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衡量耐火材料性能的技術指標都有哪些?

發布日期: 2020-12-11 10:57:46    閱讀量(130)    作者:

耐火材料應在一定的高溫操作條件下,能長期使用而不損壞。一般以下述幾個技術指標來衡量其性能。

(一)耐火度

當耐火材料在足夠的高溫作用下,將逐漸發生軟化,并熔融成某種粘性的液體。因而,耐火度即指一種耐火材料抵抗高溫而不產生熔化的溫度。它是表現耐火材料性能的主要方面之一。

耐火度系用規定尺寸和形狀的試樣,以一定的加熱速度來測定的。這種標準試樣是高為30毫米的三角錐體,下底為8毫米,上邊為2毫米。在高溫的影響下,試樣逐漸軟化,并根據生成溶體后粘性的降低,在其本身重量的作用下,向底部傾斜。把試樣頂點降低到其底平面時的溫度,作為耐火材料的假定“熔化”溫度。試樣的加熱速度可以影響這種“熔化”溫度,因此須遵守一定的加熱速度。

試樣溫度的測定,系與處于同樣加溫條件下的標準測溫錐來比較的。這種“測溫錐”是用高嶺土、鋁氧和石英的混合材料做成的,在低溫錐內還加入易熔物。這樣就組成不同彎倒溫度的測溫錐。

目前一般公認的耐火磚,其耐火度都應在1580℃以上。

(二)高溫下的結構強度

耐火制品的高溫結構強度,一般采用耐火材料在每平方厘米2公斤靜止負荷作用下所引起的一定數量變形的溫度來表示。按變形數量又分為開始變形溫度變形為4%~10%,和終了變形溫度變形20%~40%。

耐火材料的荷重軟化溫度,主要取決于天然耐火物的化學一礦物性質(也就是某些結晶相的存在)、制品磚塊結晶構造的特性、結晶與玻璃相(無晶形)間的比例以及玻璃相在一定溫度下的粘性。而制品的一般可見的顆粒組織情況對它也有一定影響。較密致的和較堅實的制品具有較高的開始軟化點。另外增加易熔物的數量也將降低耐火材料的變形溫度。變形溫度的降低數量,主要取決于易熔物的化學成份及其配比。影響最大的是能增加液相數量并減低其粘性的氧化物,這種氧化物對粘土磚是Na2O,對硅磚是Al2O3。但用作礦化劑的并能增加和改善磚塊結晶化的氧化物,則可促使軟化溫度的提高。

工業窯爐垂直墻上的實際負荷,遠比檢驗時所采取的每平方厘米2公斤的負荷為低。只有在特殊的情況下,才達到每平方公分0.5~1.0公斤。而且當襯磚的一面加熱時,其負荷的重量為砌體較冷的一面所承擔。而支柱與拱頂部份則影響較大。在大多數情況下,熔渣、燃料灰、礦粉、氣體等是損害耐火磚的主要因素。由于這些東西的作用,可以改變耐火磚的化學一礦物成份,顯著降低它的結構強度。

在焦爐上砌體的受熱條件與其他工業爐不同,整個爐體由將近10米高的耐火砌體構成,自重甚大。砌體又系兩面受熱,并經常遭受機械磨擦。因此,需要保持較低的操作溫度,必須嚴格地遵守加熱制度,以保持爐磚的壽命。

(三)高溫下的體積固定性

當耐火磚長期在高溫情況下存留時,將會引起一些殘存的相成份和組織的繼續變化,產生重結晶和燒結現象。這些化學變化的出現,引起耐火制品體積的改變。這些非可逆性的尺寸變化,叫做耐火材料的殘存膨脹或收縮。

這些殘存膨脹或收縮是由于耐火制品的燒成不足所引起的。因此,在足夠的燒成溫度和燒成時間下,可使耐火材料達到最高的體積固定性。但是磚塊在過高的溫度下燒成時,可能引起磚的變形及其組織的玻璃化。因磚的變形而造成大量廢品,而組織的玻璃化將降低其溫度急變的抵抗性。

