耐火材料与燃料燃烧讲座第二章耐火材料性能耐火材料性能是衡量和评价耐火材料质量的核心内容和基本依据。耐火材料的质量和性能不仅直接影响到耐火材料应用部门的产品质量、生产成本和经济效益，有时甚至关系到生产和人身安全。准确评价耐火材料的质量特性，正确评价耐火材料的性能特点，为精准选择耐火材料，研发优质耐火制品，全面掌握耐火材料综合性能，促进耐火材料稳定生产，并确保耐火材料在使用过程中的安全性和有效性具有重要意义。耐火材料的性能主要包括化学性能、热性能、物理性能、力学性能和显微组织。耐火材料的综合性能，即耐火材料的质量特性和性能特点，主要是由上述基本性能决定的。正确评价耐火材料的基本性能是评价耐火材料质量和性能特性的基础和前提。 2.1 耐火材料的宏观组织 图2-6 常用耐火材料的常温抗压强度2.3.2 高温抗压强度(hot, HCS) 耐火材料的高温抗压强度 It指材料在高于1000-1200℃的高温热状态下，单位面积所能承受的最大压力，以MPa表示。耐火材料的抗压强度一般随温度的升高而发生显着变化。从室温开始，强度随着温度的升高呈线性下降。

之后，有些材料会随着温度的升高而继续减少；有些材料在温度升高到一定范围时随温度的升高而升高，在一定温度下达到最大值，然后急剧下降。图2-7显示了一些常用耐火材料的高温抗压强度随温度的变化。 1—刚玉砖； 2—粘土砖； 3—高铝砖； 4—镁砖； 5,6—硅砖 图2-7 普通耐火材料的高温强度曲线 材料的某些成分，特别是基体或其相关相，受高温变化的控制。一般来说，完全由晶体组成的烧结耐火材料在高温下容易发生晶粒和晶界的塑性变形，特别是在加载速度较小时，因此其强度随温度的升高而增加。减少。当某些晶相在高温下熔化或形成熔体时，如硅砖、粘土砖和高铝砖，其基体主要由玻璃相组成。随着温度的升高，这种多相材料的强度还取决于显微组织随温度的降低。但是，当温度进一步升高时，由于玻璃相的粘度由脆性转变为韧性，材料颗粒之间的结合变得更强，从而使强度显着提高。然后，随着温度的升高，由于材料中的熔体粘度急剧下降，材料的强度也急剧下降。 2.3.3 抗弯强度(of , MOR) 抗弯强度，又称抗弯强度或断裂模量，是指材料单位面积所能承受的极限弯曲应力。

耐火材料的抗弯强度分为常温抗弯强度和高温抗弯强度。常温下测得的抗弯强度即为常温抗弯强度；在1000℃以上的特定温度下测得的抗弯强度是高温抗弯强度。 L P h b 图2-8 试样的三点弯曲图（2-24) 式中R——试样的抗弯强度，N/mm2（或MPa）；F——试样的抗拉强度当它断裂的最大载荷，N；L——两个支点之间的距离，mmb——试样宽度，mm；h——试样高度；mm.2 3 2 FL R bh=耐火制品抗弯强度的测量方法是，一定尺寸试验方法 试样在三点弯曲装置上弯曲（如图2-8)所示），其抗弯强度计算如下： 耐火制品的抗弯强度和抗压强度由对烧结耐火制品而言，对于不燃耐火制品，耐火材料中的基体、结合剂和结构（如气孔、裂缝等）特性对抗弯强度，尤其是高温抗弯强度有明显影响。当材料中的主晶相仍被刺即剪切弹性模量，基体或粘结剂在高温下是否容易熔化，熔体的性质及其分布对高温抗弯强度非常敏感。因此，耐火材料的高温抗弯强度常被用作评价材料在高温下的质量（尤其是其结合相质量）的重要指标。2.3.4粘合强度（bond） 粘合强度是指两种材料粘合在一起时单元界面之间的粘合强度。

