率有明显影响。
(2)其它:
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。
(3 )热容
在常压下加热1kg 物质升高1 ℃ 所需要的热量(以KJ计) 。
热容是耐火材料的另一重要的热学性质,它是表征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 。
(4 )导电性
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。
 
耐火材料的力学性质:
指制品在不同条件下的强度等物理指标。
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 。
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、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。
   常温耐压强度指标通常可以反映生产中工艺制度的变动。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。
   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。
 
2、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。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。
 
强度和结构的关系
1. 常温下小颗粒及小气孔制品强度大于大颗粒制品的强度。
2. 但高温下强度下降也明显。
3. 封闭气孔对材料强度影响较小。
4. 气孔分布的均匀性也和强度有关系。
5. 制品中相的分布也和强度有很大的关系。
6. 如果材料气孔尺寸小于颗粒的粒度,则材料的破坏并不是从气孔处开始。
7. 最佳的颗粒组成并不一定能够达到最低气孔率。
 
3、高温蠕变性能
定义: 在 某一恒定的温度以及固定载荷下,材料的形变与时间的关系 。根据施加荷重形式的不同可分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温抗折蠕变等。由于高温压缩与高温抗折蠕变较易测定,故应用较多。 我国通常采用压缩蠕变 。
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。
 
4、弹性模量
材料在其弹性范围内,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。
 
耐火材料的高温使用性质
耐火制品在各种不同的窑炉中使用时,长期处于高温状态下,耐火材料耐高温的性质能否满足各类窑炉工作条件的要求,是材料选用的主要依据,因此耐火制品的高温性质也是最重要的基本性质。
 
(1 )耐火度
定义: 耐火材料在无荷重条件下,抵抗高温作用而不熔化的性质。
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,在这个温度范围内,液相与固相同时存在。
 
(2)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。试锥以一定升温速度加热,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,试锥在重力作用下逐渐软化弯倒, 当其弯倒至顶点与底接触的温度,即为试样的耐火度。
 
耐火度与熔点的区别:
1 、熔点指纯物质的结晶相与液湘处于平衡时的温度;
2 、熔点是一个物理常数;
3 、耐火材料为多相混合体,其熔融是在一定的温度范围内进行的,是一个工艺指标。
耐火材料达到耐火度时实际上已不具有机械强度了,因此耐火度的高与低与材料的允许使用温度并不等同,也就是说耐火度不是材料的 使用温度上限 ,只有综合考虑材料的其它性能和使用条件,才能作为合理选用耐火材料的参考依据。
以镁砖为例,其耐火度高达2000 ℃ 以上,但允许使用温度大大低于耐火度。
耐火度的意义:
评价原料纯度和难熔程度。
影响因素
(1 )耐火制品的化学矿物组成及其分布状态是影响其耐火度的主要因素。杂质成分特别是具有强熔剂作用的杂质,将严重降低制品的耐火度。
(2 )测定条件
粉末的粒度、测温锥的安装、升温的速率及炉内的气氛。
(3)荷重软化温度
定义: 又 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。即通常所说的 荷重软化点。
意义: 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。
影响因素: 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。
 
测定方法:
      一般在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。
试样压缩4 %(2mm )-变形温度;
试样压缩40 %(20mm)-溃裂点。
 
影响荷软的因素:
化学矿物组成;
1生产工艺;2体积密度大,3荷软温度较高。
4测定条件;5升温速率快,6荷软温度较高。
 
测定荷软的意义:
1、可以作为 材料最高的使用温度 。
2、因此耐火度只是材料使用的 理想上限温度。
 
(4)高温体积稳定性
     定义: 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而不发生变化的性能 。
     意义: 评价耐火材料质量的一项重要物理指标。
A : 烧成制品在高温煅烧过程中,由于各种原因制品在烧成结束时,物理化学反应往往未达到平衡状态;
B :存在欠烧现象,物理化学反应不充分。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。
C :烧结时伴随一些物理化学过程,产生体积变化。
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。
不大的收缩不会引起特殊的复杂性,不大的膨胀甚至是有益的。可以使砖体密实。
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。
测定意义: 衡量材料烧结性能的好坏。
 
(5)热震稳定性
     定义: 耐火材料抵抗温度急剧变化而不被破坏的性能,又称为抗热冲击性能。
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。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。
1、热震主要和应力有关。
2、热应力有两种类型:
(1 )温度引起的应力;
(2 )化学应力,是因非均质现象、线性热膨胀、化学反应、多晶转化等导致的,一般在恒温时发生。
对第一种热应力研究较为充分。
 
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)。
 
耐火材料的热震稳定性,影响因素与其热膨胀率( 小)、导热率(大)以及弹性模量(小)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。耐火制品在温度变化时会产生体积膨胀或收缩,受到约束时,材料内部就会产生热应力。当热应力超过制品的强度时,制品将会产生开裂、崩落或断裂。
另一个方面,不同矿相之间热膨胀性的差异,也会产生热应力。
 
主要影响因素: 
弹性模量、热膨胀系数、温度差。
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。
 
基本规律:
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,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,产生的热应力也大。因此导热率高的材料,其热震稳定性也相对较高 。
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。抗热震性能不是物理性能。 因为它不仅取决于耐火材料的性能,还和材料形状、尺寸和导热系数等因素有关。
 
热震破坏的方式有多种形式:
(1 )一次性破坏,灾难性破坏( 比如在致密高强制品中一个或多个穿晶式裂纹 )
(2 )阶段性破坏( 比如在微观裂纹及气孔大量集中的试样中形成许多穿晶式裂纹 )
(3 )渐进式破坏,比如原始气孔率低的试样。
(5)含碳耐火材料的抗氧化性
含碳耐火材料在氧化性气氛中,其中的碳素材料会同空气中的氧气发生发应。
方法1 :失重法。
固定温度下,连续不断向炉内通空气,同时不断记录重量变化,直至重量不再变化。得到重量- 时间曲线。
方法2 :测量脱碳层厚度(或面积)
试样:50±2mm 的立方体或直径与高为50 ±2mm 的圆柱体;
温度:1400 ℃ ,保温3 小时,固定流量向炉内通空气;
评价:切开试样,测量脱碳层厚度。
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