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耐火材料的各個性能

2020-05-12 15:13:15 瀏覽次數:
1、 耐磨性是耐火材料抵抗堅硬物料或氣體(含有固體物料)摩擦、磨損(研磨、摩擦、撞擊等)的能力,可用來預測耐火材料在磨損及沖刷環境中的適用性。通常用經過一定研磨條件和研磨時間研磨后材料的體積損失或質量損失來表示。耐火材料的耐磨性取決于其礦物組成、組織結構和材料顆粒結合的牢固性,及本身的密度、強度。因此,生產時骨料的硬度,泥料的粒度組成,材料的燒結程度等工藝因素均對材料的耐磨性有影響。常溫耐壓強度高,氣孔率低,組織結構致密均勻,燒結良好的材料總是有良好的常溫耐磨性。
2、 耐火度是指耐火材料在無荷重時抵抗高溫作用而不熔融和軟化的性能。耐火度的意義不同于熔點,熔點是純物質的結晶相與其液相處于平衡狀態下的溫度。由于耐火材料一般是由多種礦物組成的多相固體混合物,其熔融是在一定的范圍內進行的。耐火材料的化學組成、礦物組成及各相分布,結合狀況對其耐火度有決定性的影響。各種雜質成分特別是有強熔劑作用的雜質成分,會嚴重降低材料的耐火度。因此,提高原料純度、嚴格控制雜質含量是提高材料耐火度的一項非常重要的工藝措施。由于耐火材料在實際使用中,除受高溫作用外,還受到各種荷載的作用及各種侵蝕介質的侵蝕,服役環境復雜,所以耐火度不能作為耐火材料使用溫度的上限。耐火度是判定材料能否作為耐火材料使用的依據。國際標準化組織規定耐火度達到1500℃以上的無機非金屬材料即為耐火材料。
3、 影響耐火材料荷重軟化溫度的工藝因素是原料純度、配料的組成及制品的燒成溫度。因此,通過提高原料的純度以減少低熔物或熔劑的含量(如減少黏土磚中的Na2O,硅磚中的Al2O3,鎂磚中的SIO2和CaO),配料時添加某種成分以優化制品的結合相,調整顆粒級配及增加成型壓力以提高磚坯密度,適當提高燒成溫度及延長保溫時間以提高材料的燒結程度及促進各晶相晶體長大和良好結合,可以顯著提高制品的荷重軟化溫度。
4、 耐火材料的荷重軟化溫度是指材料在承受恒定壓負荷并以一定升溫速率加熱條件下產生變形的溫度。它表示了耐火材料同時抵抗高溫和荷重兩方面作用的能力,在一定程度上表明制品在其使用條件相仿情況下的結構強度。影響耐火材料荷重軟化溫度的內在因素是材料的化學、礦物組成和顯著結構,具體包括以下幾點:(1)構成材料的主晶相、次晶相及基質的種類與特性,各物相間的結合情況。若晶相和基質的高溫性能好,耐高溫結晶相形成網絡骨架,結合緊密,材料的荷重軟化溫度就越高。
(2)晶相和基質的數量,高溫下材料內形成液相的數量及黏度。材料內晶相多,高溫下形成液相的數量少、黏度大,材料的荷重軟化溫度就越高。
(3)晶相與液相的相互作用情況。通常,耐火材料的荷重軟化溫度與其氣孔率有著較明顯的關系,一般致密、氣孔率低的材料開始變形溫度較高。
5、抗侵蝕性是指耐火材料在高溫下抵抗各種侵蝕介質侵蝕和沖蝕作用的能力。這些侵蝕介質包括各種爐渣(高爐、電爐、轉爐、精煉爐、有色金屬冶煉爐、煅燒爐、反應爐)、燃料、灰分、飛塵、鐵屑、石灰、水泥孰料、氧化鋁熟料、垃圾、液態熔融金屬、玻璃溶液、酸堿、電解質液、各種氣態物質(煤氣、CO、硫、鋅及堿蒸氣)等。抗侵蝕性是衡量耐火材料抗化學侵蝕和機械磨損的一項非常重要的指標,對于制定正確的生產工藝,合理選用耐火材料具有重要的意義。影響耐火材料抗侵蝕性的因素有內在的和外在的。內在因素主要包括:耐火材料的化學、礦物組成,耐火材料的組織結構與其他性能等;外在的有:侵蝕介質的性質,使用條件(溫度、壓力等)以及侵蝕介質與耐火材料在使用條件下的相互作用。