耐火材料的结合强度主要是表征非晶质耐火材料在各种温度和特定条件下的强度指标。不定型耐火材料在使用时，必须具有一定的粘结力，才能有效地与建筑基材粘合。根据受力方向的不同，耐火材料的结合强度可分为弯曲结合强度和剪切结合强度。 2 3 2 FL R bh = (2-25) 式中，R——试样的弯曲结合强度，N/mm2(或MPa)；F——试样结合面的最大值断裂时所承受的载荷，N；L-两个支点之间的距离，mmb-试样在粘合面的宽度，mm；h-试样在粘合面的高度；mm。2.< @3.5 蠕变变形（蠕变） 当耐火材料受到低于极限强度的一定应力时，会发生塑性变形，变形量会随着加载时间的延长而增加，甚至导致材料损伤。外力引起的变形随时间的延长而增大。这种现象称为蠕变。耐火材料的高温蠕变是指制品在高温应力作用下随时间的变化而发生等温变形。 . 高温蠕变可分为高温压缩蠕变、高温蠕变、高温拉伸蠕变、高温弯曲蠕变和高温扭转蠕变等。其中，最常用的是高温压缩蠕变。压缩蠕变用压缩蠕变速率ε来衡量，即： 式中ε——蠕变速率，%； L0——原样高度，mm； L1——恒温开始时试样的高度剪切弹性模量，mm； Ln——恒温n小时后样品的高度，mm。

(2-26)测定耐火材料蠕变的意义在于研究耐火材料在高温下受应力作用引起的组织结构变化，检测产品质量和评价生产可以通过耐火制品在不同温度和载荷下的蠕变曲线来了解制品蠕变的最低温度、不同温度下的蠕变速率和高温应力下的变形特性，并确定产品在不同温度下的蠕变温度范围。产品保持弹性状态并呈现高温 塑性温度范围等 这在窑炉设计中具有实际意义，预测实际应用中耐火制品的负荷变化，评估制品的性能等耐火材料的蠕变主要受温度、应力、时间和材料结构的影响。材料的影响。温度越高材料的ure，应力越大，时间越长，蠕变率越大。当耐火材料完全由晶体组成时，蠕变受与晶体弹性有关的晶体结合强度的影响。 , 主要受晶体中空位的扩散、位错运动、晶体滑移和晶粒间的键合状态控制。晶体缺陷越小，晶界越少，晶间互穿越强，不易产生严重的蠕变。材料中含有玻璃相，特别是当玻璃相为连续相时，材料的蠕变受玻璃相的控制。玻璃相量越多，粘度越低，材料在低应力下能产生粘流，因此在高温下蠕变更严重。图2.10 典型高温蠕变曲线2.3.6 弹性模量( ，MOE) 其中E－弹性模量，N/mm2； σ——材料上的应力，N/mm2； ε——材料的应变。

弹性模量是指材料在外力作用下的变形量。弹性极限内应力和应变（压缩或伸长）之间的比例关系称为弹性模量。它的值是试样横截面积上的法向应力与应变的比值，也可以表征材料抵抗变形的能力。当材料被拉伸或压缩时，在弹性极限内的应力与应变之比称为纵向弹性模量或杨氏模量。用下式表示： (2-27) 式中G-剪切弹性模量，N/mm2；-剪切应力，N/mm2；θ-剪切应变，以弧度表示。当材料被剪切时在剪切应力作用下，弹性极限内的剪切应力与剪切应变的比值称为剪切弹性模量，或刚性模量，表示如下： 材料的弹性模量由晶体结合强度控制，即弹性模量的多少与晶格粒子之间的结合力密切相关，在几种晶体中，原子晶体的共价键最强，因此弹性模量最大；分子晶体的结合力最弱，且弹性模量最小，空位、位错等缺陷较多，或晶界和晶粒解离充分，弹性模量低。此外，材料的弹性模量还与其致密性和结合强度有关组件之间。一般来说，材料的孔隙率越高，弹性模量越低。 (2-28)当材料各组分之间的结合较弱时，弹性模量变小。由此可见，耐火材料的弹性模量还与各组分之间的协调性有关。材料内部的成分，泥浆的制备和成型是否适当，烧结是否充分。因此，对于特定成分的耐火材料，也可以根据弹性模量的高低来确定。对成型和烧结进行了评价。

耐火材料的弹性模量大致与其抗压强度、抗弯强度和耐磨性成正比。耐火材料的弹性模量对其抗热震性有很大影响。 2.3.7 耐磨性( ) 耐火材料的耐磨性是指其抵抗固体、液体和含尘气流对其表面机械磨损的能力。耐火材料的耐磨性取决于材料的成分和结构。当材料是由单晶组成的致密多晶结构时，其耐磨性主要取决于组成材料的矿物晶相的硬度。硬度越高，材料的耐磨性越好。当矿物相为各向异性晶体时，晶粒越细，材料的耐磨性越好。当材料由多相组成时，其耐磨性还与材料的容重或孔隙率以及各组分之间的结合强度直接相关。因此，对于某种耐火材料在常温下，其耐磨性与其抗压强度成正比，烧结性好的制品具有较好的耐磨性。耐火材料的耐磨性与温度有关。对于一些耐火材料（如铝硅耐火制品），一般认为在一定温度下（如在700-900oC的弹性范围内），温度越低，耐磨性越差。随着弹性模量的增加，耐磨性下降。当温度继续升高时，弹性模量达到最大值后，耐磨性随着弹性模量的降低而增加。如硅酸铝耐火制品在1200-，耐磨性甚至优于常温。当温度计进一步升高到上述值时，由于产品中液相粘度急剧下降，耐磨性相应下降。

