耐火材料各性质
耐火材料的分类

耐火材料的分类耐火材料是一种能够在高温下保持结构完整性和稳定性的材料,通常用于建筑、冶金、化工等领域。
根据其化学成分和物理性质的不同,耐火材料可以被分为不同的分类。
在本文中,我们将对耐火材料的分类进行详细介绍。
一、按化学成分分类。
1. 氧化物耐火材料。
氧化物耐火材料是指以氧化物为主要成分的耐火材料,如氧化铝、氧化镁、氧化硅等。
这类耐火材料具有优异的耐高温性能和化学稳定性,常用于高温炉窑的内衬和隔热材料。
2. 酸性耐火材料。
酸性耐火材料主要由硅酸盐、石英等酸性物质组成,具有良好的耐酸性和耐高温性能,常用于化工设备和冶金炉的内衬。
3. 碱性耐火材料。
碱性耐火材料主要由氧化钙、氧化镁等碱性物质组成,具有良好的耐碱性和耐高温性能,常用于玻璃窑和水泥窑的内衬。
二、按物理性质分类。
1. 质地密实耐火材料。
质地密实耐火材料具有较高的密度和强度,能够抵抗高温下的热应力和侵蚀,常用于高温炉窑的内衬和隔热材料。
2. 多孔质耐火材料。
多孔质耐火材料具有较高的孔隙率和吸水性能,能够有效隔热和保温,常用于炉窑的隔热层和吸声材料。
3. 纤维耐火材料。
纤维耐火材料由耐火纤维组成,具有优异的耐高温性能和隔热性能,常用于高温设备的隔热和保温。
三、按用途分类。
1. 冶金耐火材料。
冶金耐火材料主要用于冶金炉的内衬和隔热材料,能够承受高温下的侵蚀和热应力。
2. 建筑耐火材料。
建筑耐火材料主要用于建筑物的防火隔离和防火保护,能够有效延缓火灾蔓延。
3. 化工耐火材料。
化工耐火材料主要用于化工设备的内衬和耐腐蚀材料,能够抵抗化学腐蚀和高温侵蚀。
综上所述,耐火材料根据化学成分、物理性质和用途的不同可以被分为多个分类。
不同类型的耐火材料在不同领域具有各自独特的应用特点和优势,为高温工业提供了重要的支撑和保障。
在未来的发展中,随着科技的进步和工艺的改进,耐火材料将会得到更广泛的应用和发展。
耐火材料分类

耐火材料分类1. 介绍耐火材料是一种能够在高温环境下保持稳定性并且抵抗热量、氧化、腐蚀等性能的材料。
耐火材料广泛用于冶金、化工、建材等行业的高温设备中,如高炉、炼钢炉、火炉等。
为了便于研究和应用,耐火材料被分为几个不同的类别,每个类别具有不同的特性和用途。
2. 耐火材料的分类方法耐火材料可以根据材料的成分、化学性质、结构、使用温度等多个方面进行分类。
2.1 成分分类根据耐火材料的成分,可以分为以下几类:2.1.1 硅酸盐类耐火材料硅酸盐类耐火材料以硅酸盐矿石为主要原料制备而成,如硅酸镁、硅酸铝、硅酸锆等。
这种耐火材料具有耐高温、耐冷热循环、抗温差性好等特点,常用于高温炉窑的内衬。
2.1.2 氧化铝类耐火材料氧化铝类耐火材料以氧化铝为主要成分,如高铝砖、碳化铝砖等。
这类耐火材料具有耐高温、抗腐蚀、抗侵蚀等特点,常用于炉窑的内衬和隔热层。
2.1.3 炭化硅类耐火材料炭化硅类耐火材料以炭化硅为主要成分,如炭化硅砖、炭化硅陶瓷等。
这种耐火材料具有耐高温、化学稳定性好等特点,常用于高温腐蚀和磨损环境中。
碳质耐火材料主要就是以石墨为原料进行制备,由于石墨有很好的导热性能和耐高温性能,因此被广泛用于高温设备。
2.2 化学性质分类根据耐火材料的化学性质,可以分为以下几类:2.2.1 酸性耐火材料酸性耐火材料主要由硅酸盐、氧化铝等酸性氧化物组成,具有抗酸性能好的特点,常用于与酸性物质接触的设备。
2.2.2 中性耐火材料中性耐火材料以氧化物、碳化物等化合物为主要成分,具有较好的耐火性能和化学稳定性。
2.2.3 碱性耐火材料碱性耐火材料主要由氧化钙、氧化镁等碱性氧化物组成,具有较好的抗碱性能,适用于与碱性物质接触的设备。
2.3 结构分类根据耐火材料的结构,可以分为以下几类:2.3.1 密实耐火材料密实耐火材料的结构致密,颗粒结合紧密,具有较好的耐火性能和抗渗透性,常用于要求较高的高温设备。
2.3.2 多孔耐火材料多孔耐火材料的结构中有大量的气孔,具有较好的隔热性能和抗热震性能,常用于绝热层、保温层。
耐火材料学