當殘存收縮過大時,將引起砌體磚縫的開裂,破壞砌體的嚴密性,結果導致砌體結構的松裂和破壞。

殘存膨脹為害較少。但過大時也將引起砌體的腫脹,使其幾何形狀和均勻分布的應力遭到破壞。

耐火材料的殘存收縮和膨脹,系采用在一定溫度下將其重復鍛燒的方法來測定。每組和每種制品的檢定溫度,系根據對此種制品的要求和使用條件來決定,對各種狀態的粘土質和半硅質耐火材料,取為1250~1450℃,對硅磚則為1450℃。測定鍛燒前與鍛燒后的體積變化,換算成線收縮,以百分率來表示。各種耐火材料的殘存收縮或膨脹的準許數字,取決于其使用性質,一般都不應超過0.5~1.0.。

(四)溫度急變抵抗性

在間歇操作的工業窯爐內,由于加熱溫度發生變化,或在連續操作的設備內,由于溫度的波動,都會使耐火制品產生裂紋甚至產生與加熱面平行的磚片剝落情況。耐火制品抵抗溫度反復波動而不損壞的性能稱為溫度急變的抵抗性。

這種崩裂的原因,是由于加熱溫度變化后在制品的內部由溫度差而產生的應力所致。它跟耐火制品的熱膨脹性能和導熱性有直接關系。

采用計算方法來測定溫度急變抵抗性是很復雜和不易完全的。因而一般都采用直接測定方法,這種方法是將標準尺寸的耐火制品的一端放在電爐內急驟加熱到850$,然后在流動的水中冷卻。按照OCT-3267的標準方法,以剝落部份達到最初總重20%以前所能耐住的急冷急熱次數來表明耐火材料的溫度急變抵抗性。

這樣的測定方法,顯然是同工業窯爐的操作條件不一致的。但由于試驗時間的限制,一般都采用這種方法來檢驗。表1列出各種耐火制品的溫度急變抵抗性指標。

表1各種耐火材料的溫度急變抵抗性

另外還有一些其他的試驗方法,從這些試驗的結果,可以提供某種耐火材料在這方面的性能,而在選擇焦爐各個部位使用的耐火材料時,應將其作為重要條件之一來考慮。

(五)某些物理性能主要的物理性能有下列幾種:

1.熱膨脹:

耐火制品跟所有的物理物體相同——加熱后產生膨脹,冷卻后即行收縮。這種膨脹屬于可逆性的物理變化,與前述的“殘存膨脹”不同。前者的膨脹是由于相成份和組織變化所引起的一種非可逆性的變化,而熱膨脹則取決于該材料的化學一礦物成份,而磚塊的組織性質、密度和強度等都無影響。

耐火材料的熱膨脹可用下式表明:

評定耐火材料的性質不僅要考慮其膨脹系數的大小,而且還考慮在整個膨脹過程中的均衡性。特別是在要求砌體結構密實、壽命長、而且是采取硅磚砌成的焦爐中,熱膨脹就顯得更為重要了。

2.熱傳導性:

耐火制品的熱傳導性系數以導熱系數“來表示。其單位可用技術單位——千卡/米?小時?度,或物理單位——毫卡/厘米?秒?度來計算。

導熱系數λ值隨加熱溫度的提高而增大。如在室溫下硅磚的λ值為1千卡/米?小時?度左右,在1000~1200℃時則增大至1.5千卡/米?小時?度。粘土磚的數值也發生相似的變化。但對于某些具有結晶組織的耐火制品,在溫度提高時,λ值反而縮小。例如鎂磚在室溫下λ值為4~5,千卡/米?小時?度,而在1000℃時降為2~3千卡/米?小時?度。碳化硅磚尤為顯著。

導熱性隨耐火制品氣孔率的提高而降低。例如體積比重1.95的密致粘土磚,其λ值為0.9千卡/米?小時?度,但體積比重增至2.2時,λ值提高為1.10千卡/米?小時?度。

熱傳導性對于砌筑焦爐炭化室加熱墻來說,是個非常重要的技術指標。

3.熱容量:

熱容量以千卡/公斤,度來表示。在計算焦爐蓄熱室格子磚和爐墻磚的含熱量時很有用,它能表示砌體自廢氣中吸存熱量的能力。

(六)磚塊組織的密度指標

耐火制品的顆粒組織密實程度和機械強度,是表明耐火材料性能的另一個重要方面。組織密度和強度的提高,即表示這種耐火制品能夠承受較為惡劣的生產操作條件而不致損壞。

1.密度:

耐火制品的密度以如下幾個數值來表明:吸水率、體積密度、顯氣孔率和真氣孔率。體積密度和顯氣孔率是評定各種耐火材料的重要指標。

同一種磚型,尤其在同一工廠,用同一原料按規定程序來制造的,其產品體積密度的波動是不大的,因而常常可按體積重量數值來判斷耐火制品的燒成、原料的質量或其他制作工序是否良好。

體積重量系材料的單位體積重量,其中包括空隙,以克/厘米3表示,用從磚上打下的小磚塊,在水內飽和后用靜水秤量法來測量。

在煮沸后被磚塊吸入的水量叫做吸水率,以磚塊干時重量的百分數來表示。

磚塊被沸騰的水所占據的體積與磚塊的整個體積之比,稱為顯氣孔率。如以水的比重為1.0,則顯氣孔率即為吸入水的重量除以磚塊體積所得的結果(以百分數表示)。

真氣孔率即所有空隙的總和——包括沸水能滲入的和密閉的氣孔,與其比重的比值,以百分數表示,其求法如下:

材料單位體積(不包括空隙)的重量叫做真比重。

2.透氣性:

當耐火制品的兩側與不同壓力的氣體接觸時,氣體將由壓力較大的一側,經耐火制品中的氣孔流往壓力較小的一側。耐火制品的這種性能,就叫做透氣性,它隨耐火磚塊氣孔率的降低而縮小。除此以外,透氣性還取決于孔隙的大小及其相互間的聯系。因而透氣性除能表示氣孔量以外,還能表明孔隙的性質。

在焦爐的砌體中,大部份都處于不同壓力的氣流下,如蓄熱室墻、炭化室墻等。為了保證這些砌體在生產時的嚴密,應當要求耐火磚具有最小的透氣性。

3.耐壓強度:

在大部份的工業窯爐和焦爐上,耐火制品所承受的負荷都不大,一般不超過1~2公斤/平方厘米。而實際上,大部份耐火制品的耐壓強度都在250~350公斤/平方厘米之間或者更高。所以,制品的耐壓強度決不是為了抵抗爐墻上所產生的靜止負荷。高的耐壓強度主要是表示成型料的加工質量、磚塊組織均勻性及其燒成良好程度等項的主要指標。某些強度較高的制品,常常必須具有高的燒成溫度,以便在其中完成重結晶、磚塊燒結、減少殘存收縮過程等。為了抵抗摩擦、沖擊和其他機械作用,也需要較高的耐壓強度。

耐壓強度補充氣孔率而成為檢查產品組織均勻性和操作過程正確性的可靠指標。因此,每種耐火制品都必須進行耐壓強度的檢驗。

根據專門的試驗確定:大部份耐火制品的強度是隨著溫度的提高而增加的,在1000℃~1100℃時到達最高的強度。這個最高數值可能為常溫下所得數值的200~300%。但隨著溫度的提高而又顯著地降低。

(七)化學——礦物性質

磚塊的化學和相成份以及結晶的組織特征等,決定著耐火制品的各種性質。而耐火制品的物理性能在一定程度上,也受到化學-礦物性質的限制。耐火制品在高溫下的結構強度、燒成時的體積固定性及抗渣固定性等,在很大程度上也受化學-礦物性質的影響,

(八)外形尺寸的正確性

根據某些損壞的工業窯爐來看,耐火砌體的磚縫一般都是損壞的開始地點。因而,質量良好的砌體應保證磚縫的寬度和均勻程度,特別在焦爐耐火砌體上更為重要,而保持磚縫的正確良好又依靠耐火磚的外形尺寸的正確性。

保持制品的正確形狀和尺寸,尤其是單重較大的異型制品是非常困難的,因為從耐火制品成型時開始,一直到最后燒成為止,在這整個生產過程中,都伴隨著收縮和膨脹。而影響收縮和脹膨數值的因數又是很多的。例如:原料成份配此、顆粒級配、潤濕程度、分布均勻程度、壓制壓力及燒成溫度等等,這些都將影響到制品外形尺寸的正確性。

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