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耐火材料的性能
發布日期:2024-05-14
耐火度不低于1580℃的一類無機非金屬材料。耐火度是指耐火材料錐形體試樣在沒有荷重情況下,抵抗高溫作用而不軟化熔倒的攝氏溫度。但僅以耐火度來定義已不能******描述耐火材料了,1580℃并不是******的?,F定義為凡物理化學性質允許其在高溫環境下使用的材料稱為耐火材料。耐火材料廣泛用于冶金、化工、石油、機械制造、硅酸鹽、動力等工業領域,在冶金工業中用量******,占總產量的50%~60%。

耐火材料的性能主要涵蓋結構性能、熱學性能、力學性能、使用性能和作業性能等。具體如下:

1. 結構性能:耐火材料的結構性能主要包括氣孔率、體積密度、吸水率、透氣度、氣孔徑分布等,這些因素都與材料的品質密切相關。

1)氣孔率是耐火材料中開口氣孔(包括閉口氣孔和貫通氣孔)所占的體積與總體積之比,用百分比表示。耐火材料氣孔率的大小可以反映其制造工藝的致密程度和顆粒級配是否合理。在工業應用中,根據不同的使用環境和要求,可以選擇具有合適氣孔率的耐火材料。2)耐火材料的體積密度是其重要的物理性質之一,它是指單位體積材料的質量。耐火材料的體積密度越大,說明其氣孔率越小,質地越緊密,其使用性能一般越好。根據不同的使用環境和要求,需要選擇具有合適體積密度的耐火材料。耐火材料的體積密度可以通過各種測量方法進行測定,如比重瓶法、氣體置換法、振動法等。在工業應用中,為了確保耐火材料的質量和使用性能,一般會對其體積密度進行檢測和控制。

3)耐火材料的吸水率是指其吸水能力的大小,即耐火材料所吸水的質量與干燥試樣質量的百分比。耐火材料的吸水率與其氣孔率有關,氣孔率越大,吸水率越高。同時,吸水率也是評價耐火材料質量和使用性能的重要指標之一。耐火材料的吸水率越大,其體積密度越小,抗熱震性、高溫蠕變性、高溫強度等都會受到影響,從而影響其使用性能。因此,在工業應用中,需要根據不同的使用環境和要求,選擇具有合適吸水率的耐火材料。耐火材料的吸水率可以通過各種測量方法進行測定,如煮沸法、真空飽和法、烘干法等。在生產過程中,為了確保耐火材料的質量和使用性能,一般會對其吸水率進行檢測和控制。

4)耐火材料氣孔徑分布1、孔徑范圍耐火材料的氣孔徑范圍是指氣孔大小的分布范圍。根據氣孔徑的大小,氣孔可分為超微孔(孔徑<0.1μm)、微孔(孔徑0.1~10μm)、宏孔(孔徑>10μm)。在實際應用中,耐火材料的孔徑分布范圍與其制造工藝、原料、熱處理等因素有關??讖酱笮〖胺植紝δ突鸩牧系母黜椥阅芏加杏绊?,如氣孔率、體積密度、強度、導熱性、抗熱震性等。2、孔徑分布曲線孔徑分布曲線是表示耐火材料中氣孔直徑與氣孔概率之間的關系曲線。通過孔徑分布曲線,可以直觀地了解氣孔的分布情況,從而對耐火材料的性能進行評估??讖椒植记€的測定方法有顯微鏡法、壓汞法、氣體吸附法等。3、平均孔徑平均孔徑是指耐火材料中所有氣孔的直徑的平均值。平均孔徑的大小直接影響到耐火材料的性能,如強度、導熱性、抗熱震性等。在實際應用中,平均孔徑的測定方法有顯微鏡法、壓汞法、氣體吸附法等。4、氣孔形狀耐火材料的氣孔形狀主要有圓形的、橢圓形的、條縫形的等。氣孔形狀對耐火材料的性能也有影響,如強度、導熱性、抗熱震性等。在實際應用中,氣孔形狀的測定方法有顯微鏡觀察法、圖像分析法等。

2. 熱學性能:熱學性能主要涉及到熱導率、熱膨脹系數、比熱容、導溫系數和熱發射率等。這些性質對于材料的耐熱性能有重要影響。

1)耐火材料的熱導率是指單位時間內在單位溫度梯度下沿熱流方向通過材料單位面積傳遞的熱量。它是表征材料導熱特性的一個物理指標。耐火材料的熱導率是耐火材料的***重要的熱物理性能之一,對于高溫熱工設備的設計和選用耐火材料都是非常重要的考慮因素。

