1.2　耐火材料的性能

1.2.1　結(jié)構(gòu)性能

本書只表述耐火材料的宏觀結(jié)構(gòu)性能，它包括氣孔率、吸水率、體積密度和透氣度等，是影響耐火材料使用性能的重要因素。這些性能之間是相互關(guān)聯(lián)的，耐火材料中的氣孔率直接決定它的吸水率、體積密度和透氣度等性能指標(biāo)。

1.2.1.1　氣孔率

氣孔是影響耐火制品常溫與高溫性能的重要因素，特別是在高溫條件下，它會(huì)使制品對(duì)外界侵蝕的抵抗能力大大降低。形成氣孔的原因有：制品成型時(shí)物料中的空氣未完全排出；物料水分排出后留下的空間；原料煅燒不充分，有些應(yīng)分解的鹽類未完全分解，應(yīng)灼燒的成分未完全灼燒；物料成分不均勻，高溫?zé)蓵r(shí)收縮不均勻等。但在有些輕質(zhì)隔熱制品中，還需特意引入一些分布較均勻的氣孔。

耐火材料中的氣孔大致分為三類（見圖1-4）：（1）閉口氣孔，封閉在制品中不與外界相通；（2）開口氣孔，一端封閉，另一端與外界相通，能被流體填充；（3）貫通氣孔，貫通制品的兩面，流體能通過。

由于開口氣孔和貫通氣孔占總氣孔體積的絕大部分，而且對(duì)制品的使用性能影響最大，又較易測(cè)定，因此在耐火制品的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，以顯氣孔率P a，即開口氣孔和貫通氣孔的體積之和占制品總體積的百分率來表示氣孔率指標(biāo)。

氣孔率是耐火材料的基本技術(shù)指標(biāo)，它幾乎影響耐火制品的所有性能，尤其是強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、抗侵蝕性、抗熱震性等。一般來說，氣孔率增加，強(qiáng)度降低，熱導(dǎo)率降低，抗侵蝕性降低。但氣孔率對(duì)抗熱震性的影響比較復(fù)雜。

耐火材料的氣孔率受所用原料、工藝條件等多種因素的影響。一般來說，選用致密的原料，按照最緊密堆積原理來采用合理的顆粒級(jí)配，選用合適的結(jié)合劑，物料混煉充分，高壓成型，提高燒成溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間均有利于降低材料的氣孔率。

顯氣孔率的測(cè)定方法為：使用50～200cm3的立方體或圓柱體試樣，先稱干燥試樣的質(zhì)量，然后讓試樣在容器中抽真空，再加入液體充分飽和試樣，稱量飽和試樣在空氣中的質(zhì)量和飽和試樣的表觀質(zhì)量（飽和試樣完全淹沒在液體中，飽和試樣的質(zhì)量減去完全被排出液體的質(zhì)量）。計(jì)算顯氣孔率的公式為：

　?。?-1）

式中，Pa為耐火制品的顯氣孔率， %；m1為干燥試樣的質(zhì)量，g；m2為飽和試樣的表觀質(zhì)量，g；m3為飽和試樣在空氣中的質(zhì)量，g。

1.2.1.2　吸水率

吸水率是制品中全部開口氣孔所吸收的水的質(zhì)量與其干燥試樣的質(zhì)量之比。它實(shí)質(zhì)上反映了耐火材料中開口氣孔的數(shù)量。由于吸水率測(cè)定方法簡(jiǎn)便，在耐火材料生產(chǎn)實(shí)際中常常用來鑒定原料煅燒的質(zhì)量。原料煅燒的越好，吸水率越低。

吸水率的測(cè)定方法與顯氣孔率的測(cè)定方法相同，計(jì)算公式為：

　?。?-2）

式中，Wa為吸水率， %；m1為干燥試樣的質(zhì)量，g；m3為飽和試樣在空氣中的質(zhì)量，g。

1.2.1.3　體積密度

體積密度是指耐火材料的干燥質(zhì)量與其總體積之比，單位為g·cm-3。體積密度直觀地反映了耐火制品的致密程度，它是耐火原料、致密耐火制品質(zhì)量水平的重要衡量指標(biāo)。但在輕質(zhì)隔熱制品的生產(chǎn)中，為降低熱容和熱導(dǎo)率，常采用各種手段降低制品的體積密度。

