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耐火材料的各个性能

2020-05-12 15:13:15 浏览次数:
1、 耐磨性是耐火材料抵抗坚硬物料或气体(含有固体物料)摩擦、磨损(研磨、摩擦、撞击等)的能力,可用来预测耐火材料在磨损及冲刷环境中的适用性。通常用经过一定研磨条件和研磨时间研磨后材料的体积损失或质量损失来表示。耐火材料的耐磨性取决于其矿物组成、组织结构和材料颗粒结合的牢固性,及本身的密度、强度。因此,生产时骨料的硬度,泥料的粒度组成,材料的烧结程度等工艺因素均对材料的耐磨性有影响。常温耐压强度高,气孔率低,组织结构致密均匀,烧结良好的材料总是有良好的常温耐磨性。
2、 耐火度是指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔融和软化的性能。耐火度的意义不同于熔点,熔点是纯物质的结晶相与其液相处于平衡状态下的温度。由于耐火材料一般是由多种矿物组成的多相固体混合物,其熔融是在一定的范围内进行的。耐火材料的化学组成、矿物组成及各相分布,结合状况对其耐火度有决定性的影响。各种杂质成分特别是有强熔剂作用的杂质成分,会严重降低材料的耐火度。因此,提高原料纯度、严格控制杂质含量是提高材料耐火度的一项非常重要的工艺措施。由于耐火材料在实际使用中,除受高温作用外,还受到各种荷载的作用及各种侵蚀介质的侵蚀,服役环境复杂,所以耐火度不能作为耐火材料使用温度的上限。耐火度是判定材料能否作为耐火材料使用的依据。国际标准化组织规定耐火度达到1500℃以上的无机非金属材料即为耐火材料。
3、 影响耐火材料荷重软化温度的工艺因素是原料纯度、配料的组成及制品的烧成温度。因此,通过提高原料的纯度以减少低熔物或熔剂的含量(如减少黏土砖中的Na2O,硅砖中的Al2O3,镁砖中的SIO2和CaO),配料时添加某种成分以优化制品的结合相,调整颗粒级配及增加成型压力以提高砖坯密度,适当提高烧成温度及延长保温时间以提高材料的烧结程度及促进各晶相晶体长大和良好结合,可以显著提高制品的荷重软化温度。
4、 耐火材料的荷重软化温度是指材料在承受恒定压负荷并以一定升温速率加热条件下产生变形的温度。它表示了耐火材料同时抵抗高温和荷重两方面作用的能力,在一定程度上表明制品在其使用条件相仿情况下的结构强度。影响耐火材料荷重软化温度的内在因素是材料的化学、矿物组成和显著结构,具体包括以下几点:(1)构成材料的主晶相、次晶相及基质的种类与特性,各物相间的结合情况。若晶相和基质的高温性能好,耐高温结晶相形成网络骨架,结合紧密,材料的荷重软化温度就越高。
(2)晶相和基质的数量,高温下材料内形成液相的数量及黏度。材料内晶相多,高温下形成液相的数量少、黏度大,材料的荷重软化温度就越高。
(3)晶相与液相的相互作用情况。通常,耐火材料的荷重软化温度与其气孔率有着较明显的关系,一般致密、气孔率低的材料开始变形温度较高。
5、抗侵蚀性是指耐火材料在高温下抵抗各种侵蚀介质侵蚀和冲蚀作用的能力。这些侵蚀介质包括各种炉渣(高炉、电炉、转炉、精炼炉、有色金属冶炼炉、煅烧炉、反应炉)、燃料、灰分、飞尘、铁屑、石灰、水泥孰料、氧化铝熟料、垃圾、液态熔融金属、玻璃溶液、酸碱、电解质液、各种气态物质(煤气、CO、硫、锌及碱蒸气)等。抗侵蚀性是衡量耐火材料抗化学侵蚀和机械磨损的一项非常重要的指标,对于制定正确的生产工艺,合理选用耐火材料具有重要的意义。影响耐火材料抗侵蚀性的因素有内在的和外在的。内在因素主要包括:耐火材料的化学、矿物组成,耐火材料的组织结构与其他性能等;外在的有:侵蚀介质的性质,使用条件(温度、压力等)以及侵蚀介质与耐火材料在使用条件下的相互作用。