耐火材料学1、耐火材料定义:耐火材料为物理与化学性质适宜于在高温下使用的非金属材料,但不排除某些产品可含有一定量的金属材料。
2、耐火材料按性质分类为酸性、碱性、中性耐火材料。
3、耐火材料中的气孔可分为三类:开口气孔(显气孔)、贯通气孔、闭口(封闭)气孔。
真密度:带有气孔的干燥材料的质量与其真体积之比值。
显气孔率:带有气孔的材料中所有开口气孔体积与其总体积之比。
吸水率:带有气孔的材料中所有开口气孔所吸收的水的质量与其干燥材料质量之比。
4、耐火材料的强度包括耐压强度与抗折强度。
耐火材料的耐压强度是单位面积上所能承受而不破坏的极限载荷;耐火材料的抗折强度是指将规定尺寸的长方体试样在三点弯曲装置上能够承受的最大应力。
5、热膨胀系数:耐火材料的热膨胀系数通常是指平均热膨胀系数,即从室温升至试验温度,温度每升高1℃试样长度的相对变化率。
线膨胀系数:有时也称为线弹性系数,指温度每变化1℃材料长度变化的百分率。
6、耐火材料的使用性质:①耐火度:耐火材料在无荷重条件下抵抗高温而不熔化的特性。
②高温蠕变:耐火材料在一定的压力下随时间的变化为产生的等温变形称为耐火材料的高温蠕变或者压蠕变。
③耐火材料的高温体积稳定性。
重烧线变化是指试样在加热到一定的温度保温一段时间后,冷却到室温后所产生的残余膨胀或收缩。
④耐火材料的抗热震性。
其测试方法是加热—冷却法,将一定的试样直接放入已经达到规定温度的炉内保温达到规定的时间后,迅速从炉中取出,在水等介质中或空气中淬冷。
7、耐火材料的抗渣性:耐火材料在高温下抵抗熔渣侵蚀的性能称为抗渣蚀性能。
8、渣向耐火材料中的渗透:①通过开口气孔与裂纹向耐火材料内部渗透。
②通过晶界向耐火材料内部渗透。
③渣中的离子进入到构成耐火材料的氧化物中,通过晶格扩散进入耐火材料中。
以上三种方式通过气孔与裂纹的渗透是最大的。
9、实验室最常用的抗渣性试验方法为坩埚法。
其优点是简单易行,可以在同一个炉子中进行多个坩埚的抗渣性试验;缺点是:耐火材料试样静止不动,试样周围的侵蚀介质(熔渣)变化小,很容易达到饱和状态,在耐火材料内部不存在温度梯度。
耐火材料介绍

单位温度梯度下,在单位时间内通过单位面积的热量。
传热 的方 式
声子 热导
热传导 对流
由于声子传导是通过晶格振动来进行的,晶格结构愈 复杂,晶格振动的振动的非谐性愈大,晶格波受到的 散射程度愈大,材料导热系数愈低。晶体中存在任何 形式的缺陷与杂质都会导致声子的散射,减小材料的 导热系数。
耐火材料的物理性质
测量体积密度的方法是阿基米德法,即用排 水法来测定试样的体积。一个是真空法,即 将试样放在密闭容器中抽真空达到一定的真 空度以后再注入水或其他液体,来浸泡试样; 另一种方法是将试样放入沸水中浸泡。
过程:将质量为m1的试样放入液体中浸泡, 完成后,试样在液体中悬浮在液体中的质量 m2。然后将试样从浸液中取出,用饱和了浸 液的毛由水心地擦去多余的液滴。
陶瓷结合:在一定的温度下,由于烧结或液 相形成而产生的结合称陶瓷结合。在陶瓷结 合耐火材料中还就提到所谓直接结合耐火材 料。这一词最早出现在镁铬耐火材料中。认 为一种高纯度的镁铬砖的方镁石或尖晶石之 间是直接连结的,不存在中间相。但随着显 微镜技术及材料科学的发展,发现颗粒之间 并非真正的直接结合,结合部常存在杂质集 中或晶格畸变的区域。但这一名词经常出现 在碱性耐火材料文献中。
耐火材料的力学性质
材料的破坏需要克服原子间的作用力。根据 原子间作用力计算出的强度称为理论结合强 度。但材料的实际强度远小于它的理论强度。
Griffith理论认为:实际材料中总是存在许多 细小裂纹或缺陷。在外力作用下,这些裂纹 或缺陷附近产生应力集中现象。当应力达到 某一临界值时,裂纹开始扩展而导致断裂。 由此可知,断裂并不是两部分晶体被拉成两 半而是裂纹扩展的结果。
带有气孔的干燥材料的质量与其真体积的比值。真体积为不包括气孔的干燥 材料的真实体积。
耐火材料概论