耐火材料的體積密度對(duì)其他許多性質(zhì)都有顯著的影響，如氣孔率、強(qiáng)度、抗侵蝕性、荷重軟化溫度、耐磨性和抗熱震性等。對(duì)于輕質(zhì)隔熱耐火材料，如隔熱磚、輕質(zhì)澆注料等，體積密度與其導(dǎo)熱性和熱容量也有密切的關(guān)系。一般來說，體積密度越高，對(duì)耐火材料的強(qiáng)度、抗侵蝕性、耐磨性、荷重軟化溫度越有利。

耐火材料的體積密度受所用原料、生產(chǎn)工藝等因素的影響，控制所用原料的體積密度、壓制磚坯的壓力和燒成制度，均能有效地控制最終制品的體積密度。

對(duì)于致密定形耐火制品來說，體積密度和顯氣孔率是同時(shí)測(cè)定的，計(jì)算公式為：

　　（1-3）

式中，ρb為耐火材料的體積密度，g·cm-3；ρL為在試驗(yàn)溫度下，浸漬液體的密度，g·cm-3；m1為干燥試樣的質(zhì)量，g；m2為飽和試樣的表觀質(zhì)量，g；m3為飽和試樣在空氣中的質(zhì)量，g。

對(duì)于定形隔熱耐火制品來說，直接測(cè)量試樣的質(zhì)量和尺寸，體積密度按下式計(jì)算：

　　（1-4）

式中，ρb為定形隔熱耐火制品的體積密度，g·cm-3；m為干燥試樣的質(zhì)量，g；Vb為試樣的總體積，cm。

1.2.1.4　真密度

真密度是指多孔體材料的質(zhì)量與其真體積之比。真體積是指多孔體中固體材料的體積。它可以反映材質(zhì)成分的純度以及晶型轉(zhuǎn)變的程度、比例等，由此可以推知在使用中可能發(fā)生的變化。

真密度的測(cè)定方法為：將試樣磨細(xì)到盡可能無封閉氣孔存在的粉末試樣，稱量比重瓶的質(zhì)量和裝有試樣的比重瓶的質(zhì)量，兩者之差即為干燥試樣的質(zhì)量。選用蒸餾水或已知密度的液體裝滿裝有試樣的比重瓶，稱量其質(zhì)量。選用同一液體裝滿已倒空試樣和洗凈的同一比重瓶，稱量質(zhì)量。真密度的計(jì)算公式為：

　　（1-5）

式中，ρ為試樣的真密度，g·cm-3；ρ L為所選用液體在試驗(yàn)溫度下的密度，g·cm-3；m1為干燥試樣的質(zhì)量，g；m2為裝有試樣和比重瓶的質(zhì)量，g；m3為裝有選用液體的比重瓶的質(zhì)量，g。

1.2.1.5　透氣度

透氣度是指耐火制品允許氣體在壓差下通過的性能。透氣度與貫通氣孔的數(shù)量、大小、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)，并隨著制品成型時(shí)的加壓方向而異。

制品的透氣度高，提高了具有侵蝕性流體的通過能力，極大地加快了砌體的侵蝕速率，縮短了砌體的使用壽命。另外，透氣度高也使熱工窯爐的熱損失增大，因此在一般情況下，希望制品的透氣度越小越好。

耐火材料的透氣度直接受生產(chǎn)工藝的影響，通過控制顆粒級(jí)配、成型壓力和燒成制度可控制材料的透氣度。

對(duì)于致密定形耐火制品的透氣度的測(cè)定方法為：檢測(cè)在三個(gè)不同的壓差下，干燥空氣或氮?dú)饬鬟^規(guī)定尺寸試樣兩端面的流量，計(jì)算公式為：

　?。?-6）

式中，μ為試樣的透氣度，m2；η為試驗(yàn)溫度下氣體的動(dòng)力黏度，Pa·s；h為試樣的高度，mm；d為試樣的直徑，mm；Q為氣體的體積流量，L·min-1；Δp為試樣兩端氣體的壓差，Pa，Δp=p1-p2；p1，p2分別為氣體進(jìn)入試樣端和逸出試樣端的絕對(duì)壓力，Pa。

