耐火材料各性质.docx

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耐火材料各性质

耐火材料的力学性质

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。

耐火材料在常温或高温的使用条件下，都要受到各种应力的作用而变形或损坏，各应力有压应力、拉应力、弯曲应力、剪应力、摩擦力、和撞击力等。

此外，耐火材料的力学性质，可间接反映其它的性质情况。

检验耐火材料的力学性质，研究其损毁机理和提高力学性能的途径，是耐火材料生产和使用中的一项重要工作内容。

4.1常温力学性质

4.1.1常温耐压强度σ压

定义；是指常温下耐火材料在单位面积上所能承受的最大压力，也即材料在压应力作用下被破坏的压力。

常温耐压强度σ压=P/A，（pa）

式中；P—试验受压破坏时的极限压力，（N）；

A—试样的受压面积，（m2）。

一般情况下，国家标准对耐火材料制品性能指标的要求，视品种而定。

其中，对常温耐压强度σ压的数值要求为50Mpa左右（相当于500kg/cm2）；而耐火材料的体积密度一般为2.5g/cm3左右。

据此计算，因受上方砌筑体的重力作用，导致耐火材料砌筑体底部受重压破坏的砌筑高度，应高达2000m以上。

可见，对耐火材料常温耐压强度的要求，并不是针对其使用中的受压损坏。

而是通过该性质指标的大小，在一定程度上反映材料中的粒度级配、成型致密度、制品烧结程度、矿物组成和显微结构，以及其它性能指标的优劣。

体现材料性能质量优劣的性能指标的大小，不仅反映出来源于各种生产工艺因素与过程控制，而且反映过程产物气、固两相的组成和相结构状态以及相关性质指标间的一致性。

一般而言，这是一条普遍规律。

4.1.2抗拉、抗折、和扭转强度

与耐压强度类似，抗拉、抗折、和扭转强度是材料在拉应力、弯曲应力、剪应力的作用下，材料被破坏时单位面积所承受的最大外力。

与耐压强度不同，抗拉、抗折、和扭转强度，既反映了材料的制备工艺情况和相关性质指标间的一致性，也体现了材料在使用条件下的必须具备的强度性能。

抗折强度σ折按下式计算。

抗折强度σ折=3PL/2bh2，（pa）

式中：

P—试样断裂时的作用力，（N）；

L—试样两支点的距离，（m）；

b、h—分别为试样的宽度、厚度，（m）。

影响材料的抗拉、抗折、和扭转强度的因素，主要有宏观结构和显微组织结构。

临界颗粒较小的细颗粒级配，有利于这些指标的提高。

4.1.3耐磨性

耐磨性是耐火材料抵抗坚硬物料、含尘气体的磨损作用（摩擦、剥磨、冲击等）的能力。

耐磨性，是耐火材料在使用过程中，受其它介质磨损作用较强的工作环境下，评价和选用耐火材料制品的性质指标。

如高炉炉身、焦炉碳化室、高温固体颗粒气体输送管道等所用耐火材料的选用，需要根据耐磨性指标对各种耐火材料制品进行遴选。

耐磨性，取决于构成制品的颗粒本身的强度和硬度、构成制品的粒度组成、制品的致密度、颗粒间的结合强度高，以及制品的化学矿物组成、宏观结构和微观组织结构。

制品的耐磨性还与其工作温度有关，高温时制品中液相的可塑性及对颗粒的粘结性、不同温度时的粘度等对耐磨性均有较大影响。

