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  • 耐火材料的组成与性质

    作者:admin发表时间:2022-04-13

      耐火材料指的是物理和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(CB/T 18930—2002)。一般是指耐火度不低于 1580℃的无机非金属材料或制品。耐火材料有一个标志性指标——耐火度,指的是耐火材料在无荷重的条件下抵抗高温而不熔化的特性。也可以理解为在高温作用下,耐火材料达到特定软化程度时的温度。它是一种材料抵抗高温作用的指标,可以作为窑炉在高温下使用的基本保证。耐火材料在使用过程中,除了受到高温(一般为 1000 ~1800℃)作用外,还要受到物理、化学、机械等方面的作用,如:高温下承受炉体及物料的荷重;操作过程中的外界应力;由于温度的急剧变化、受热不均而出现的极大温差以及由此而产生的内应力;各种高温流体及炉渣、烟尘的冲刷;液态金属、炉渣及杂质元素的侵蚀,环境气氛的转变及作用等。因此,选用耐火材料除了考虑耐火度以外,还需要考虑耐火材料全面抵抗上述作用的性质,使耐火材料能够尽可能在各种操作条件下适用。

      耐火材料因材质、外形、制造方法及使用对象复杂,如不进行合理的划分将不利于(或不便于)进行研究、生产和选用,因此,有必要对耐火材料进行科学分类。通常按耐火材料的共性和特性进行划分,也可以按照材料的化学、矿物组成进行分类,还可以按照材料的制备方法、材料的形状尺寸及材料的应用等来分类。我们仅介绍耐火材料的主要分类方法。

      耐火材料在使用过程中除承受高温作用外,往往伴随着熔渣(液态)及气体的化学侵蚀。为了保证耐火材料在使用中有足够的抗侵蚀能力,选用的耐火材料的化学属性应与侵蚀介质的化学属性相同或接近。按化学属性分类对于了解耐火材料的化学性质,判断耐火材料在实际使用过程中与接触物之间的化学作用具有重要意义。耐火材料按化学属性可分为酸性耐火材料、中性耐火材料及碱性耐火材料。

      通常是指以 SiO,为主成分的耐火材料。在高温下易与碱性耐火材料、碱性渣、含碱化合物或高铝质耐火材料起化学反应。一般为硅质耐火材料(酸性最大)、黏土质耐火材料(弱酸性)及半硅质耐火材料(酸性居于以上两者之间)。也有将锆英石质耐火材料和碳化硅质耐火材料归入酸性耐火材料的,因为此类材料中含有较高的 SiO,或在高温状态下能转变为 SiO,。酸性耐火材料对酸性介质的侵蚀具有较强的抵抗能力。

      在高温下与酸性耐火材料、碱性耐火材料、酸性或碱性渣或熔剂不发生明显化学反应的耐火材料称为中性耐火材料。按严格意义讲是指碳质耐火材料。通常也将以三价氧化物为主体的高铝质、刚玉质、锆刚玉质、铬质耐火材料归人中性耐火材料。因为此类材料含有较多的两性氧化物如 Al,0,、Cr,O,等。此类耐火材料在高温状况下对酸、碱性介质的化学侵蚀都具有一定的稳定性,尤其对弱酸、弱碱的侵蚀具有较好的抵抗能力。

      碱性耐火材料是指在高温下易与酸性耐火材料、酸性渣、酸性熔剂或高铝质耐火材料起化学反应的耐火材料。一般是指以 MgO、CaO 或以 MgO·Ca0 为主要成分的耐火材料,如镁质、石灰质、镁铬质、镁硅质、白云石质耐火材料。镁质、石灰质、白云石质耐火材料为强碱性耐火材料;镁铬质、镁硅质及尖晶石质耐火材料为弱碱性耐火材料。这类耐火材料的耐火度都比较高,对碱性介质的化学侵蚀具有较强的抵抗能力。

      此种分类法能够很直接地表征各种耐火材料的基本组成和特性,在生产、使用、科研上是常见的分类法,具有较强的实际应用意义。

      以SiO,为主要成分的耐火材料通常称为硅质耐火材料,主要包括硅砖及熔融石英制品。二氧化硅含量(质量分数)不小于 93%,以天然石英岩为主要原料的耐火材料为硅石耐火材料。硅砖以硅石为主要原料生产,其 SiO。含量(质量分数)一般不小于 85%而小于93%,主要矿物组成为鳞石英和方石英,主要用于焦炉和玻璃窑炉等热工设备的构筑。熔融石英制品以熔融石英为主要原料生产,其主要矿物组成为石英玻璃,由于石英豉璃的膨胀系数很小,因此熔融石英制品具有优良的抗热冲击能力。如熔融石英质浸入式水口用于炼钢连铸中,具有较好的使用效果。