耐火材料的熱導率受到多種因素的影響,包括材料的化學組成、礦物(相)組成、致密度(氣孔率)、微觀組織結構等。例如,材料的化學組成越復雜,其熱導率降低越明顯;晶體結構復雜的材料,熱導率也低;氣孔增多會降低材料的熱導率;耐火材料越致密,氣孔率越低,其熱導率應越高。

另外,溫度也是影響耐火材料熱導率的外在因素。在高溫下,耐火材料的熱導率通常會增大。

耐火材料的熱導率大小對其用途也有很大的影響,也影響其抗熱震性、抗剝落性及抗侵蝕性。因此,實際耐火材料的熱導率通??吭囼瀬頊y定。

不同類型的耐火材料具有不同的熱導率,并且在使用過程中,它們會受到溫度和其他因素的影響。因此,根據具體的工況和要求選擇適合的熱導率耐火材料是非常重要的。


2)耐火材料的熱膨脹系數是衡量材料在溫度變化下長度變化程度的重要參數,它通常用線膨脹系數或體膨脹系數來表示。這個系數的大小主要取決于材料的種類和制備工藝。

一般來說,對于非晶態氧化物材料如高嶺土、蛭石等,其熱膨脹系數相對較低;而對于結晶態氧化物材料如石墨、石英等,其熱膨脹系數則相對較高。此外,添加劑的加入和制備方式也會影響材料的熱膨脹系數。

在實際應用中,耐火材料會受到不斷變化的溫度,因此了解材料的熱膨脹系數對于預測材料在不同溫度下的長度變化,避免由于熱脹冷縮而引起的開裂和破損具有重要意義。


3)耐火材料的比熱容是指單位質量的耐火材料溫度升高1K所吸收的熱量,又稱質量熱容,單位為J/(g·K)。耐火材料的比熱容主要取決于其化學礦物組成和所處的溫度。比熱容對于耐火材料的設計和選型有著重要的意義。在高溫熱工設備中,耐火材料吸收熱量后會升溫,而其比熱容的大小會影響到溫度變化的速率。對于需要快速加熱或冷卻的工況,選用比熱容較高的耐火材料可能更為合適;而對于需要保持穩定溫度的工況,則選用比熱容較低的耐火材料可能更為有利。此外,在耐火材料的使用過程中,其比熱容可能會受到環境氣氛、溫度波動等因素的影響而發生變化,因此需要定期進行檢測和維護。總之,了解耐火材料的比熱容對于高溫熱工設備的設計、選型和維護都具有重要的意義。



4)耐火材料導溫系數

1、材料熱傳導機制

耐火材料的熱傳導機制主要包括熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式。其中,熱傳導是耐火材料中***主要的傳熱方式,主要通過固體晶格的振動和自由電子的運動來實現。熱對流是由于溫度梯度引起的流體流動,在耐火材料中表現為氣體或液體的流動傳熱。熱輻射則是通過電磁波傳遞熱量,耐火材料中的某些元素能夠發射或吸收輻射熱量。

2、溫度梯度對導溫系數的影響

溫度梯度對導溫系數的影響主要體現在傳熱方向上。在溫度梯度的作用下,熱量會從高溫區域向低溫區域傳遞,導致導溫系數的方向性差異。這種方向性差異會影響到材料的熱膨脹系數、彈性模量等物理性能,進而影響到耐火材料的使用性能。

3、材料成分與導溫系數的關系

耐火材料的成分對其導溫系數具有重要影響。不同礦物組成和化學組成的耐火材料具有不同的導溫系數。例如,高嶺石和石墨等物質的導溫系數相對較高,而方解石和石膏等物質的導溫系數則相對較低。同時,添加劑的加入也會對導溫系數產生影響。

4、微觀結構對導溫系數的影響

耐火材料的微觀結構對其導溫系數也有影響。材料的晶格結構、氣孔率、晶界狀態等因素都會影響到導溫系數。一般來說,晶格結構緊密、氣孔率低、晶界狀態良好的耐火材料具有較高的導溫系數。

5、熱膨脹與導溫系數的關系

耐火材料的熱膨脹系數和導溫系數之間存在一定的關系。一般來說,隨著溫度的升高,材料的熱膨脹系數會增加,同時其導溫系數也會隨之增加。這種關系是由于溫度升高時,晶格振動加劇,導致傳熱效率提高。因此,在高溫環境下使用的耐火材料需要具有較高的熱膨脹系數和導溫系數,以保持良好的傳熱性能和使用性能。

6、氣孔率對導溫系數的影響

氣孔率是影響耐火材料導溫系數的另一個重要因素。隨著氣孔率的增加,材料的導溫系數會降低。這是因為氣孔的存在會阻礙熱傳導的進行,降低傳熱效率。因此,在實際應用中,需要綜合考慮氣孔率和其他性能指標,以選擇合適的耐火材料。