6、(1)耐火材料的化學、礦物組成。不同化學組成的材料其抗侵蝕性不同,酸性耐火材料對酸性侵蝕介質有較好的抗侵蝕性,而堿性耐火材料抵抗酸性侵蝕介質侵蝕的能力就很弱。耐火材料是多相聚集體,由于主晶相和基質組成。主晶相的耐火度高、晶粒大、晶界少,抗侵蝕性相對好一些;若基質中雜質含量高,則易于形成液相,若形成的液相黏度低,對材料的抗侵蝕性不利。
(2)耐火材料的組織結構。主要指耐火材料中各物相的分布與結合情況以及氣孔的數量、大小、形狀及分布狀況等。
(3)耐火材料的其他性能。耐火材料的體積密度、顯氣孔率、抗熱震性、抗氧化性、高溫體積穩定性等對其抗侵蝕性影響很大。體積密度高、氣孔率低的致密材料相對疏松的材料有較好的抗侵蝕性;抗熱震性差的材料收到熱沖擊的時候,會出現裂紋或開裂剝落,從而使侵蝕介質進入材料內部,導致其抗侵蝕性降低;抗氧化性差的 含碳耐火材料,表面氧化后形成脫碳層,結構疏松易脫落,使抗侵蝕性降低;高溫體積穩定性差的材料,一般也會使其抗侵蝕性變差。
(4)侵蝕介質的影響。主要指侵蝕介質的化學組成、酸堿性、黏度、介質的溫度、流動速度(靜態還是動態),壓力和氣氛(對氣態侵蝕介質,氧化性、還原性等)等。
(5)耐火材料與侵蝕介質的相互作用。耐火材料與侵蝕介質發生反應形成高熔點或高黏度物相,有利于降低對材料的侵蝕。
(6)使用條件的影響。主要包括溫度高低及波動情況、壓力、氣氛、接觸時間及面積等。溫度高,波動大,壓力大或真空,氣氛侵蝕性強,接觸時間長、面積大,對材料的侵蝕就越嚴重。
7、(1)提高原料的純度,改善制品的化學礦物組成,盡量減少低熔物及雜質的含量;
(2)注意耐火材料的選材,盡量選用與侵蝕介質的化學組成相近的耐火材料;另外,耐火材料在使用中,還應該注意到所用材料之間化學特性應相近,防止或減輕在高溫條件下所用材料之間的界面損毀反應。
(3)選擇適宜的生產方法,獲得具有致密而均勻的組織結構的制品。由于侵蝕介質的多樣性和復雜性,因此研究耐火材料抗侵蝕性的實驗方法也應該不同。這里僅介紹抗渣性、抗酸、抗堿、抗玻璃溶液侵蝕、抗CO侵蝕性等的實驗方法。
8、硅質原料分為結晶硅石和膠結硅石,主要化學成分為SiO2,是典型的酸性耐火原料。純硅質材料的熔點為1713℃。硅質材料包括硅酸鹽類化合物,是構成地殼的主要成分。結晶硅石外觀一般呈乳白色、灰白色、淡黃色以及紅褐色,具有鮮艷的光澤,其斷面平滑連續,并帶有銳利棱角,硬度、強度都較大。膠結硅石外觀有白色、灰白色、黃灰色、黑色、紅色等,斷面致密,呈貝殼狀,沒有明顯的粒狀組織結構,斷面的銳棱不明顯,幾乎沒有光澤。硅質材料主要應用于陶瓷、玻璃、水泥以及耐火材料等工業領域。因其在無機非金屬材料行業使用的廣泛性,故統稱這一行業為硅酸鹽工業。用于耐火材料工業的硅質原料主要為石英石、硅砂、硅藻土、熔融石英以及無定形的硅灰等。
9、硅石的分類法有很多,可以按制磚工藝、結構致密度、晶型轉化速度、熱膨脹程度和用途等進行分類。
(1)按制磚工藝可以分為膠結硅石和結晶硅石兩類。
(2)按晶型轉化速度,又可以分為快速轉化的硅石、中速轉化的硅石、慢速轉化的硅石以及急慢速轉化的硅石。
(3)按結構致密度分為極致密(氣孔率小于1.2%),致密(氣孔率1.2%~1.4%),比較多孔(氣孔率4.0%~10.0%),多孔(氣孔率大于10.0%)的硅石。
(4)按熱膨脹程度又分為低熱(小于1150℃)穩定,中熱(1150~1225℃)穩定,高熱(大于1225℃)穩定的硅石。
(5)按用途分為耐火材料用硅石和鐵合金用硅石。
