第一章 耐火材料的组成和性质
《耐火材料基础知识》课件
在铜、铝等有色金属的冶炼和加工过程中，耐火 材料也扮演着重要的角色，对于保护炉衬和提高 产品质量具有重要作用。
核能领域
核能领域对于耐火材料的要求极高，需要具备优 良的高温性能、化学稳定性和抗辐照性能，为核 能技术的发展提供支撑。
耐火材料的发展趋势
高性能化
提高耐火材料的性能指标，以满足高温、高速、 高负荷等苛刻工况的需求。
复合耐火材料
通过将不同材质的耐火材 料进行复合，形成具有多 重性能的复合耐火材料， 以满足复杂工况的需求。
绿色耐火材料
研发低污染、低能耗的绿 色耐火材料，减少对环境 的负面影响，推动耐火材 料行业的可持续发展。
耐火材料的应用前景
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钢铁工业
随着钢铁工业的发展，对耐火材料的需求量不断 增加，尤其在高炉、连铸和轧钢等关键部位，需 要高性能的耐火材料。
维护保养
为了延长耐火材料的使用寿命，需要 定期进行维护保养，如检查、修复、 更换等。
环境友好
耐火材料在使用过程中应尽量减少对 环境的污染，符合可持续发展的要求 。
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耐火材料的发展趋势与展望
新型耐火材料的研发
纳米级耐火材料
利用纳米技术，开发出具 有高性能的纳米级耐火材 料，具有更佳的抗热震性 能和高温强度。
环保化
加强环保意识，研发低污染、低能耗的耐火材料 ，推动行业的可持续发展。
智能化
利用传感器、物联网等先进技术，实现耐火材料 的智能化监控和管理，提高生产效率和安全性。
晶体结构
指耐火材料中的晶体颗粒的大小 、形状、取向及分布情况，对耐 火材料的力学性能和高温性能有
重要影响。
玻璃质结构
指耐火材料中的玻璃质成分的粘度 、流动性及稳定性等，对耐火材料 的抗热震性能和高温性能有一定影 响。
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。
耐火材料组成结构与性质
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耐火材料是构筑热工设备的高温结构材料，在使用过程中除 承受高温作用外，还不同程度地受到机械应力、热应力作用， 高温气体、熔体以及固体介质的侵蚀、冲刷、磨损。
耐火材料的质量取决于其性质，为了保证热工设备的正常运 行，所选用的耐火材料必须具备能够满足和适应各种使用环境 和操作条件的性质。
2021/1/28
制品
鳞石英、方石英 硅砖、石英玻璃
莫来石、方石英、 半硅砖、粘土砖、高铝砖、
刚玉
莫来石—刚玉砖
3 刚玉质制 Al2O3（＞90%） 刚玉 品
刚玉—莫来石砖
4 镁质制品 MgO、CaO、 方镁石、方钙石、 镁砖、白云石砖、镁橄榄
Al2O3、Cr2O3、 镁铝（铬）尖晶 石砖、镁铝（铬、钙）砖、
SiO2、C
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1.1 耐火材料的定义及其性能要求
（二） 对耐火材料的性能要求及其表征指标
（4）良好的热震稳定性——耐火材料抵抗温度急剧变化而不发生 开裂、剥落的能力。表征指标：材料的热膨胀系数和抗热震性指标
（5）良好的抗渣性——耐火材料在使用过程中抵抗各种侵蚀性物 质的化学作用而不被蚀损的能力。表征指标：抗渣性评价
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第一章 绪论
一、耐火材料的定义及其性能要求 （一） 定义
1、传统的定义：耐火度不小于1580℃的无机非金属材料。 2、ISO的定义：耐火度不小于1500℃的非金属材料及制品。
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第一章 绪 论
1.1 耐火材料的定义及其性能要求
（二） 对耐火材料的性能要求及其表征指标
• 1）计划经济时代－中国耐火材料由33家重点企业扶持； • 2）改革开放以后，随着钢铁工业的迅速发展，耐火材料行
耐火材料基础知识培训教材