耐火材料概论耐火材料是指在高温环境下具有一定耐火性能的材料。
它们主要用于冶金、建材、化工和机械等行业中的高温设备和工艺中,起到保护和隔热的作用。
耐火材料的种类繁多,根据不同的应用场景和要求,可以选择不同类型的耐火材料。
一、耐火材料的分类根据耐火材料的化学成分和物理性质,可以将其分为无机非金属耐火材料和有机耐火材料两大类。
1. 无机非金属耐火材料无机非金属耐火材料是指由无机物质制成的耐火材料,包括氧化物、氮化物、碳化物等。
常见的无机非金属耐火材料有氧化铝、氧化镁、二氧化硅等。
这些材料具有高熔点、高耐火度、化学稳定性好等特点,适用于高温环境下的使用。
2. 有机耐火材料有机耐火材料是指由有机物质制成的耐火材料,主要包括有机树脂、有机纤维等。
这些材料具有良好的隔热性能和耐火性能,适用于一些特殊的高温环境。
二、耐火材料的应用耐火材料广泛应用于各个行业的高温设备和工艺中,主要包括以下几个方面:1. 冶金行业在冶金行业中,耐火材料主要用于高炉、转炉、电炉等冶炼设备中。
这些设备在高温条件下工作,需要具备耐火、耐磨、耐腐蚀等性能,以保证设备的正常运行和寿命。
2. 建材行业在建材行业中,耐火材料主要用于窑炉、窑炉衬里等设备中。
这些设备在生产过程中需要承受高温和化学腐蚀的作用,因此需要选择具有良好耐火性能和化学稳定性的材料。
3. 化工行业在化工行业中,耐火材料主要用于反应釜、管道、储罐等设备中。
这些设备在化学反应过程中需要承受高温和腐蚀的作用,因此需要选择具有耐火、耐腐蚀等性能的材料。
4. 机械行业在机械行业中,耐火材料主要用于燃烧室、炉膛、热风炉等设备中。
这些设备在燃烧过程中需要承受高温和热冲击的作用,因此需要选择具有耐火、耐热冲击等性能的材料。
三、耐火材料的性能要求耐火材料在高温环境下需要具备一定的性能要求,主要包括以下几个方面:1. 耐火度耐火度是指耐火材料在高温环境中能够保持稳定的性能和结构的能力。
耐火度越高,材料在高温环境下的使用寿命越长。
耐火材料

5.良好的抗蚀性。 耐火材料在使用过程中,常常受到液态熔液、 炉尘、气态介质或固态物质的化学作用,使制 品被侵蚀损坏。因此,耐火材料必须具有强的 抵抗这种蚀损的性能。此外,要求耐火材料具 有一定的耐磨性,在某些特殊条件下有一定的 透气性、导热性、导电性和硬火材料(原料或制品)的化学组成
耐火材料种类繁多,通常按耐火度高低分为: 普通耐火材料(1580~1770℃) 高级耐火材料(1770~2000℃) 特级耐火材料(2000℃以上)
按化学特性分为:
酸性耐火材料 中性耐火材料 碱性耐火材料
酸性耐火材料以氧化硅为主要成分,常用的有 硅砖和粘土砖。 硅砖是含氧化硅93%以上的硅质制品,使用的 原料有硅石、废硅砖等,其抗酸性炉渣侵蚀能力 强,荷重软化温度高,重复煅烧后体积不收缩, 甚至略有膨胀;但其易受碱性渣的侵蚀,抗热振 性差。硅砖主要用于焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢 炉等热工设备。粘土砖以耐火粘土为主要原料, 含有30%~46%的氧化铝,属弱酸性耐火材料, 抗热振性好,对酸性炉渣有抗蚀性,应用广泛。
碱性耐火材料以氧化镁、氧化钙为主要成分,常用的 是镁砖。含氧化镁80%~85%以上的镁砖,对碱性渣和铁 渣有很好的抵抗性,耐火度比粘土砖和硅砖高。主要用于 平炉、吹氧转炉、电炉、有色金属冶炼设备以及一些高温 设备上。 在特殊场合应用的耐火材料有高温氧化物材料,如氧化 铝、氧化镧、氧化铍、氧化钙、氧化锆等,难熔化合物材 料,如碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和硫化物等;高 温复合材料,主要有金属陶瓷、高温无机涂层和纤维增强 陶瓷等。
耐火材料(原料或制品)的化学组成,一般用化学分析的 方法进行测定。耐火材料通常测定Al203,Si02,Fe203, CaO,MgO,Ti02,ZrO2,Na20,K20等氧化物。
耐火材料基础知识