1.2.2　力學(xué)性能

耐火材料的力學(xué)性能是指制品在多種條件作用下的強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)，該指標(biāo)表征制品抵抗因外力作用而產(chǎn)生的各種應(yīng)力變形而不被破壞的能力。無論是在常溫或是在使用條件下，耐火材料都會(huì)因受到各種外界作用力如壓縮力、拉伸力、彎曲力、剪切力、摩擦力或撞擊力的作用而變形乃至破壞，因此檢驗(yàn)不同溫度條件下的耐火材料的力學(xué)性質(zhì)，對(duì)于了解它抵抗破壞的能力，探討它的損壞機(jī)理，尋求提高制品質(zhì)量的途徑、辦法具有極其重要的意義。

1.2.2.1　耐壓強(qiáng)度

耐壓強(qiáng)度是指耐火材料在一定的溫度下單位面積所能承受而不被破壞的極限載荷。耐火材料的耐壓強(qiáng)度分為常溫耐壓強(qiáng)度和高溫耐壓強(qiáng)度。它是衡量耐火材料質(zhì)量的重要性能指標(biāo)之一，間接地反映出制品的組織結(jié)構(gòu)，如致密度、均勻性和燒結(jié)性等。

耐火材料的常溫耐壓強(qiáng)度是指在室溫下，耐火制品試樣單位面積上所能承受而不被破壞的極限載荷。耐火材料的常溫耐壓強(qiáng)度對(duì)于該制品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用性能均有極大的影響，而且在多數(shù)情況下，也直接影響到使用壽命，由此我們希望制品達(dá)到較高的耐壓強(qiáng)度值。

耐火材料的高溫耐壓強(qiáng)度是指耐火材料在指定的高溫條件下，規(guī)定尺寸的立方體試樣單位面積上所能承受而不被破壞的極限載荷。耐火材料的高溫耐壓強(qiáng)度決定了該制品的使用范圍，它是耐火材料選擇的重要依據(jù)之一。對(duì)于不燒耐火制品和不定形耐火材料來說，由于在材料中加入了一定數(shù)量的結(jié)合劑或外加劑，其結(jié)合方式和強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而產(chǎn)生變化，因此其高溫耐壓強(qiáng)度具有更為重要的意義。

在室溫下測(cè)得的耐壓強(qiáng)度為材料的常溫耐壓強(qiáng)度。將試樣按規(guī)定的速率升溫到指定的溫度，保溫一定時(shí)間后測(cè)定的耐壓強(qiáng)度為該溫度下的高溫耐壓強(qiáng)度。耐壓強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

　?。?-7）

式中，S為耐火制品試樣的耐壓強(qiáng)度，MPa；P為試樣破碎時(shí)的最大載荷，N；A為試樣的面積，mm2。

1.2.2.2　抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度是指具有一定尺寸的耐火材料條形試樣，在三點(diǎn)彎曲裝置上所能承受的最大彎曲應(yīng)力，又稱抗彎強(qiáng)度。耐火材料的抗折強(qiáng)度亦分為常溫抗折強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度。常溫抗折強(qiáng)度是指在室溫下，規(guī)定尺寸的長(zhǎng)方體試樣在三點(diǎn)彎曲裝置上受彎時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。一般說來，常溫耐壓強(qiáng)度較高的樣品其常溫抗折強(qiáng)度也較好。其計(jì)算公式為：

　?。?-8）

式中，Rr為耐火材料的常溫抗折強(qiáng)度，MPa；F為試樣斷裂時(shí)的最大載荷，N；L為下刀口間的距離，mm；b為試樣中部的寬度，mm；h為試樣中部的高度，mm。

耐火材料高溫抗折強(qiáng)度（Re）是指耐火制品在規(guī)定的高溫條件下，規(guī)定尺寸的長(zhǎng)方體試樣在三點(diǎn)彎曲裝置上受彎時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。計(jì)算公式同式（1-8）。

高溫抗折強(qiáng)度高的制品，在高溫使用條件下，對(duì)于物料的沖擊、磨損、液態(tài)渣的沖刷等，均具有較好的抵抗能力。

1.2.2.3　耐磨性

耐磨性是指耐火材料抵抗堅(jiān)硬的物體或氣流的摩擦、磨損、沖刷的能力。耐火材料的耐磨性取決于其礦物組成、組織結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)合的牢固性以及材料本身的密度、強(qiáng)度等。

常溫耐磨性用磨損體積來表示，其測(cè)試方法為：將磨損介質(zhì)垂直噴吹到試樣表面上，測(cè)量試樣的磨損體積。按下式計(jì)算磨損量：

　?。?-9）

式中，A為磨損量，cm3；ρ b為試樣的體積密度，g·cm-3；m1，m2分別為試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量，g。