耐火材料基础知识培训教材第一章：耐火材料的定义与分类耐火材料是指具有一定的耐火性能，能够在高温、高压、腐蚀等恶劣条件下保持稳定性和完整性的材料。
根据其化学组成和物理性质的不同，耐火材料可以分为无机非金属耐火材料、金属耐火材料和复合耐火材料三大类。
1.1 无机非金属耐火材料无机非金属耐火材料主要由氧化物、硅酸盐、碳化物等组成，常见的包括氧化铝、氧化镁、氧化硅、硅酸盐砖、耐火砂等。
这类耐火材料具有高耐热性、抗腐蚀性和优异的绝缘性能，广泛应用于冶金、化工、电力等领域。
1.2 金属耐火材料金属耐火材料主要由金属元素和其合金组成，常见的包括铝、镁、铁、铬等。
金属耐火材料具有高强度和高导热性能，适用于高温和高压条件下的工作环境，广泛应用于电炉、烧结炉等领域。
1.3 复合耐火材料复合耐火材料是指将无机非金属耐火材料、金属耐火材料及其他辅助材料经过特殊工艺组合而成的材料。
复合耐火材料综合了各类材料的优点，具有高温强度高、耐冲刷、耐热震、耐腐蚀等特点，广泛应用于高温炉窑、化工炉等领域。
第二章：耐火材料的性能与测试2.1 耐火性能耐火性能是评价耐火材料的关键指标之一，包括耐火度、耐渣渗透性、热稳定性等参数。
常用的测试方法有耐火度试验、失重试验和热震试验等。
2.2 机械性能耐火材料在使用过程中需要承受一定的力学载荷，因此其机械性能是评价其抗压强度、抗折强度、抗冲刷性能等的指标。
常用的测试方法有抗压强度试验、抗折强度试验和冲刷试验等。
2.3 特殊性能耐火材料还具有一些特殊性能，如导热性能、导电性能、绝缘性能等。
这些特殊性能对于具体的应用环境非常重要，需要通过相应的测试方法进行评估。
第三章：耐火材料的应用领域3.1 冶金行业耐火材料在冶金行业广泛应用于高炉、转炉、电炉等设备中，用于耐受高温、腐蚀和冲刷的作用。
同时，在炼铁、炼钢、铝电解等过程中，耐火材料也扮演着重要的角色。
3.2 化工行业耐火材料在化工行业中主要应用于合成氨、乙烯、乙二醇等高温反应设备，用于承受高温和化学腐蚀的环境。
耐火材料的组成和性质
2024/10/13
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３、添加成分
在耐火制品生产中，为了促进其高温变化 和降低烧结温度，有时加入少量的添加成分。 添加成分按其目的和作用的不同分为：矿化剂、 稳定剂和烧结助剂。除可烧掉成分外，它们都 包含在制品的化学成分中。
(1) 矿化剂：促进某相转变而加入的成分。
如：在硅砖生产中，加入的铁鳞、石灰乳作 为矿化剂使高温α-方石英转变成α-鳞石英。
如：石墨（单质C，鳞片状结构）、刚玉（简 单化合物Al2O３、三方晶系，呈桶状，短柱状）
目前还存在“人造矿物”如：人造金刚石， 水泥熟料中的A矿（C3S）、B矿（C2S）等。
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2．矿物的同质多象现象
同种化学成分的物质在不同的外界条件下， 可生成结构不同，形态和物理性质方面均有差异 的矿物，这种现象称为同质多象现象（变体）。
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MgO SiO2 CaO (wt%) A 24.83 39.09 36.08
B 11.70 37.00 51.30
C 11.54 36.29 52.17
MgO
A
B
C
耐火材料中陶瓷结合示意图
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b、直接结合:指耐火制品中，高熔点的主晶相之 间或主晶相与次晶相间直接接触产生结晶网络的 一种结合，而不是靠低熔点的硅酸盐相产生结合。
如:镁铬砖中的主晶相是方镁石； 镁铝砖中的主晶相是方镁石等。
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主晶相
次晶相又称第二固相，是在高温下与主晶相共 存的第二晶相。次晶相也是熔点较高的晶体，它 的存在可以提高耐火制品中固相间的直接结合， 同时可以改善制品的某些特定的性能。
耐火材料基础知识PPT课件
2021
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耐火度
