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    什么是耐火材料?耐火材料檢測標準與意義

    文章出處:正耐實業耐火磚廠家 /?發表時間:2019-08-29


    耐火材料發展歷史:
    8000年前出現了陶器;
    2000年前有了瓷器;
    1500年前有天然的原料開始使用。
    1637年,石墨粘土坩堝投入使用。
    1951年,國內耐火材料投入生產。
    1966年,我國耐火材料總量達到年產50萬噸。
    1981年,我國耐火材料在政府的支持下開始大規模生產。
    1997年,國內耐火材料年產量總量達到650萬噸。
    2006年,我國耐火磚,澆注料等耐火產品出口到時間各地。
     
    耐火材料的應用領域:
    1、鋼鐵冶金、有色冶金
    2、建材,如水泥、玻璃、陶瓷
    3、化工、電力
    4、其它行業,如環保方面,比如垃圾等廢棄物處理。
     
    耐火材料的性質:
    耐火材料的性質主要包括熱學性質、力學性質、及高溫使用性質等。
     
    研究這些性質的目的:
    1、根據這些性質可以預測耐火材料在高溫環境下的使用情況。
    2、反過來可以選擇熱工設備所需要的耐火材料。
     
    耐火材料的重要物理性質:
    氣孔和氣孔率,氣孔占耐火材料總體積的0-90% ,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。
     
    氣孔的形成:
    1、擠壓等生產過程中產生
    2、氣孔
    3、裂縫
    4、熱處理產生
    5、收縮
    6、干燥水蒸氣排出產生
    7、氣孔合并
    8、毛細孔
    9、原料本身氣孔
     
    氣孔的重要性:
    氣孔是耐火材料不可分割的一部分,對耐火材料性能既有有利影響,也有不利影響。
    1、氣孔率和氣孔尺寸大小及分布影響制品:
    2、熱震穩定性;
    3、抗侵蝕性能;
    4、透氣度;
    5、強度等。
     
    體積密度 耐火制品單位表觀體積的質量,通常用g/cm 3 表示。 (3)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/cm 3 來表示。 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。 從數值上來說,真密度和真比重是相等的。 真氣孔率=顯氣孔率+閉口氣孔率
     
    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。
    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。
     
    耐火材料的熱學性質和導電性質:
    1、熱膨脹
    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。耐火材料的熱膨脹可以用線膨脹系數或體膨脹系數表示,也可以用線膨脹百分率或體積膨脹百分率表示。
    膨脹系數:耐火材料由室溫加熱至試驗溫度的區間內,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、預留膨脹縫的依據,可間接判斷耐材熱震穩定性能。
    影響因素: 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。
     
    2、熱導率
    定義:單位溫度梯度下,單位時間內通過單位垂直面積的熱量。
     
    影響因素:
    (1)氣孔率:
    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有明顯影響。
    (2)其它:
    晶體中的各種缺陷、雜質以及晶粒界面都會引起格波的散射,也等效于聲子平均自由程的減小,從而降低熱導率。
    (3 )熱容
    在常壓下加熱1kg 物質升高1 ℃ 所需要的熱量(以KJ計) 。
    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。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 。
    (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,則會呈現較強的導電能力。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熱體。
     
    耐火材料的力學性質:
    指制品在不同條件下的強度等物理指標。
    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 。
    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
    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。
       常溫耐壓強度指標通??梢苑从成a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行工藝狀況和制品均一性的可靠指標。
       高溫耐壓強度則反映了耐火材料在高溫下結合狀態的變化。特別是加入一定數量結合劑的耐火可塑料和澆注料,由于溫度升高,結合狀態發生變化時,高溫耐壓強度的測定更為有用。
     
    2、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。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。
     
    強度和結構的關系
    1. 常溫下小顆粒及小氣孔制品強度大于大顆粒制品的強度。
    2. 但高溫下強度下降也明顯。
    3. 封閉氣孔對材料強度影響較小。
    4. 氣孔分布的均勻性也和強度有關系。
    5. 制品中相的分布也和強度有很大的關系。
    6. 如果材料氣孔尺寸小于顆粒的粒度,則材料的破壞并不是從氣孔處開始。
    7. 最佳的顆粒組成并不一定能夠達到最低氣孔率。
     
    3、高溫蠕變性能
    定義: 在 某一恒定的溫度以及固定載荷下,材料的形變與時間的關系 。根據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,也可用某一時段內(如25-50 小時)制品的變形量(% )來表示。
     
    4、彈性模量
    材料在其彈性范圍內,在荷載 (應力)的作用下,產生變形 (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。
     