1.2.3　熱學(xué)性能

由于耐火材料經(jīng)常在加熱情況下使用，因此耐火材料的熱學(xué)性能也是其性能的重要方面。耐火材料的熱學(xué)性能主要包括熱容、熱膨脹性和導(dǎo)熱性。

1.2.3.1　熱容

熱容是指溫度升高1K時(shí)材料所吸收的熱量，比熱容是單位質(zhì)量的材料溫度升高1K所吸收的熱量。在不同的溫度下，材料的熱容是不同的，在溫度T時(shí)材料的恒壓熱容C p可以表示為：

　　（1-10）

工程上通常使用平均熱容，它是指將材料從T0溫度加熱到T1溫度所吸收熱量的平均值：

　　（1-11）

式中，Q為試樣溫度由T0加熱到T1所吸收的熱量，J；m為試樣的質(zhì)量，g；T0，T1為試樣加熱前后的溫度，K。

耐火材料的熱容指標(biāo)，在設(shè)計(jì)和控制爐體升溫、冷卻，特別是計(jì)算蓄熱能力時(shí)具有重要意義。

1.2.3.2　熱膨脹性

耐火材料的熱膨脹性是指制品在加熱過程中長(zhǎng)度或體積隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象。耐火材料在使用的過程中常伴有巨大的溫度變化，隨之而來的長(zhǎng)度和體積的變化，會(huì)嚴(yán)重影響熱工設(shè)備砌體的尺寸，甚至導(dǎo)致砌體破壞。此外，耐火材料的熱膨脹情況還能反映出受熱后的熱應(yīng)力分布和大小，晶型轉(zhuǎn)變及相變，微裂紋的產(chǎn)生及抗熱震穩(wěn)定性等。

熱膨脹的表示方法有線膨脹率和線膨脹系數(shù)兩種，也可以用體積膨脹率和體積膨脹系數(shù)來表示。線膨脹率ρ是指由室溫到試驗(yàn)溫度之間試樣長(zhǎng)度的相對(duì)變化率（%）。線膨脹系數(shù)α是指由室溫到試驗(yàn)溫度之間，每升高1K，試樣長(zhǎng)度的相對(duì)變化率，單位為1×10-6K-1。相應(yīng)地，體積膨脹用體積膨脹率（）和體積膨脹系數(shù)β來表示，。若線膨脹系數(shù)很小，則體積膨脹系數(shù)約等于線膨脹系數(shù)的3倍，即β=3α。

熱膨脹系數(shù)實(shí)際上并不是一個(gè)恒定值，它隨著溫度的變化而變化，通常所說的熱膨脹系數(shù)都是指在一定的溫度范圍內(nèi)的平均值。

耐火材料熱膨脹性的測(cè)試方法有兩種，頂桿法和望遠(yuǎn)鏡法。其基本原理是以規(guī)定的升溫速率將試樣加熱到指定試驗(yàn)溫度，測(cè)量隨溫度的升高試樣溫度的變化值，計(jì)算出隨溫度升高試樣的線膨脹率和指定溫度范圍內(nèi)的平均線膨脹系數(shù)。

（1）頂桿法。試樣由室溫至試驗(yàn)溫度各溫度間隔的線膨脹率按下式計(jì)算：

　　（1-12）

式中，L0為試樣在室溫時(shí)的長(zhǎng)度，mm；L T為試樣在試驗(yàn)溫度T時(shí)的長(zhǎng)度，mm；Ak為在試驗(yàn)溫度T時(shí)儀器的校正值，mm。

試樣由室溫至試驗(yàn)溫度線膨脹系數(shù)的計(jì)算公式為：

　?。?-13）

式中，ρ為試樣的線膨脹率；T0為室溫；T為試驗(yàn)溫度。

（2）望遠(yuǎn)鏡法。望遠(yuǎn)鏡直讀法是用望遠(yuǎn)鏡直接觀察爐內(nèi)高溫下試樣的膨脹值。試樣由室溫至試驗(yàn)溫度的線膨脹率按下式計(jì)算：

　?。?-14）

式中，L0為試樣在室溫時(shí)的長(zhǎng)度，mm；L T為試樣在試驗(yàn)溫度T時(shí)刻時(shí)的長(zhǎng)度，mm；，分別為試驗(yàn)溫度T時(shí)，左右鏡筒中觀測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)度變化，mm。