      以Si02-AI2O3,系矿物为主要原料的耐火材料,为硅酸铝质耐火材料。依据 AL2O3含量的不同,可将硅酸铝质耐火材料划分为不同的种类,

      镁质耐火材料是指以镁砂为主要原料,以方镁石为主晶相,MgO 含量(质量分数)大于80%的碱性耐火材料。通常依其化学组成不同分为:

      (3)镁铬质制品。w(MgO)60%,w(CrQ,)一般在 20%以下,主要矿物成分为方镁石和铬尖晶石。

      (4)橄榄石质及镁硅质制品。此种镁质材料中除含有主成分 Mg0 外,第二化学成分为 Si0,。镁橄榄石砖比镁硅砖含有更多的 Si0,,前者的主要矿物成分为镁橄榄石和方镁石,后者的主要矿物为方镁石和镁橄榄石。

      (5)镁钙质制品。此种镁质材料中含有一定量的 CaO,主要矿物成分除方镁石外还含有一定量的硅酸二钙(2CaO·SiO,)。

      以天然白云石为主要原料生产的碱性耐火材料称为白云石质耐火材料。主要化学成分为30%~42%的 MgO 和40%~60%的 Ca0,二者之和一般应大于90%。其主要矿物成分为方镁石和方钙石(氧化钙)。

      含碳耐火材料,又称碳复合耐火材料,是指以不同形态的炭素材料与耐火氧化物复合生产的耐火材料。含碳耐火材料主要包括镁碳材料、镁铝碳材料、铝碳材料、铝碳化硅碳材料等。

      含锆耐火材料是指以氧化锆(ZrO_)、锆英石等含锆材料为原料生产的耐火材料。含锆耐火材料制品通常包括锆英石制品、锆莫来石制品、锆刚玉制品等。

      上述分类所不能包括的材料,此类材料除其化学组成比较特殊,不宜归类到上述类别中外,通常它们还具有各自的较为突出的特点,如优良的热震稳定性、抗渣性等,这些特点往往用于特定的使用条件。特种耐火材料制品又可分为如下品种:

      (2)纯氧化物制品。纯氧化物制品包括氧化铝制品、氧化锆制品、氧化钙制品等。

      (3)非氧化物制品。非氧化物制品包括碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化锆、硼化钛、赛隆(SiAION)、阿隆(AION)、镁阿隆(MgAION)制品等。

      (1)按耐火材料供给形态可分为定形耐火材料和不定形耐火材料。定形耐火材料指具有固定形状的耐火制品,分为致密定形制品与保温定形制品两类,前者为总气孔率小于45%的制品,后者为总气孔率大于 45%的制品。包括标型砖、异型砖、特异型砖,以及实验室和工业用坩埚、管、器皿及其他形状复杂的制品等。不定形耐火材料是指由骨料(颗粒)、细粉与结合剂及添加物组成的混合料,以散状为交货状态直接使用,或者加入一种或多种不影响耐火材料使用性能的合适液体后使用的耐火材料。在某些不定形耐火材料中还可以加入少量金属、有机或无机纤维材料。不定形耐火材料的品种很多,主要有浇注料、可塑料、捣打料、干式料、喷射料、接缝料、挤压料、涂料、炮泥、泥浆等。具体内容将在不定形耐火材料一章中进行讨论。应该说明的是,所谓定形与不定形耐火材料是相对的。由不定形耐火材料浇注或模塑成一定形状并经预处理而得到的预制块是以定形制品的形式供货的,但它的整个生产工艺与不定形耐火材料相同,因此,也可将它归入不定形耐火材料中。

      (2)按耐火度,可分为普通耐火制品(1580~1770℃)、高级耐火制品(1770~2000℃)、特级耐火制品(2000℃)、超级耐火制品(3000℃)。

      (4)依据形状及尺寸的不同,可分为标普型:230mm × 113mm × 65mm,不多于4 个量尺,Max:Min 4 :1 (尺寸比);异型:不多于 2 个凹角,Max:Min 6:1(尺寸比),或有一个 50°~70°的锐角;特异型 Max:Min 8 :1 (尺寸比),或不多于 4 个凹角,或有一个30°~50°的锐角等。对耐火材料而言,其使用条件比较复杂,与金属材料、高分子材料及其他陶瓷材料相比,其组成也相对复杂,是一种多相非均质材料,给研究工作带来许多困难。近年来,由于材料科学以及研究方法与设备的进步,对耐火材料的显微结构、组成以及其与耐火材料的性质的关系有了更多的认识。

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