但有些耐火材料，如含铬制品，其耐磨性随温度升高而增加。 2.4 耐火材料的使用性能 耐火材料在使用过程中，除了承受高温热负荷外，还要承受来自装料和环境的重负荷等物理化学作用。耐火材料的性能在于它们能够抵抗这些外部影响，并且在高温条件下不易损坏。根据耐火材料的性能，不仅可以判断耐火制品的优劣，还可以根据具体的使用条件选择合适的耐火制品。耐火材料的性能主要包括：耐火度、荷重软化温度、重烧线变化率、抗热震性、抗渣性、抗酸性、抗氧化性、抗水化性和抗CO侵蚀性。 2.4.1 耐火度() 耐火度是指耐火材料在空载条件下达到一定软化程度的温度，表征材料耐高温的能力。耐火度和熔点的区别在于，熔点是晶体受热时固相和液相达到平衡的温度；而耐火度是多相体达到一定软化程度的温度。由于大多数耐火制品是多相异质材料，没有一定的熔点，所以从开始液相到完全熔化是一个渐进的过程。在相当宽的温度范围内，液相和固相共存。因此，为了准确表征耐火材料在高温下的软化和熔融特性，只能用耐火度来衡量。图 2-11 不同熔化阶段试锥的弯曲情况 a——熔化开始前； b——在与耐火度相当的温度下； c—在高于中国标准耐火度的温度下（GB/T7322-1997)规定了耐火材料耐火度的测量方法。具体点是被测材料制成相同的形状尺寸为标准测温锥（下座长8mm，上座长2mm，高30mm），将截头三角锥在规定加热条件下与标准测温锥的弯曲情况，直到测试锥顶部弯曲并接触底盘，此时与测试锥同时弯曲的标准测温锥可以代表温度为耐火度测试锥。

耐火材料的耐火度通常用标准测温锥的锥号来表示。不同国家的标准测温锥规格不同，锥号所代表的温度也不一致。我国常用的标准锥通常用WZ加锥号来表示，锥号乘以10就是表示的温度。如果测试锥和WZ175标准锥同时弯曲，试样的耐火度为。一些常用的耐火原料和制品的耐火度见表2-1。 1770-2000 >2000 >2000 高铝砖 镁砖 白云石转 1730-1770 1690-1730 1750-1770 1610-1750 结晶硅砖 硬粘土砖 耐火度/oC 产品耐火度/oC 产品 表2-1 一些常见的耐火度使用过的耐火原料和制品* * 2.1.() (1) 孔隙率的定义 孔隙率是指耐火材料中所含孔隙的体积占耐火材料比例的百分比耐火材料中的孔隙可分为：(1)封闭孔隙，封闭在材料内部不与外界连通，不能被流体填充（见图2-1)@ >;(2) 开气孔，一端封闭，另一端对外开放，可以充满流体；(3) 通气孔，两侧贯通材料的，可以通过流体。通常开放的气孔是和通孔的统称误以为毛孔粗大。图2-1 耐火材料中孔隙型耐火材料的孔隙率，通常有三种表示方法，即（1)开孔率Pa（又称表观气孔率，），即开孔体积的百分比（ （包括通孔）耐火材料总体积；（2)闭孔率Pc（·），即闭孔体积占耐火材料总体积的百分比；（3)总孔隙率，Pt（又称真孔隙率，total ），是总孔隙率占耐火材料总体积的百分比。