7、環境氣氛對導溫系數的影響

環境氣氛對耐火材料的導溫系數也會產生影響。例如,在還原性氣氛中,某些礦物會發生還原反應,導致其導溫系數發生變化。此外,氣氛中的水蒸氣含量也會對材料的導溫系數產生影響。因此,在使用過程中,需要根據實際工況選擇合適的耐火材料,并注意控制環境氣氛。

8、使用條件對導溫系數的影響

除了上述因素外,使用條件也會對耐火材料的導溫系數產生影響。例如,在高溫環境下長期使用過程中,材料的晶格結構可能會發生變化,導致其導溫系數發生變化。此外,溫度波動和應力作用也會對材料的導溫系數產生影響。因此,在實際應用中,需要綜合考慮使用條件和其他性能指標,以選擇合適的耐火材料。


5)耐火材料的熱發射率是一個重要的物理性質,它決定了材料在高溫下與熱量傳遞相關的性能。熱發射率受到多種因素的影響,如溫度、波長、材料的物理和化學性質等。

隨著溫度的升高,耐火材料的熱發射率會有所變化。一般來說,在一定的高溫下,耐火材料的熱發射率會急劇增加。這是因為耐火材料的熱膨脹性能會導致其表面發生變形,這種變形會改變材料表面的輻射特性,從而影響熱發射率。此外,耐火材料的熱發射率還與其成分和微觀結構有關。例如,某些耐火材料中的雜質和氣孔會提高其熱發射率。這是因為這些雜質和氣孔在高溫下會對材料的輻射特性產生影響,從而提高熱發射率。需要注意的是,在實際應用中,耐火材料的熱發射率可能會受到其他因素的影響,如氣氛、溫度波動等。因此,為了準確評估耐火材料的熱發射率,需要在特定的實驗條件下進行測量和測試。

3. 力學性能:力學性能方面包括耐壓強度、抗拉強度、抗折強度、抗扭轉強度、剪切強度、抗沖擊強度和耐磨性等,這些都是決定耐火材料承受負載能力的關鍵因素。



4. 使用性能:耐火材料的使用性能涵蓋耐火度、荷重軟化溫度、重燒線變化、抗熱震性、抗渣性、抗酸堿性、抗水化性等。

1)耐火材料的抗渣性是指耐火材料在高溫下抵抗熔渣及其他熔融液侵蝕而不易損毀的性能。熔渣侵蝕破壞耐火材料的機理十分復雜,一般包括有浸透、溶解和熔體沖刷等物理化學作用。

耐火材料在實際使用中約有50%是由于渣蝕而損毀的,因此提高耐火材料的抗渣性對于提高爐襯和其砌筑體的使用壽命,提高此類熱工設備的熱效率和生產效率,降低成本,減少產品因耐火材料而引起的污染,提高產品質量都有重要意義。

耐火材料抗渣性的優劣主要與其自身的化學成分、礦物組成和組織結構等有關,還與熔渣的性質及其相互作用的條件(如溫度、時間、流速等)有關。不同化學組成的耐火材料具有不同的抗渣性,如酸性耐火材料對酸性熔渣有較強的抗渣性,而堿性耐火材料對酸性熔渣的抗渣性很弱?;|中雜質含量高,則耐火材料抗渣性差,而耐火材料抗渣性又大都取決于其基質的抗渣性。


2)耐火材料的抗熱震性是指材料抵抗溫度急劇變化而不損壞的能力。在溫度經常急驟變化的作業條件下,耐火材料的抗熱震性是其使用壽命的主導因素。因此,提高耐火材料的抗熱震性一直是耐火材料科技工作者努力追求的目標。

耐火材料是非均質的脆性材料,與金屬制品相比,其熱膨脹率較大,熱導率和彈性較小,抗張強度低,導致其抗熱震性能較低。材料的熱震破壞可分為兩大類:一類是瞬時斷裂,稱為熱沖擊斷裂;另一類是在熱沖擊循環作用下,先出現開裂、剝落,然后碎裂和變質,終至整體損壞,稱為熱震損傷。影響耐火材料抗熱震性的因素非常復雜,主要包括材料的力學性能和熱學性能,如強度、斷裂能、彈性模量、線膨脹系數、熱導率等。一般來說,耐火材料的線膨脹系數小、熱導率高,其抗熱震性就越好。此外,耐火材料的顆粒組成、致密度、氣孔是否微細化、氣孔的分布、制品形狀等也會對其抗熱震性產生影響。改善耐火材料的抗熱震性可以采取以下措施:1. 原料及外加劑選擇:盡量選用線膨脹系數低、熱導率高的原料,同時在不影響材料其他性能的情況下加入線膨脹系數低、熱導率高的外加劑。2. 材料微觀結構優化:如在材料中引入第二相或第二種材料(如氧化鋯),利用其相變產生微裂紋達到增韌的目的。3. 制品形狀和尺寸:盡量制造尺寸小、形狀簡單的制品,以降低內部溫度分布不均和應力集中的情況。提高耐火材料的抗熱震性能是一項綜合性的工作,涉及到材料組成與結構設計、制造工藝和應用工況等多個方面,需要綜合考慮和系統研究。