6、(1)耐火材料的化学、矿物组成。不同化学组成的材料其抗侵蚀性不同,酸性耐火材料对酸性侵蚀介质有较好的抗侵蚀性,而碱性耐火材料抵抗酸性侵蚀介质侵蚀的能力就很弱。耐火材料是多相聚集体,由于主晶相和基质组成。主晶相的耐火度高、晶粒大、晶界少,抗侵蚀性相对好一些;若基质中杂质含量高,则易于形成液相,若形成的液相黏度低,对材料的抗侵蚀性不利。
(2)耐火材料的组织结构。主要指耐火材料中各物相的分布与结合情况以及气孔的数量、大小、形状及分布状况等。
(3)耐火材料的其他性能。耐火材料的体积密度、显气孔率、抗热震性、抗氧化性、高温体积稳定性等对其抗侵蚀性影响很大。体积密度高、气孔率低的致密材料相对疏松的材料有较好的抗侵蚀性;抗热震性差的材料收到热冲击的时候,会出现裂纹或开裂剥落,从而使侵蚀介质进入材料内部,导致其抗侵蚀性降低;抗氧化性差的 含碳耐火材料,表面氧化后形成脱碳层,结构疏松易脱落,使抗侵蚀性降低;高温体积稳定性差的材料,一般也会使其抗侵蚀性变差。
(4)侵蚀介质的影响。主要指侵蚀介质的化学组成、酸碱性、黏度、介质的温度、流动速度(静态还是动态),压力和气氛(对气态侵蚀介质,氧化性、还原性等)等。
(5)耐火材料与侵蚀介质的相互作用。耐火材料与侵蚀介质发生反应形成高熔点或高黏度物相,有利于降低对材料的侵蚀。
(6)使用条件的影响。主要包括温度高低及波动情况、压力、气氛、接触时间及面积等。温度高,波动大,压力大或真空,气氛侵蚀性强,接触时间长、面积大,对材料的侵蚀就越严重。
7、(1)提高原料的纯度,改善制品的化学矿物组成,尽量减少低熔物及杂质的含量;
(2)注意耐火材料的选材,尽量选用与侵蚀介质的化学组成相近的耐火材料;另外,耐火材料在使用中,还应该注意到所用材料之间化学特性应相近,防止或减轻在高温条件下所用材料之间的界面损毁反应。
(3)选择适宜的生产方法,获得具有致密而均匀的组织结构的制品。由于侵蚀介质的多样性和复杂性,因此研究耐火材料抗侵蚀性的实验方法也应该不同。这里仅介绍抗渣性、抗酸、抗碱、抗玻璃溶液侵蚀、抗CO侵蚀性等的实验方法。
8、硅质原料分为结晶硅石和胶结硅石,主要化学成分为SiO2,是典型的酸性耐火原料。纯硅质材料的熔点为1713℃。硅质材料包括硅酸盐类化合物,是构成地壳的主要成分。结晶硅石外观一般呈乳白色、灰白色、淡黄色以及红褐色,具有鲜艳的光泽,其断面平滑连续,并带有锐利棱角,硬度、强度都较大。胶结硅石外观有白色、灰白色、黄灰色、黑色、红色等,断面致密,呈贝壳状,没有明显的粒状组织结构,断面的锐棱不明显,几乎没有光泽。硅质材料主要应用于陶瓷、玻璃、水泥以及耐火材料等工业领域。因其在无机非金属材料行业使用的广泛性,故统称这一行业为硅酸盐工业。用于耐火材料工业的硅质原料主要为石英石、硅砂、硅藻土、熔融石英以及无定形的硅灰等。
9、硅石的分类法有很多,可以按制砖工艺、结构致密度、晶型转化速度、热膨胀程度和用途等进行分类。
(1)按制砖工艺可以分为胶结硅石和结晶硅石两类。
(2)按晶型转化速度,又可以分为快速转化的硅石、中速转化的硅石、慢速转化的硅石以及急慢速转化的硅石。
(3)按结构致密度分为极致密(气孔率小于1.2%),致密(气孔率1.2%~1.4%),比较多孔(气孔率4.0%~10.0%),多孔(气孔率大于10.0%)的硅石。
(4)按热膨胀程度又分为低热(小于1150℃)稳定,中热(1150~1225℃)稳定,高热(大于1225℃)稳定的硅石。
(5)按用途分为耐火材料用硅石和铁合金用硅石。