提高制品的耐磨性，工艺上可以选择耐磨性好的物料、合理的配料级配、保证制品的良好成型致密度和烧结程度、选用适宜的颗粒粘结剂、在制品表面施加耐磨强化涂料等。

4.2高温力学性质

4.2.1高温耐压强度

定义：

高温耐压强度是材料在高温下单位面积所能承受的极限压力。

与常温耐压强度相比，该性能指标除反映了材料的工艺因素外，主要体现了制品中液相的粘度性质与结合作用。

各种耐火材料的高温耐压强度与温度的关系见P16的图1-7。

由图可见，粘土砖、高铝砖900℃左右液相产生，且粘度较高，高温耐压强度增大；温度继续升高液相粘度减小、数量增多，高温耐压强度，自高点急剧降低。

而镁砖高温液相粘度小，所以其高温耐压强度并未出现增大的现象。

表明了液相的粘度及数量，对颗粒间的结合作用明显。

高温耐压强度指标，不仅是直接有用的资料，而且还可反映出制品在高温下的结合状态的变化。

特别是对于耐火可塑料、浇注料和不烧砖等，由于温度升高，结合状态发生改变时，高温耐压强度的测定更为重要。

4.2.2高温抗折强度

定义：

高温抗折强度是材料在高温下单位面积所承受的极限弯曲应力。

该技术指标与实际使用情况密切相关。

计算式同常温抗折强度。

高温抗折强度，与高温耐压强度的影响因素基本相同，反映耐火材料的使用性能和质量，特别是对镁质直接结合砖的评价。

4.2.3高温扭转强度

定义：

高温下材料被扭断时的极限剪切应力。

耐火材料砌筑体的结构复杂，在温度变化时砌筑体的不均匀变形，导致耐火材料内部产生剪切应力。

所以，该指标也反映了材料的实际使用情况。

特别是在镁质等碱性耐火材料使用情况的研究方面有重要意义。

扭转变形对温度升高敏感，高温时液相导致材料易于产生扭转软化变形。

材料的高温扭转试验也可测定其弹性模量、蠕变曲线。

4.2.4高温蠕变性

（1）高温蠕变的定义、测定与分类

高温蠕变性：

是指在恒定高温和一定的荷重作用下，材料产生的变形与时间的关系。

或者简述为：

承受应力的材料随时间变化而发生的高温等温变形。

蠕变：

材料在高温下承受小于其极限强度的某一恒定荷重时，产生塑性变形，变形量会随时间的增长而逐渐增加，甚至会使材料破坏的现象。

高温窑炉的使用寿命有的长达几年，甚至十几年。

最终，耐火材料的高温损毁并不是因强度原因破坏，而是高温、强度、时间三者综合作用的结果。

例如，热风炉的格子砖经长时间的高温工作，特别是下部的砖体在荷重和高温的作用下，砖体逐渐软化产生塑性变形，强度下降直至破坏；特别注意的是，因温度、结构的不均匀，部分砖体塑性变形严重，会导致窑炉构筑体的整体性破坏。

高温蠕变技术指标，反映了耐火材料在长时间、荷重、高温等条件下工作的体积稳定性。

根据工作条件的不同，高温蠕变技术指标又分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温抗折蠕变、高温扭转蠕变等。

常用的是高温压缩蠕变，其测定也较容易。

高温蠕变性能的测定是在较短的时间内，强化荷重与温度，所获得的变形率ε（%）与时间（h）的关系曲线，称之为蠕变曲线。

高温压缩蠕变测定：

试样为带中心孔的圆柱体，尺寸为高H=50mm，直径D=50mm，中心孔的直径d孔=12~13mm；恒温时间一般为25h、50h或100h；每5h测定计算一次蠕变率ε。