3)耐火材料的荷重軟化溫度,也被稱為耐火材料的荷重軟化點或荷重變形溫度,是指在恒定荷重下,耐火材料對高溫和荷重共同作用的抵抗性能,或者是在耐火材料呈現明顯塑性變形的溫度范圍。這個溫度可以通過實驗方法測定,包括升溫法和保溫法,一般采用升溫法。

對于一些特定的耐火材料,例如鎂質和硅質耐火制品,當加熱至一定溫度時,可能會出現突然的潰裂或破碎,導致無法測得各種變形溫度。在這種情況下,潰裂或破碎時的溫度可以被稱為潰裂溫度或破碎溫度。通過了解耐火材料的荷重軟化溫度,可以推斷出其******使用溫度。然而,不同耐火材料的荷重軟化溫度是不同的。例如,某些耐火材料的荷重軟化溫度約為1250℃~1450℃,其變化范圍較寬。開始變形溫度較低,與40%變形溫度相差約200℃~250℃。此外,這些耐火材料的線膨脹系數較低,熱導率亦較低,并且具有良好的抗熱震性。例如,在1100℃水冷循環下,其抗熱震性一般大于10次。
4)耐火材料的抗水化性是指耐火材料在大氣中抵抗水化的能力。這是表征耐火材料是否燒結良好的重要指標之一。

當堿性耐火材料燒結不良時,其中的CaO、MgO,特別是CaO,在大氣中極易吸潮水化,生成氫氧化物,使制品疏松損壞。提高堿性耐火材料的抗水化性通常采用以下幾種方法:

1. 提高燒成溫度使其死燒,這樣可以增加制品的強度和抗水化性。

2. 使CaO、MgO生成穩定的化合物,這樣可以減少它們與水反應的可能性。

3. 加保護層減少與大氣接觸,這樣可以避免制品直接接觸水分,從而降低水化反應的可能性。

采取這些措施可以提高制品的抗水化性,使制品能較長時間的存放而不致水化損壞。


5)耐火材料對于酸、堿等化學腐蝕具有很好的抵抗能力。具體來說,不同種類的耐火材料具有不同的抗酸堿性能。硅鋁系列耐火磚是***不抗堿性侵蝕的耐火磚,高鋁磚、黏土磚、莫來石磚破損膨脹嚴重,對堿金屬腐蝕抵抗能力***差,窯爐在堿性氣氛的情況下不能選用高鋁磚和莫來石成分的磚。而鎂質系列的耐火磚不僅耐火度高,熱震性能也好,有極強的抗堿性能,目前水泥回轉窯的堿性氣氛都選用鎂質系列產品作為內襯。此外,鋁酸鈣系列的耐火磚在堿性環境中具有較好的抗堿性侵蝕能力,而且其具有良好的水硬化能力,在建材、冶金等行業被廣泛應用。

5. 作業性能:作業性能包括質度、塌落度、波動度、可塑性、粘結性、回彈性、凝結性和硬化性等,這些性質影響材料在實際使用中的工作表現。

此外,耐火材料還具有一些特殊性能,如:

1. 耐高溫性能:耐火材料能夠承受高溫,一些高級別的耐火材料可達到2000℃以上的耐熱溫度。2. 耐腐蝕性能:耐火材料對于酸、堿等化學腐蝕具有很好的抵抗能力。3. 耐磨性能:耐火材料具有較高的硬度和強度,可以抵抗機械磨損。4. 隔熱隔音性能:耐火材料具有良好的隔熱隔音性能,可以有效地防止熱量或聲音的傳遞。5. 密封性能:耐火材料具有很好的密封性能,可以有效地防止流體或氣體泄漏。6. 抗震性能:耐火材料具有較好的抗震能力,能夠承受一定的機械沖擊。7. 耐久性能:耐火材料的使用壽命比一般材料長,可以有效地降低維護和更換成本。8. 環保性能:耐火材耐火材料具有以下優質特性:抗侵蝕性能:耐火材料可以抵御各種化學物質和溶液的侵蝕,保持長期的使用壽命。穩定的熱傳導性能:耐火材料具有穩定的熱傳導性能,可以有效地防止熱失控和熱應力引起的損壞。





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