1.2.3.3　導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱性的衡量指標(biāo)為材料的熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率（或?qū)嵯禂?shù)）是指在單位溫度梯度下，通過材料單位面積的熱流速率。它是表征材料導(dǎo)熱特性的一個(gè)物理量，它與材料的種類、組織結(jié)構(gòu)及使用溫度等因素有關(guān)，可以表示為：

　?。?-15）

式中，λ為熱導(dǎo)率，W·（m·K）-1；q為單位時(shí)間內(nèi)的熱流密度，W·m-2；?T/?x為溫度梯度，K·m-1。

材料熱導(dǎo)率的測(cè)定方法分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩種。在穩(wěn)態(tài)法測(cè)試中，待測(cè)試樣處于一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)中，測(cè)定試樣通過單位面積上的熱流密度、試樣在熱流方向上的溫度梯度及試樣的幾何尺寸，然后根據(jù)式（1-16）來計(jì)算材料的熱導(dǎo)率。最常用的為平板熱導(dǎo)法，平板法測(cè)定耐火材料熱導(dǎo)率的計(jì)算公式為：

　　（1-16）

式中，λ為熱導(dǎo)率，W·（m·K）-1；Q為通過的熱量，J；δ為試樣的厚度，m；F為有效面積，m2；T1為試樣冷表面的溫度，K；T2為試樣熱表面的溫度，K；t為傳熱時(shí)間，min。

穩(wěn)態(tài)法是經(jīng)典方法，但它的缺點(diǎn)是測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、影響因素多。非穩(wěn)態(tài)法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)便、快速。耐火材料熱導(dǎo)率測(cè)定中采用非穩(wěn)態(tài)法中的十字熱線法。利用熱線法（非穩(wěn)態(tài)法）測(cè)定耐火材料的熱導(dǎo)率的表達(dá)式為：

　　（1-17）

式中，λ為熱導(dǎo)率，W·（m·K）-1；I為加熱電流，A；V為熱線兩端的電壓，V；L為熱線長(zhǎng)度，m；t1，t2為加熱電流接通后測(cè)量的時(shí)間，min，T1，T2為熱線在t1，t2時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度， ℃。

熱導(dǎo)率是耐火材料最重要的熱物理性能之一，是在熱工設(shè)備的設(shè)計(jì)中不可缺少的重要數(shù)據(jù)，也是選用耐火材料很重要的一個(gè)參考因素。

1.2.3.4　溫度傳導(dǎo)性

溫度傳導(dǎo)性是材料在加熱或冷卻的過程中，各部分溫度傾向一致的能力，即溫度的傳遞能力。溫度傳導(dǎo)性用熱擴(kuò)散率來表示：

　　（1-18）

式中，α為熱擴(kuò)散率，m2·s-1；λ為熱導(dǎo)率，W·（m·K）-1；ρ為材料的表觀密度，g·cm-3；C p為耐火材料的恒壓熱容，J·（g·K）-1。

耐火材料的α值越高，則在相同的外部加熱或冷卻條件下，材料內(nèi)部的溫度傳播速度越快，各處的溫差也就越小，因此它決定材料急冷急熱時(shí)內(nèi)部溫度梯度的大小。α是非穩(wěn)態(tài)傳熱過程熱分析、計(jì)算的重要參數(shù)。間歇式窯爐爐墻溫度分布和蓄熱量計(jì)算、隧道窯的窯車蓄熱量計(jì)算都用到耐火材料的熱擴(kuò)散率。熱擴(kuò)散率的測(cè)量采用非穩(wěn)態(tài)法，常用的是激光脈沖法。

1.2.4　使用性能

耐火材料的使用性能是指耐火材料在高溫下使用時(shí)所具有的性能。包括耐火度、荷重軟化溫度、高溫蠕變性、體積穩(wěn)定性、抗熱震性、抗侵蝕性等。

1.2.4.1　耐火度

耐火度指耐火材料在無荷重時(shí)抵抗高溫作用而不熔融和軟化的性能。耐火度的意義與熔點(diǎn)不同。熔點(diǎn)是指純物質(zhì)的結(jié)晶相與其液相處于平衡狀態(tài)下的溫度。而一般耐火材料是由多種礦物組成的多相固體混合物，無統(tǒng)一的熔點(diǎn)，而是在一定溫度下開始產(chǎn)生液相，隨溫度升高液相比例不斷增大，到某一固定溫度時(shí)固相才能全部熔融為液相，在這兩個(gè)固定溫度之間的一段溫度范圍內(nèi)，都是液固兩相同時(shí)存在。