    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,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
    定義: 耐火材料在無荷重條件下,抵抗高溫作用而不熔化的性質。
    與有固定熔點的結晶態物質不同,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液相(即固定的開始熔融溫度),繼續加熱溫度仍然繼續升高、液相量也隨之增多,直至升至某一溫度全部變為液相,在這個溫度范圍內,液相與固相同時存在。
     
    (2)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。試錐以一定升溫速度加熱,達到某一溫度開始出現液相,溫度繼續升高液相量逐漸增加, 粘度減小,試錐在重力作用下逐漸軟化彎倒, 當其彎倒至頂點與底接觸的溫度,即為試樣的耐火度。
     
    耐火度與熔點的區別:
    1 、熔點指純物質的結晶相與液湘處于平衡時的溫度;
    2 、熔點是一個物理常數;
    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。
    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。
    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。
    影響因素
    (1 )耐火制品的化學礦物組成及其分布狀態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。
    (2 )測定條件
    粉末的粒度、測溫錐的安裝、升溫的速率及爐內的氣氛。
    (3)荷重軟化溫度
    定義: 又 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。即通常所說的 荷重軟化點。
    意義: 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。
    影響因素: 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。
     
    測定方法:
          一般在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。
    試樣壓縮4 %(2mm )-變形溫度;
    試樣壓縮40 %(20mm)-潰裂點。
     
    影響荷軟的因素:
    化學礦物組成;
    1生產工藝;2體積密度大,3荷軟溫度較高。
    4測定條件;5升溫速率快,6荷軟溫度較高。
     
    測定荷軟的意義:
    1、可以作為 材料最高的使用溫度 。
    2、因此耐火度只是材料使用的 理想上限溫度。
     
    (4)高溫體積穩定性
         定義: 表示耐火材料在高溫下長期使用時,其外形及體積保持穩定而不發生變化的性能 。
         意義: 評價耐火材料質量的一項重要物理指標。
    A : 燒成制品在高溫煅燒過程中,由于各種原因制品在燒成結束時,物理化學反應往往未達到平衡狀態;
    B :存在欠燒現象,物理化學反應不充分。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進行并伴隨有不可逆的體積變化。
    C :燒結時伴隨一些物理化學過程,產生體積變化。
    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。
    不大的收縮不會引起特殊的復雜性,不大的膨脹甚至是有益的??梢允勾u體密實。
    重燒體積變化 的大小表征了耐火制品的高溫體積穩定性,對高溫窯爐等熱工設備的結構及工況的穩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。
     
    (5)熱震穩定性
         定義: 耐火材料抵抗溫度急劇變化而不被破壞的性能,又稱為抗熱沖擊性能。
    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定性、安全性和生產的連續性。
    1、熱震主要和應力有關。
    2、熱應力有兩種類型:
    (1 )溫度引起的應力;
    (2 )化學應力,是因非均質現象、線性熱膨脹、化學反應、多晶轉化等導致的,一般在恒溫時發生。
    對第一種熱應力研究較為充分。
     
    產生熱應力的因素
    材料的熱膨脹系數、材料的導熱系數、緩沖熱應力的因素(彈性模量的大?。?。
     
    耐火材料的熱震穩定性,影響因素與其熱膨脹率( ?。?、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。耐火制品在溫度變化時會產生體積膨脹或收縮,受到約束時,材料內部就會產生熱應力。當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,也會產生熱應力。
     
    主要影響因素: 
    彈性模量、熱膨脹系數、溫度差。
    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。
     
    基本規律:
    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,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,產生的熱應力也大。因此導熱率高的材料,其熱震穩定性也相對較高 。
    此外,耐火制品的宏、微觀組織結構對制品的熱震穩定性也有一定影響。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??篃嵴鹦阅懿皇俏锢硇阅?。 因為它不僅取決于耐火材料的性能,還和材料形狀、尺寸和導熱系數等因素有關。
     
    熱震破壞的方式有多種形式:
    (1 )一次性破壞,災難性破壞( 比如在致密高強制品中一個或多個穿晶式裂紋 )
    (2 )階段性破壞( 比如在微觀裂紋及氣孔大量集中的試樣中形成許多穿晶式裂紋 )
    (3 )漸進式破壞,比如原始氣孔率低的試樣。
    (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生發應。
    方法1 :失重法。
    固定溫度下,連續不斷向爐內通空氣,同時不斷記錄重量變化,直至重量不再變化。得到重量- 時間曲線。
    方法2 :測量脫碳層厚度(或面積)
    試樣:50±2mm 的立方體或直徑與高為50 ±2mm 的圓柱體;
    溫度:1400 ℃ ,保溫3 小時,固定流量向爐內通空氣;
    評價:切開試樣,測量脫碳層厚度。
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