★ 耐火度是指耐材在无荷重时抵抗高温 作用而不融化的性能。 影响耐火度的因素
★ 主要是耐火制品的化学成分，矿物组成及其分 布状态；各种杂质成分特别是具有强溶剂作用 的成分会严重降低制品的耐火度；成分分布不 均同样也会降低制品的耐火度：
★ 值得一提的是，耐火度虽然是判定耐火材料质量 尤其是化学纯度的一个指标，但在该温度范围材 料已不再具有结构强度和机械强度，故认为耐材 的耐火度越高，使用温度越高和越耐用的看法是 不正确的。
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热震稳定性
★ 耐火材料抵抗温度急剧变化而不被破 坏的性能称为热震稳定性，通常用加 热试样后可经受水冷或风冷的次数或 热震后残余强度的保持率来表示；
★ 影响耐火制品抗热震的主要因素为制品 的物理性能和显微结构，特别是热膨胀 性、热导率等；一般来讲，耐火制品的 热膨胀率越大，抗热震性越差；制品的 热导率越高，抗热震性越好。
3.对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，由于氧离 子紧密接触以及相互热振动，一般热膨胀系数较 大，如氧化镁、氧化非同向性晶体中，其热膨胀的各向异性十分 明显，各晶轴方向的热膨胀系数不等； 5.结构上高度各向异性的材料，其体积膨胀系数 都很小，可作为一种优良的抗热震材料，如瑾青 石；
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荷重软化温度
★ 荷重软化温度是指耐材制品在承受恒定荷载和 持续升温条件下，产生一定变形量对应的温度， 是耐材制品在荷重、升温及时间的综合作用下 性能的特征值。
★ 荷重软化温度的测定一般是加压0.2MPA（隔热 定形耐材制品0.05MPA），从试样膨胀的最高点 压缩至它原始高度的0.6%为软化开始温度（国际 标准为0.5%），4%为软化变形温度，40%为变 形温度。
耐火材料的组成、性质与分类
耐火材料的组成、性质与分类
一、耐火材料的组成：
1、矿物组成
玻璃相+结晶相（基质）
2、化学组成
（1）主成分
碱性耐火材料：氧化镁、氧化钙
酸性耐火材料：二氧化硅
中性耐火材料：碳质耐火材料、高铝耐火材料、铬质耐火材料
（2）杂质成分
（3）添加成分
二、耐火材料的性质的介绍：
1、良好的抗腐蚀性
2、极高的耐火度
3、在高温下具有良好的体积稳定性
4、良好的荷重软化温度
5、良好的抗热震性
6、从不同方面介绍性质
（1）物理性质：气孔率、吸水率、体积密度、真密度（真比重）
（2）热学性能：热容、热膨胀性、导热系数
（3）力学性能：常温耐压强度、抗折强度
（4）使用性能：耐火度、高温荷重软化温度、体积稳定性
（5）热稳定性：渣性（耐玻璃侵蚀性）、热震
（6）抗腐蚀性能：抗碱性、抗氧化、抗水化
三、耐火材料从不同方面有不同的分类，具体如下：
1、按外形分为：定型耐火材料和不定型耐火材料。
2、按成型工艺分为：天然岩石切锯、泥浆浇注、可塑成型、半干成型和振动、捣打、熔铸成型
3、按外观分为：标型、普型、异型、特型和超特型
4、按化学成分为：酸性、碱性和中性耐火材料
5、按密度分为：重质和轻质
6、按矿物组成分为：硅酸铝质、硅质、镁质、碳质、白云石质、锆英石质、特殊耐火材料（高纯氧化物制品、难熔化合物制品和高温复合材料）
7、按耐火度分为：普通耐火材料、高级耐火材料、特级耐火材料。
8、按加工工艺分为：烧成制品、熔铸制品、不烧制品。
耐火材料的基本知识
耐火材料的基本知识目录一、耐火材料的定义与分类 (2)1.1 耐火材料的定义 (3)1.2 耐火材料的分类 (3)1.2.1 根据化学成分分类 (4)1.2.2 根据耐火度分类 (5)1.2.3 根据使用温度分类 (6)1.2.4 根据材质分类 (7)二、耐火材料的物理化学性质 (8)2.1 耐火材料的物理性质 (9)2.2 耐火材料的化学性质 (10)2.2.1 化学稳定性 (11)2.2.2 抗氧化性 (12)2.2.3 耐酸性 (13)三、耐火材料的应用领域 (15)3.1 建筑材料 (16)3.2 陶瓷与玻璃工业 (17)3.3 冶金工业 (18)3.4 耐火材料在环保和节能方面的应用 (20)四、耐火材料的制备与加工 (21)4.1 原料的选择与处理 (22)4.2 炼制过程 (23)4.3 成型方法 (24)4.4 后处理与检验 (26)五、耐火材料的性能评估与测试 (27)5.1 性能评估方法 (28)5.2 主要性能测试方法 (30)5.2.1 化学分析 (31)5.2.3 工艺性能测试 (33)六、耐火材料的选用与优化 (34)6.1 选用原则 (36)6.2 优化策略 (36)七、耐火材料的发展趋势与挑战 (38)7.1 发展趋势 (40)7.2 面临的挑战 (41)一、耐火材料的定义与分类耐火材料是一种在高温环境下能够保持其物理性质和化学性质稳定的材料。
它们广泛应用于冶金、陶瓷、石油化工等领域，为各种高温设备或工艺过程提供必要的结构支撑和保护。
基于其特殊的性质和应用，耐火材料在工业领域中的重要性不言而喻。
粘土质耐火材料：以粘土为主要原料，具有良好的可塑性、耐火度和化学稳定性，广泛应用于高炉、热风炉等冶金设备中。
硅质耐火材料：以硅石为原料，具有优异的耐高温性能、抗渣性和耐腐蚀性，常用于炼钢炉等高温设备的内衬材料。
高铝质耐火材料：以高铝矾土或工业氧化铝为原料，具有优良的抗侵蚀性和高温机械强度，常用于玻璃熔窑等高温设备的结构材料。
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2019/9/9
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３、添加成分
在耐火制品生产中，为了促进其高温变化 和降低烧结温度，有时加入少量的添加成分。 添加成分按其目的和作用的不同分为：矿化剂、 稳定剂和烧结助剂。除可烧掉成分外，它们都 包含在制品的化学成分中。
(1) 矿化剂：促进某相转变而加入的成分。
如：在硅砖生产中，加入的铁鳞、石灰乳作 为矿化剂使高温α-方石英转变成α-鳞石英。
第一章 耐火材料的组成和性质
耐火材料是构筑热工设备的高温结构材 料，在使用过程中除承受高温作用外，还不 同程度地受到机械应力、热应力作用，高温 气体、熔体以及固保 证热工设备的正常运行，所选用的耐火材料 必须具备能够满足和适应各种使用环境和操 作条件的性质。
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（３）烧结助剂
如：高级耐火材料------SiC耐火材料
它的键合性质是共价键，共价键份额占88%， 晶格能非常大，难以烧结，在不加压固相烧结过 程中，即使足够高的温度下，粉末（3～5μm）之 间也仅有微量的颈部长大，而不发生体积收缩致 密化。研究表明SiC能够在烧结助剂活化下不加压 固相烧结得比较致密，Mizrah等人用质量分数约 为结助0.5剂%，B（使以粒B度4C为的1.形7μ式m加α-S入iC）生和坯3可.0%以石在墨21的50烧℃ 下烧结到99%理论密度。
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1、主成分
是耐火材料的特性基础。主成分可以是: 氧化物（如SiO2、Al2O３、ZrO2、Cr2O３、 MgO、CaO）；可以是元素（如C）；或非 氧化物（如SiC）。
按主成分将耐火材料分成三类（如概述 介绍的按化学特性分一样）：酸性、中性和 碱性耐火材料。
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(２) 稳定剂：
如 ： ZrO2在高温下发生以下转变，并伴随体 积效应。
1100～1200℃
单斜ZrO2
四方ZrO2－△V （7～9%）
900～1000℃
当纯ZrO2在冷却时会发生体积膨胀，导致制 品疏松甚至开裂，所以要加入稳定剂如：Y2O３、 CaO、MgO，使四方ZrO2在常温下能够稳定存在。 其中以CaO与MgO使用的最多。
如:镁铬砖中的主晶相是方镁石； 镁铝砖中的主晶相是方镁石等。
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主晶相
次晶相又称第二固相，是在高温下与主晶相共 存的第二晶相。次晶相也是熔点较高的晶体，它 的存在可以提高耐火制品中固相间的直接结合， 同时可以改善制品的某些特定的性能。