決定耐火度的基本因素是材料的化學(xué)礦物組成及其分布情況。各種雜質(zhì)，特別是具有強(qiáng)熔劑作用的雜質(zhì)成分，會(huì)嚴(yán)重降低制品的耐火度。成分分布不均勻，以致不能形成理想的高熔點(diǎn)礦物，將使制品的耐火度降低。值得注意的是耐火度并不代表制品的使用溫度，因?yàn)槟突鸩牧显谑褂玫倪^程中經(jīng)常在經(jīng)受高溫作用的同時(shí)，還伴隨著荷重和外物的熔劑作用，因此使用溫度往往比耐火度低得多。

耐火度通常都用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫錐的錐號(hào)表示。測(cè)定耐火材料耐火度試驗(yàn)方法的要點(diǎn)是：將由被測(cè)耐火原料或制品制成的試錐與已知耐火度的標(biāo)準(zhǔn)溫錐一起置于錐臺(tái)上，在規(guī)定的條件下加熱并比較試錐與標(biāo)準(zhǔn)溫錐的彎倒情況，直到試錐頂部彎倒接觸底盤，此時(shí)與試錐彎倒的標(biāo)準(zhǔn)溫錐可代表的溫度即為該試錐的耐火度。試錐在不同階段的熔融彎倒情況見圖1-5。

1.2.4.2　荷重軟化溫度

耐火材料的荷重軟化溫度是指材料承受恒定壓負(fù)荷并在一定升溫速度的加熱條件下產(chǎn)生變形的溫度。它表示了耐火材料對(duì)高溫和荷重同時(shí)作用的抵抗能力，也表示耐火材料呈現(xiàn)明顯塑性變形的軟化范圍。在設(shè)計(jì)高溫窯爐時(shí)，根據(jù)耐火材料的荷重軟化試驗(yàn)和殘存收縮率，在一定程度上可以推測(cè)耐火材料的高溫體積穩(wěn)定性。

影響耐火材料荷重軟化溫度的因素不僅包括材料的化學(xué)、礦物組成和顯微結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，而且包括原料的純度、配料及燒成溫度等外在工藝條件。

測(cè)量耐火制品荷重軟化溫度的方法有示差-升溫法和非示差-升溫法兩種。示差-升溫法的基本原理是：在規(guī)定的恒定壓負(fù)荷和升溫速率下，加熱圓柱體試樣，直至試樣產(chǎn)生規(guī)定的壓縮變形，測(cè)量在產(chǎn)生規(guī)定壓縮變形量時(shí)相應(yīng)溫度。所采用的試樣為直徑50mm，高度50mm的圓柱體，中心鉆一直徑為?12～13mm的貫通圓孔，上、下底面平坦并互相平行。將試樣置于電阻爐內(nèi)支撐體與加壓柱之間，對(duì)致密耐火制品加壓0.2MPa，對(duì)定形隔熱制品加壓0.05MPa，升溫速率4.5～5.5℃·min-1。記錄試樣中心溫度及變形量，得溫度-變形曲線。再用事先已測(cè)得相當(dāng)于試樣通常高度的氧化鋁管溫度-膨脹曲線對(duì)所測(cè)曲線進(jìn)行校正。分別記錄自試樣最高點(diǎn)壓縮試樣原始高度的變形量0.5%、1%、2%和5%時(shí)相應(yīng)的溫度，即為荷重軟化T0.5、T1、T2、T5的溫度。

非示差-升溫法的測(cè)試方法為：將直徑36mm、高度50mm的圓柱體試樣以恒定的負(fù)荷0.2MPa在電阻爐內(nèi)加熱，升溫速率在低于最高膨脹點(diǎn)的150～200℃以前為10～15℃·min-1，以后為5～6℃·min-1。測(cè)定試樣溫度-變形曲線。記錄試樣從膨脹的最高點(diǎn)被壓縮0.3mm時(shí)的溫度為軟化開始溫度（或稱0.6%變形溫度），試樣自膨脹最大點(diǎn)被壓縮2mm的溫度為軟化變形溫度（或稱試樣的4%變形溫度）。

1.2.4.3　高溫蠕變性

當(dāng)耐火材料在高溫下承受小于其極限強(qiáng)度的某一定荷重時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，變形量會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加，甚至?xí)鼓突鸩牧掀茐?，這種現(xiàn)象叫蠕變。耐火材料的高溫蠕變性是指制品在恒定的高溫條件下受應(yīng)力作用隨著時(shí)間的變化而發(fā)生的等溫形變。