10、SiO2微粉又稱為煙塵硅、硅微粉或硅灰,是生產耐火材料尤其是不定形耐火材料的關鍵原料。陶瓷和耐火材料工業所用的SiO2微粉主要是微米級的。SiO2微粉的品種很多,其中性能最佳、應用最廣的為鐵合金廠和單晶鞋廠生產中除塵而得的副產品。在電弧爐內,石英約于2000℃下被碳還原成單硅質,同時也產生了SiO氣體,隨煙氣逸出爐外。SiO氣體遇到空氣時被氧化成SiO2,即凝聚成非常微小且具有活性的SiO2微粒,經收塵裝置收集得到SiO2微粉。SiO2微粉由氣相SiO氣體氧化后沉淀而成,屬于無定形SiO2(非晶體),結晶SiO2的含量很少,一般小于1%。SiO2微粉顆粒極細,平均粒徑約為0.15μm,比表面積為15~30㎡/g,具有極高的反應活性。國外有專業廠家生產的專供不定形耐火材料使用的高品質SiO2微粉。
11、黏土(Clay)是由直徑小于1~2μm的多種含水鋁硅酸鹽礦物組成的混合體,其特性是在濕態和細粉狀態下具有可塑性,干燥后變硬和在一定溫度下加熱玻化。主要化學組成是Al2O3和SiO2兩種氧化物。當Al2O3/SiO2值愈接近高嶺石礦物的理論值0.85時,說明此類黏土的純度越高。Al2O3/SiO2值愈大,黏土的耐火度就愈高,黏土的燒結范圍也就愈寬;其值愈小,則相反。黏土的耐火度高,意味著Al2O3含量高,雜質含量尤其是所含堿性氧化物少時,燒結范圍也愈寬。通常,耐火黏土要求耐火度大于1580℃。耐火黏土按可塑性可分為硬質黏土和軟質黏土。硬質黏土可塑性差,多屬于原生黏土;軟質黏土因其顆粒細,分散度大,故可塑性大,多屬于次生黏土。
12、軟質黏土又稱為結合黏土,主要用作結合劑或增塑劑。軟質黏土又分為兩種:一是可塑性黏土或軟質黏土;二是弱可塑性黏土或半軟質黏土。軟質黏土一般是由高嶺石組成的,其化學式為Al2O3*2SiO2*2H2O,理論組成中Al2O339.5%、SiO246.5%、H2O14%。實際的軟質黏土中雜質含量較高,致使其外觀顏色變化較大,有灰色、深灰色和黑色,也有白色、灰白色、淡紅色和米黃色。軟質黏土的礦物組成因產地不同而不同,其主要礦物一般為高嶺石或無序高嶺石、多水高嶺石和白云母等,少量或微量的石英、蒙脫石、伊利石、云母或多水高嶺石等。其中,蒙脫石具有顆粒微細、吸水性強、離子交換能力大、可塑性好和干燥強度大等優點,但燒結后收縮也較大;伊利石具有可塑性差、干燥強度低、燒后收縮小等特點;因此,軟質黏土中含有微量的蒙脫石和伊利石,有利于黏土的分散和燒結。
13、硬質黏土屬于沉積礦床。由于水、風等外力作用,常使次生黏土漸次重疊成層狀,在長期地壓和地熱作用下被壓實,一部分又成為板巖或頁巖狀的黏土,這即為硬質黏土。其外觀顏色一般呈灰白色、灰色至深灰色,易風化碎裂成碎塊。硬質黏土顆粒極細,在水中不易分散,可塑性較低,真密度波動于2.62~2.65g/cm3之間煅燒后呈白色或接近白色,并夾雜有淡黃色。其主要化學組成為Al2O3和SiO2,主要礦物組成為高嶺石。Al2O3和SiO2含量的波動范圍較小,接近于高嶺石的理論組成,即Al2O3 39.48%SiO246.60%,H2O 13.92%雜質含量低。通常所含的雜質為Fe2O3、TiO2、K2O、Na2O、CaO、MgO以及FeS等。
14、硬質黏土按不同雜質含量分為低鐵質、高鐵質、高鈦質、高堿質和高硫質等。其中,低鐵硬質黏土為優質原料,常用以制作高爐磚和玻璃窯大磚;高鐵硬質黏土(Fe2O3大于3.5%),因Fe2O3較高降低了原料的耐火性能和抗侵蝕性,并影響外觀質量。高鈦硬質黏土(TiO2大于4.5%)中因含有少量鈦礦物而降低燒結溫度,利于燒結,而TiO2高將嚴重影響其高溫荷重性能;高堿硬質黏土(K2O+Na2O大于1%)在原料煅燒過程中產生的玻璃相會顯著降低燒結溫度,縮小燒結范圍,當燒成時,過燒出現瓷化,欠燒則產生過大的殘余收縮;高硫硬質黏土,因大多以黃鐵礦、白鐵礦球狀集中存在,煅燒后會使制品出現熔洞、鼓泡現象,因此宜采用粉碎成球煅燒工藝。

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