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２、杂质成分
耐火材料的原料大多数是天然矿物，在耐火 材料中含有一定量的杂质。这些杂质是某些能与 耐火基体作用而使其耐火性能降低的氧化物或化 合物，即通常称为熔剂的杂质。例如镁质耐火材 料化学成分中的主成分为MgO，其他氧化物成分 属于杂质成分。
一般而言，单位熔剂在高温下生成的液相量 愈多，且随温度升高液相量增加愈多，说明该杂 质熔剂作用愈强，使耐火性能下降愈多。在生产 中愈要注意降低其含量。
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第一节 耐火材料的化学矿物组成
一、化学组成
耐火材料的化学组成即耐火材料的化学成分， 它是耐火制品的最基本特性之一。是决定耐火材 料的物相组成以及很多重要性质如抗渣侵蚀性能、 耐高温性能、力学性能等的重要基础。
通常将耐火材料的化学组成按各个成分含量 的多少及作用分为以下几类：
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检测标准
各国的检验标准有所不同，由于实验室条 件下的检验和实际有一定的差距；实验室的检 验结果仅起到预测作用；
苏联：TOCT 日本：JIS（Japanese Industrial Standards) 英国：BSI（British Standards Institution） 美国：ASTM（American Society of Testing Materials） 中国：GB
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３、耐火材料的矿物组成 耐火材料是一个多相组成体，其矿物
组成取决于耐火材料的化学组成和生产工艺 条件，矿物组成可分为两大类：
结晶相 （主晶相、次晶相）
玻璃相
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主晶相
主晶相是指构成耐火制品结构的主体而 且熔点较高的结晶相，通常是由一定配比的 原料在不同的工艺条件下，通过高温物理化 学反应形成的，耐火制品中的主晶相随着其 在平衡体系中的组分和相对含量的不同而有 所不同。主晶相的性质、数量、结合状态直 接决定着耐火制品的性质。
如：石墨（单质C，鳞片状结构）、刚玉 （状简）单化合物Al2O３、三方晶系，呈桶状，短柱
目前还存在“人造矿物”如：人造金刚石， 水泥熟料中的A矿（C3S）、B矿（C2S）等。
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2．矿物的同质多象现象
同种化学成分的物质在不同的外界条件下， 可生成结构不同，形态和物理性质方面均有差异 的矿物，这种现象称为同质多象现象（变体）。
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耐火材料的性质主要包括:化学-矿物组 成、组织结构、力学性质、热学性质及高温 使用性质等。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。
耐火材料所具有的各种性质是热工设备 选择结构材料的重要依据，通常按照热工设 备的工作性质与操作环境，来研制、设计、 生产或选择能适应操作环境、满足使用要求 的耐火材料。
试验Al2O3-SiC-C捣打料时，用多种烧结助剂 促进该材料的烧结，得到较好的效果。
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二、矿物组成
1．矿物定义
是指地壳中的化学元素，经过各种地质作用 所形成的，并在一定条件下相对稳定的单质或化 合物。
矿物具有比较均一的成分和内部结构，因此 具有一定的几何形态和物理化学性质。
如：SiO2在不同的条件下有不同的晶体结构， 表现出不同的性质。
又如：耐火原料中的“三石”也属于同质多 象变体，它们的化学组成同为Al2O3·SiO2，但不同 的晶体结构，所以表现出不同的性质。
对矿物的同质多象仅用化学分析是分析不出的， 用如下鉴定方法：X-ray射线衍射；显微镜分析； 差热分析（DTA）和热重分析（TG）。