高溫蠕變的檢測(cè)方法為：恒壓下，以一定速率升溫，到達(dá)指定溫度后長(zhǎng)時(shí)間保溫，記錄隨時(shí)間的變化試樣在高度方向的變形量，計(jì)算蠕變率。計(jì)算公式為：

　?。?-19）

式中，P為耐火制品試樣的高溫壓縮蠕變率， %；L n為試樣恒溫n小時(shí)后的高度，mm；L0為試樣恒溫開始時(shí)的高度，mm；Li為試樣原始高度，mm。

由于耐火材料在高溫、荷重條件的變形量及時(shí)間-形變曲線，是隨著材質(zhì)、升溫速率、恒溫溫度、荷載大小等諸多因素的變化而變化的，而且差異極大。因此，對(duì)于不同材質(zhì)的制品，應(yīng)根據(jù)其使用條件單獨(dú)規(guī)定高溫蠕變?cè)囼?yàn)溫度等條件。

1.2.4.4　高溫體積穩(wěn)定性（重?zé)€變化）

耐火材料在高溫下長(zhǎng)期使用時(shí)，其外形尺寸保持穩(wěn)定不發(fā)生變化（收縮或膨脹）的性能稱為高溫體積穩(wěn)定性。通常用重?zé)€變化來判斷制品的高溫體積穩(wěn)定性。

重?zé)€變化是指耐火制品試樣加熱到規(guī)定溫度，保持一定時(shí)間，冷卻到室溫后所產(chǎn)生的殘余膨脹或收縮。計(jì)算公式為：

　?。?-20）

式中，LC為試樣重?zé)€變化率， %；L1為加熱后試樣的長(zhǎng)度，mm；L0為加熱前試樣的長(zhǎng)度，mm。

1.2.4.5　抗熱震性

抗熱震性是指耐火制品對(duì)溫度迅速變化所產(chǎn)生損傷的抵抗性能。耐火材料在使用的過程中，經(jīng)常受到環(huán)境溫度的急劇變化作用，例如，盛鋼桶襯磚在澆注過程中，冶金爐（轉(zhuǎn)爐、平爐或轉(zhuǎn)爐）的加料、出鋼或操作中爐溫變化等，導(dǎo)致制品產(chǎn)生裂紋、剝落，甚至崩潰。此種破壞作用不僅限制了制品和爐窯的加熱和冷卻速率，限制了爐窯操作的強(qiáng)化，而且也是制品、爐窯損壞較快的主要原因之一。

影響耐火材料抗熱震性的因素非常復(fù)雜。一般來說，材料的線膨脹系數(shù)小，抗熱震性就好；材料的熱導(dǎo)率高，抗熱震性也好。另外，材料的顆粒度組成、致密度、氣孔大小和分布、制品形狀等均對(duì)其抗熱震性有影響。

對(duì)于不同的耐火材料，其抗熱震性的檢測(cè)方法也不同，主要包括水急冷法和空氣急冷法兩種。

1.2.4.6　抗渣性

抗渣性是指耐火材料在高溫下抵抗?fàn)t渣的侵蝕和沖刷作用的能力?？乖允悄突鸩牧现匾氖褂眯阅?，對(duì)于改善耐火材料的生產(chǎn)工藝、指導(dǎo)其正確使用具有重要意義。

影響耐火材料抗渣性的因素有耐火材料的物理化學(xué)性質(zhì)及組織結(jié)構(gòu)、熔渣的性質(zhì)以及熔渣與耐火材料的相互作用條件等。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)熔渣的特點(diǎn)和性質(zhì)，結(jié)合使用條件，選擇與熔渣相適應(yīng)的耐火原料和適宜的生產(chǎn)方法，以保證獲得組織致密、結(jié)構(gòu)均勻的耐火材料。

抗渣性的測(cè)定方法主要包括靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩大類。

1.2.4.7　抗氧化性

抗氧化性是指含碳耐火材料在高溫氧化氣氛下抵抗氧化的能力。含碳耐火材料具有優(yōu)良的抗渣性和抗熱震性能，因此在冶金行業(yè)中具有廣泛的用途。但是，碳容易被氧化，一旦碳氧化，則制品的性能將不復(fù)存在。提高含碳制品的抗氧化能力，特別是高溫條件下的抗氧化能力，是含碳耐火材料的重要研究?jī)?nèi)容。