以上三种孔隙度用数学公式表示：总孔隙度(2-1)开孔隙度(2-2)闭孔隙度(2-3)(2)表示孔隙率法 图2-2 耐火材料性能与孔隙率的关系 1-抗热震性；2-线膨胀系数；3-体积密度；4-导热系数；5-抗压强度 孔隙率之间的关系为：（2 -4) 耐火材料开孔率的测量原理是根据阿基米德定律测量开孔率，致密耐火材料开孔率的测量方法是先称量测试材料的干质量然后将样品放入液体中抽真空，使液体被样品充分饱和。在液体中时，样品的饱和质量与去除液体的质量之差）。开孔率的计算公式为如下：中Pa——折射层的表观孔隙率ry 材料，%； m1——干样质量，g； m2——饱和样品的表观质量，g； m3——空气中饱和样品的质量，g。 (1)密度的定义密度是指一种物质的质量与其体积的比值，通常以g/cm3表示。当被测体积含有不同类型的孔隙时，密度可分为容重(体积，缩写为Db）、表观密度（ ，缩写为Da）和真密度（true ，缩写为dt）。

(2)密度的表示方法①体积密度：指物质的质量(M)与其所含物质的实际体积的总体积(Vb)之比和总和所有孔体积的比值，即2.1.2密度()(2-6)Db——材料的体积密度，g/cm3；M——样品的质量，g /cm3；Vt——样品中物质的实际体积，cm3；Vo——样品中开孔的体积，cm3；Vc——样品中闭孔的体积，cm3。物质与其实际体积的比值，即(2-8)式(2-6)-(2-8))) ②表观密度：指物质的质量与材料实际体积与闭孔体积之和，即（2-7)（3)密度的测定方法①体积密度：致密的体积密度的测定方法）耐火材料与开孔率的测定方法类似。中国标准（GB/T29） 97-1982)及国际标准（）的规定，容重计算方法如下：（2-9)式中Db-试样容重，g/cm3； m1——干样质量，g； m2——饱和样品的表观质量，g； m3——空气中饱和样品的质量，g； D1——试验温度下浸液的密度，g。 （2-10)②真密度：按照中国标准（GB/T5071-1997)和国际标准（））规定，对于耐火材料的真密度，经过破碎和研磨后的材料达到颗粒中尽可能不存在封闭气孔的程度，用测量样品将其干燥。质量和真实体积确定真实密度。

计算公式如下： 式中，Dt——试样的真密度，g/cm3； m1——干燥样品的质量，g； m2——比重瓶与样品和所选液体的质量，g； m3——含有所选液体的比重瓶的质量，g； D1 - 所选液体在测试温度下的密度，g/cm3。 ③ 理论密度：mi和ρi——分别为材料中所含第i个矿相的质量和理论密度（2-11)（4)孔隙率与密度的关系（2-1 2) (2-13) (2-14) 2.1.3 吸水率(水) 吸水率是指耐火材料中所有开口的比例孔隙充满水时吸水量与干样质量之比，以百分比表示，即式中Wa——吸水率，%； m1——干样质量，g； m3——饱和试样在空气中的质量，g。吸水率通常用于鉴定耐火原料生产中熟料的煅烧质量。生料煅烧得越好，吸水率越低。一般来说，熟料的吸水率应小于5%。(2 -15) 2.1.4 r 一定的压力差。透气率计算公式如下： (2 -16) 式中，K——材料的透气率，μm2； η——试验温度下气体的动力粘度，Pa·s ；h——试样高度，mm；Q——气体体积流量，L/min ；p1——气体进入试样端的压力，N/mm2；p2——气体溢出试样的压力末端，N/mm2。

2.1.5 孔径分布（孔径） 孔径分布是指各种孔径的孔隙（指开孔）占耐火材料总孔隙体积的百分比. D——平均孔径，μm； D——一定压力对应的孔径，μm； ——开孔的总体积，cm3； dV——孔容微分值，cm3。 (2-17) 2.2 耐火材料的热性能和电导率 耐火材料的热性能主要是指比热容、热导率和热膨胀等。这些性能是衡量耐火制品是否能适应比热 工艺的重要依据是工业窑炉设计的基础数据。耐火材料的热性能与原料成分、制造工艺、显微组织和晶相结构密切相关。2.2.1 比热容（热）（2-18) 式中Cp和C0-分别代表温度t和0℃时的定压比热容，kJ/(kg·℃ );a,b,c-实验测量t-温度,℃ 图2-3 耐火材料平均比热容与温度的关系 1—粘土砖；2—镁砖；3—硅砖；4—硅线石砖；5—白云石砖；6—铬砖2.<@k 0@>2 热膨胀 ( ) 热膨胀是指材料的尺寸随着温度的升高（或降低）而增大（或减小）的性质。