10、SiO2微粉又称为烟尘硅、硅微粉或硅灰,是生产耐火材料尤其是不定形耐火材料的关键原料。陶瓷和耐火材料工业所用的SiO2微粉主要是微米级的。SiO2微粉的品种很多,其中性能最佳、应用最广的为铁合金厂和单晶鞋厂生产中除尘而得的副产品。在电弧炉内,石英约于2000℃下被碳还原成单硅质,同时也产生了SiO气体,随烟气逸出炉外。SiO气体遇到空气时被氧化成SiO2,即凝聚成非常微小且具有活性的SiO2微粒,经收尘装置收集得到SiO2微粉。SiO2微粉由气相SiO气体氧化后沉淀而成,属于无定形SiO2(非晶体),结晶SiO2的含量很少,一般小于1%。SiO2微粉颗粒极细,平均粒径约为0.15μm,比表面积为15~30㎡/g,具有极高的反应活性。国外有专业厂家生产的专供不定形耐火材料使用的高品质SiO2微粉。
11、黏土(Clay)是由直径小于1~2μm的多种含水铝硅酸盐矿物组成的混合体,其特性是在湿态和细粉状态下具有可塑性,干燥后变硬和在一定温度下加热玻化。主要化学组成是Al2O3和SiO2两种氧化物。当Al2O3/SiO2值愈接近高岭石矿物的理论值0.85时,说明此类黏土的纯度越高。Al2O3/SiO2值愈大,黏土的耐火度就愈高,黏土的烧结范围也就愈宽;其值愈小,则相反。黏土的耐火度高,意味着Al2O3含量高,杂质含量尤其是所含碱性氧化物少时,烧结范围也愈宽。通常,耐火黏土要求耐火度大于1580℃。耐火黏土按可塑性可分为硬质黏土和软质黏土。硬质黏土可塑性差,多属于原生黏土;软质黏土因其颗粒细,分散度大,故可塑性大,多属于次生黏土。
12、软质黏土又称为结合黏土,主要用作结合剂或增塑剂。软质黏土又分为两种:一是可塑性黏土或软质黏土;二是弱可塑性黏土或半软质黏土。软质黏土一般是由高岭石组成的,其化学式为Al2O3*2SiO2*2H2O,理论组成中Al2O339.5%、SiO246.5%、H2O14%。实际的软质黏土中杂质含量较高,致使其外观颜色变化较大,有灰色、深灰色和黑色,也有白色、灰白色、淡红色和米黄色。软质黏土的矿物组成因产地不同而不同,其主要矿物一般为高岭石或无序高岭石、多水高岭石和白云母等,少量或微量的石英、蒙脱石、伊利石、云母或多水高岭石等。其中,蒙脱石具有颗粒微细、吸水性强、离子交换能力大、可塑性好和干燥强度大等优点,但烧结后收缩也较大;伊利石具有可塑性差、干燥强度低、烧后收缩小等特点;因此,软质黏土中含有微量的蒙脱石和伊利石,有利于黏土的分散和烧结。
13、硬质黏土属于沉积矿床。由于水、风等外力作用,常使次生黏土渐次重叠成层状,在长期地压和地热作用下被压实,一部分又成为板岩或页岩状的黏土,这即为硬质黏土。其外观颜色一般呈灰白色、灰色至深灰色,易风化碎裂成碎块。硬质黏土颗粒极细,在水中不易分散,可塑性较低,真密度波动于2.62~2.65g/cm3之间煅烧后呈白色或接近白色,并夹杂有淡黄色。其主要化学组成为Al2O3和SiO2,主要矿物组成为高岭石。Al2O3和SiO2含量的波动范围较小,接近于高岭石的理论组成,即Al2O3 39.48%SiO246.60%,H2O 13.92%杂质含量低。通常所含的杂质为Fe2O3、TiO2、K2O、Na2O、CaO、MgO以及FeS等。
14、硬质黏土按不同杂质含量分为低铁质、高铁质、高钛质、高碱质和高硫质等。其中,低铁硬质黏土为优质原料,常用以制作高炉砖和玻璃窑大砖;高铁硬质黏土(Fe2O3大于3.5%),因Fe2O3较高降低了原料的耐火性能和抗侵蚀性,并影响外观质量。高钛硬质黏土(TiO2大于4.5%)中因含有少量钛矿物而降低烧结温度,利于烧结,而TiO2高将严重影响其高温荷重性能;高碱硬质黏土(K2O+Na2O大于1%)在原料煅烧过程中产生的玻璃相会显著降低烧结温度,缩小烧结范围,当烧成时,过烧出现瓷化,欠烧则产生过大的残余收缩;高硫硬质黏土,因大多以黄铁矿、白铁矿球状集中存在,煅烧后会使制品出现熔洞、鼓泡现象,因此宜采用粉碎成球煅烧工艺。

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