图1-13为典型的高温蠕变曲线，曲线划分为三个特征阶段。

曲线的第一阶段为1次蠕变（或初期蠕变、减速蠕变），该曲线斜率dε/dt随时间增加而趋于减小，曲线渐趋平缓；第一阶段需时较少。

第二阶段为2次蠕变（或粘性蠕变、均速蠕变、稳速蠕变），其蠕变速率保持基本不变，几乎与时间无关；第二阶段耗时多，是曲线中的最小速率阶段。

第三阶段为3次蠕变（或加速蠕变），蠕变速率迅速增加直至试样损坏。

对于某一确定的材料而言，其蠕变曲线不一定的完全具有上述三个阶段。

不同材质的材料、测定的条件不同（温度、荷重各不同），曲线的形状也不相同。

例如，根据在200kPa（2kg/cm2）的荷重和不同温度下，对粘土砖、高铝砖和硅砖所测得的蠕变曲线，蠕变曲线的形状可分为如下几种类型：

1）初期蠕变后基本上不再产生变形：

与图中最下方虚线曲线的形状近似；

2）初期蠕变后，继续发生匀速蠕变：

与图中自下而上的第四条实线曲线形状近似；

3）初期蠕变和匀速蠕变后，发生加速蠕变：

与图中自下而上第五条实线曲线形状近似；

4）初期蠕变后，直接进行加速蠕变：

与图中自下而上的第六条实线曲线形状近似。

（2）影响材料高温蠕变的因素

影响高温蠕变的因素有：

材料的使用条件（如温度、荷重、时间、气氛性质等）和材料材质与组织结构（如化学矿物组成，宏观、显微的组织结构）。

1）温度、荷重、时间等对蠕变的影响

温度越高、荷重越大，曲线的倾斜度也越大，曲线的形状自右下向左上方变化，如箭头指向。

①材质和温度一定时，荷重对蠕变速率的影响为：

式中：

k是常数；σ是荷重；n是指数，取值0.5~0.22。

②材料材质、温度及荷重一定时，时间对蠕变率ε的影响可以表示为：

ε=ct0.44～0.48≈

式中：

c为包括材质、温度及荷重等因素的常数；t是时间。

该式是由铝硅系制品的测定导出的，对镁质制品的测定也获得了相似的关系式，因此一般认为耐火材料的蠕变率与时间的平方根成正比。

2）材料材质与组织结构对蠕变的影响

①结晶相、玻璃相和气孔对蠕变率的影响顺序：

按照结晶相→玻璃相→气孔这个顺序对蠕变率的影响依次增大。

②玻璃相和结晶相对蠕变率ε的影响：

I、玻璃相、结晶相的相对含量与分布对蠕变率的影响：

玻璃相与结晶相的相对含量：

当温度升高时玻璃液相的含量相对增多（结晶相的含量相对减少）、粘度降低，制品的塑性提高，玻璃相的这种变化使制品的蠕变率增大；

玻璃相和结晶相的分布（相对于玻璃液相对结晶相的润湿程度和显微结构）情况：

若玻璃液相完全润湿晶相颗粒，玻璃液相侵入晶界处将晶粒包裹、液相形成连续相结构（即，基质为玻璃相的基质胶结型显微结构），提高了制品的塑性，在较低温度下极易产生较大的蠕变；若玻璃液相不润湿晶相颗粒，则在晶界处形成晶粒与晶粒直接结合结构，制品的塑性，因此蠕变率小、具有较好的抗蠕变能力。

II、结晶相对蠕变率的影响：

材料中的晶粒愈小，其蠕变率愈大；多晶材料比单晶材料的蠕变率高。

其原因是晶粒间的界面比例增大、易沿晶界处产生滑动而使制品的塑性提高所致。

③宏观组织结构对蠕变的影响：

由于制品中气孔的存在，减少了抵抗蠕变的有效成分；材料中的气孔率愈高，蠕变率愈大

（3）材料蠕变的测定意义与提高材料的抗蠕变性

1）材料蠕变的测定意义

根据材料的蠕变曲线，可以了解制品发生蠕变的最低温度、不同温度下的蠕变速率特征，研究材料长时间在高温、荷重条件下的物相组成与组织结构的变化，进而预测耐火制品的使用情况，为窑炉设计中选用耐火材料提供参考依据；

蠕变曲线所反映地材料的物相组成、组织结构情况，可用于材料生产制备工艺过程（原料配方、颗粒级配、成型致密度、烧成制度等）的检验和评价，是改进生产工艺和提高产品质量的依据。

（2）提高材料抗蠕变性的途径

1）纯化原料：

提高原料的纯度或对原料进行提纯，尽量减少低熔物和强熔剂等杂质成分（如，粘土砖中的Na2O、硅砖中的Al2O3、镁砖中的SiO2和CaO等）的含量,从而降低制品中的玻璃相含量（这是提高该性能的首选方法）；

2）强化基质：

引入“逆蠕变效应”物质。

如在高铝砖配料中引入一定尺寸的石英颗粒，高铝砖在高温下使用时，其中石英SiO2和高铝原料中的Al2O3持续发生莫来石的合成反应，反应过程伴随有一定程度的体积膨胀。

这种体积膨胀的作用既是“逆蠕变效应”，可以抵消材料蠕变时的收缩变形，从而提高了高铝砖的抗蠕变性能。

3）改进工艺：

合理设计配合料的颗粒级配，提高坯体的成型压力，获得高致密度坯体，减少制品中的气孔数量，使制品抗蠕变的有效成分增加；合理制定烧成制度（烧成温、保温时间、加热及冷却速度），使材料中的必要物化反应充分进行，获得需要的物相组成和组织结构。

4.3弹性模量E

（1）定义：

材料在其弹性限度内受外力作用产生变形，当外力撤除后，材料仍能恢复到原来的形状，此时的应力与应变之比称为弹性模量。

弹性模量E可以表示为：

（MPa）

式中：

σ—材料的所受应力（★外力或材料中产生的应力），（MPa）；

—材料受力时的长度相对变化。

E值大，应力σ一定时，材料的变形就小。

物理意义：

将单位面积、单位长度的试样拉伸一倍时的所发生的应力。

弹性模量是材料的一个重要的力学参数，它表示了材料抵抗变形的能力，是原子间结合强度的一个指标，在很大程度上反映了材料的结构特征。

耐火材料的弹性模量随温度而变化，研究它有助于了解耐火材料的高温性能。

（2）耐火材料在高温下因应力作用而发生变形的原因

①是由于基质的塑性或粘滞流动；

②是由于晶体沿晶界面或解理面的滑动作用。

不同成分和结构的耐火材料在高温下对于