耐火材料的热膨胀是耐火材料在使用时的重要性能之一。窑是在常温下建造的，高温使用时炉体膨胀。为了抵消热膨胀引起的应力，需要预留伸缩缝，并且必须根据耐火材料的热膨胀情况和砌体结构制定正确的烘烤制度。热膨胀的测定方法 耐火材料的热膨胀有两种表示方法，即线膨胀系数和线膨胀系数。它们是计算预留伸缩缝结构设计和砌体整体尺寸的关键参数。 ①线膨胀率：指试样长度从室温到试验温度的相对变化率。各温度区间试样从室温到试验温度的线膨胀率计算如下： 式中，ρ——试样的线膨胀率，%； L0——室温下试样的长度，mm； Lt——试样加热至试验温度t的长度，mm； Ak(t) - 温度 t 时仪器的校正系数，mm。 (2-19)试样从室温到试验温度的线膨胀系数计算如下： ②线膨胀系数：(2-20) 式中，α-线膨胀系数试样的系数，10-6℃-1；ρ0-试样的线膨胀率，%；t0-室温，℃；t-试验温度，℃ 图2-4 常用耐火材料的热膨胀曲线1 -镁砖；2-硅砖；3-铬镁砖；4-半硅砖；5-粘土砖；6-高铝砖；与产品的生产工艺无关。

一般来说，由晶体制成的材料与晶体中化学键的性质和强度有关。在由共价键向离子键发展的过程中，离子键增加，其膨胀也增加。具有较大键强度的晶体和非各向同性晶体在更强键的方向上具有较低的热膨胀系数。例如，碳化硅具有较高的结合强度，因此热膨胀系数较低。层状结构的石墨具有很强的垂直于C轴的原子间夹层，线膨胀系数极低，仅为1×10-6/℃；而平行于C轴的层间分子键较小，具有线膨胀系数。高达27×10-6/℃。因此，所有由高度各向异性晶体组成的多晶都具有非常小的膨胀系数，例如堇青石和铝板钛矿多晶是具有低热膨胀系数的材料。氧离子密排结构的氧化物晶体通常具有较高的热膨胀性。如MgO、BeO、Al2O3、等均具有离子密排结构，因此均具有较高的热膨胀性。网状结构的玻璃制品一般膨胀系数很低。例如石英玻璃是由硅氧四面体组成的网状结构，正负离子间的键强，所以膨胀系数最小，只有0.54×10 -6/℃。但是，当玻璃中含有能破坏网络的碱金属氧化物时，玻璃的膨胀系数会增加，并且随着加入的正离子与氧离子的结合强度降低而增加。反之，如果加入能参与网络结构的氧化物重新连接破碎的硅氧网络，例如在一定含量范围内，加入B2O3、Al2O3、Ga2O3等，随着添加量的增加。增加可以降低热膨胀系数。

如果玻璃中含有强键的离子，如Zr2+、Zr4+、Th4+等，它们处于网络间隙中，它们会聚集周围的硅氧四面体，增加结构的致密性，同时也降低膨胀系数。 2.2.3 热导率 ( ) 耐火材料的热导率，即其传递热量的能力，通常用热导率来表示。热导率是指能量传递过程中，在单位时间和单位温度梯度下通过单位面积的热量。 The of is: (2-21) In the - of ; W/m ℃q - heat flux ; dT/dx - . 1 - brick; 2 - Brick; 3— brick ( SiC70%); 4— turn; 5— brick ( SiC50%); 6— brick; 7— oxide brick; 8— brick; 9— ( α-%); 10— brick; 11— brick; 12— brick; 13— brick; 14—dense clay brick; 15—clay brick 2-5 of When the a glass phase, due to the of the , the of is large, so the is lower than that of the . When the pores, the of the gas is than that of the gas. are small, so with the of , the of the . This is the basic for the low of .

2.2.4 ( ) The of , as . The and can be by the : where ρ- of the , Ω-1·cm-1; T- , K; A, B- to . (2-22)The of is by its , and . For , for , and , most are It is a poor of . , as the , the and the , above 1000 ° C, the . If to a state, it will show a high . The of on the of with the of , and the . , in some with low , pores can the . This is the of along the of the pores is more It is ( to ). also have a great on , which as a that the glass phase at the . 2.3 of The of the refer to the of the to and when it is under load. When the is under load, it will be . The size of this , the load , is first and until .

to the on the , such as , , shear , , or force, etc., the of the is into , , shear , and , etc. By the of under , it is of great to the of to , to grasp the of , and to and high- . This the main of , , , creep, and wear . 2.3.1 (cold, as CCS) The to the that the unit area of ??the can at room , and N/mm2 is MPa (MPa) ) to , that is: (2-23)The test is to load a of a size with a at a rate at until the . Then to The load and the area of ??the under load were used to its .*