1.6 硅藻土:海水或淡水中的微生物——硅藻类的遗体骨 骼(硅壳)堆积而成,本质上是含水的非晶质二氧化硅。
第一节 石英原料的主要类型及SiO2变体
2. SiO2变体的种类及性质
α-石英、β-石英
SiO2的种类
α-鳞石英、β-鳞石英、γ-鳞石英 α-方石英、β-方石英 石英玻璃
第一节 石英原料的主要类型及SiO2变体
★ 耐火材料在烧制过程当中的物理化学变化一般都 未达到烧成温度下的平衡状态,当制品在长期使 用中,受高温和时间的作用,会进一步产生物理 化学变化,从而进一步烧结和物相再结晶和玻璃 化,从而初始制品进一步密实,产生重烧收缩。 但是有的如硅质在高温下产生膨胀。
★ 重烧线变化的大小表明制品高温体积稳定性的好 坏,为了降低耐火制品的重烧收缩或膨胀,在工 艺上一般提高砖坯的成型密度,适当提高烧成温 度或延长保温时间,但不宜过高,以免制品变形 或者进一步玻璃化,从而降低了热震稳定性。
热容
★ 热容(又称比热容)是指常压下加热1公 斤样品使之升温一度所需的热量。
★ 影响热容的因素
耐火材料的热容是随它的化学矿物组成和所处的 温度条件而变化的,通常很少测定热容,检验标 准中也没有规定方法。
重烧线变化
★ 重烧线变化是指将耐火材料试样加热到规定温度, 并恒定一定时间,冷却至室温以后,其线性尺寸 的不可逆变化。
耐火材料的理化性能

耐火材料的理化性能1.耐火度:耐火度是耐火材料在高温下抵抗熔化的性能。
耐火度主要取决于耐火材料的化学成份和材料中的易熔杂质(如FeO、NaO等)的含量。
耐火度并不代表耐火材料的实际使用温度,因为在高温载负作用下耐火材料的软化变形温度会降低,所以耐火材料的实际允许最高使用温度比耐火度低。
耐火度一般通过试验测定。
耐火度大于1580℃的材料方可称为耐火材料。
2.高温结构强度(荷重软化温度):高温结构强度是指耐火制品在高温下承受压力而不发生变形的抗力。
常以负重软化温度来评定。
所谓负重软化温度是指耐火制品在0.2压力下,以一定的升温速度加热,测出样品开始变形的温度和压缩变形达4%或40%的温度。
前者的温度叫负重软化开始湿度,后者叫负重软化4%或40%的软化点。
3.热稳定性:热稳定性是指抵抗温度急剧变化而不破裂或剥落的能力,有时也称之为耐急冷急热性。
它的测定是将耐火制品加热到一定温度(850℃)然后用流动的冷水冷却,直至进行到因制品破裂而部分剥落的重量为原重量的20%时,所经爱冷热交替次数即为评定热稳定性的指标。
4.体积稳定性:体积稳定性是指耐火制品在一定温度下反复加的热、冷却的体积变化百分率。
一般在多次高温作用下,耐火制品内组成相会发生再结晶和进一歩烧结,会产生残余的膨胀或收缩现象。
一般允许的残余膨胀或收缩不应超过0.5-1.0%。
5. 高温化学稳定性:高温化学稳定性系指耐火制品在高温下,抗金属氧化物、熔盐和炉气侵蚀的能力。
常用抗渣性来评定,这种性质主要取决于耐火制品本身相组成物的化学特点和物理结构,如气孔率、体积密度等。
6.体积密度、气孔率、透气性:体积密度是指包括全部气孔在内的单位耐火制品的重量,其单位为g/cm3. 气孔率(%)分显气孔率和真气孔率。
显气孔率是耐火制品上与大气相通的孔洞体积与总体积之比。
真气孔率是指不与大气相通的孔洞体积与总体积之比. 透气性常以透气系数评定,透气系数是在9.8Pa的压差下,1h内通过厚1m,面雊1m2耐火制品的空气量。
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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ε的影响为:kσnε=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。