抗氧化性的測(cè)試方法如下。

對(duì)于含氧化抑制劑的含碳耐火材料，將試樣置于加熱爐內(nèi)，在氧化氣氛中按規(guī)定的加熱速率加熱到試驗(yàn)溫度，并在該溫度下保溫一定時(shí)間，冷卻到室溫后切成兩半，測(cè)量其脫碳層厚度。試樣為邊長(zhǎng)50mm的正方體或直徑與高度均為50mm的圓柱體。升溫速率為從室溫到1000℃為8～10℃·min-1，從1000～1400℃為4～5℃·min-1。以4L·min-1的流量向爐內(nèi)通空氣。保溫時(shí)間為2h。

對(duì)于不含氧化抑制劑的含碳耐火材料，將邊長(zhǎng)為50mm的試樣首先進(jìn)行碳化，測(cè)定殘存碳含量，稱量碳化后的質(zhì)量。然后置于爐內(nèi)，在氧化氣氛中以8～10℃·min-1的速率升溫至1000℃，在該溫度下保溫5h。冷卻至室溫后，稱量氧化后的質(zhì)量。利用所測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算失碳率。

關(guān)于其他非含碳耐火材料，如Sialon、AlON及氮化物耐火材料，目前還沒有統(tǒng)一的測(cè)試抗氧化性能的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.4.8　抗水化能力

堿性耐火材料，如CaO、MgO等，在生產(chǎn)、保存及使用的過程中，都有與環(huán)境中的水發(fā)生反應(yīng)而喪失強(qiáng)度甚至粉化的現(xiàn)象，稱為水化反應(yīng)。水化反應(yīng)嚴(yán)重影響了某些耐火材料的生產(chǎn)與應(yīng)用。表示水化反應(yīng)程度的方法有以下三種。

（1）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，制品發(fā)生水化反應(yīng)的量占試樣總量之比例。計(jì)算公式為：

　?。?-21）

式中，L S為水化程度， %；m1為試樣原始質(zhì)量，g；m2為除去已水化疏松部分的質(zhì)量，g。

（2）測(cè)量試樣截面的水化層厚度，即水化深度，用mm或μm表示。

（3）水化質(zhì)量增加百分率。計(jì)算公式為：

　?。?-22）

式中，M S為水化質(zhì)量增加率， %；m1為試樣原始質(zhì)量，g；m2為試樣水化后質(zhì)量，g。

當(dāng)前普遍采用的抗水化措施：一是提高原料的煅燒溫度，降低其化學(xué)反應(yīng)活性。如白云石的煅燒溫度在900～1000℃，在大氣中極易水化，當(dāng)煅燒溫度提高到1600℃時(shí)，置于大氣中2～3個(gè)星期后才開始發(fā)生水化疏松現(xiàn)象。鎂砂也是利用提高煅燒溫度的方法來提高抗水化能力的。也可加入少量添加劑促進(jìn)燒結(jié)來防止水化。

另一種方法是在材料的表面包覆一層有機(jī)物（或無機(jī)物）以隔絕空氣中的水與制品接觸。如在活性石灰的表面包覆一層硅油。通過高溫浸煮，在制品的表面包覆一層瀝青或石蠟。另外，提高制品的致密度，降低氣孔率，也是提高材料抗水化能力的措施之一。

本章小結(jié)

作為高溫結(jié)構(gòu)材料，耐火材料在使用過程中受到多種物理、化學(xué)因素的綜合作用，為了滿足各種使用條件的需要，對(duì)不同用途的耐火材料的使用性能要求是不一樣的。而耐火材料的使用性能是由其化學(xué)礦物組成、結(jié)構(gòu)性能、力學(xué)性能和熱學(xué)性能來決定的。因此，本章從耐火材料的化學(xué)礦物組成及顯微結(jié)構(gòu)入手，介紹了以上幾方面的內(nèi)容。本章的內(nèi)容是耐火材料的共性問題，是學(xué)習(xí)、理解耐火材料的基礎(chǔ)。

思考題

1.請(qǐng)說明耐火材料的化學(xué)、礦物組成及其顯微結(jié)構(gòu)特征。

2.耐火材料的結(jié)構(gòu)性能包括哪些？并說明其含義。

3.耐火材料的力學(xué)性能有哪些？

4.耐火材料的熱學(xué)性能分別為什么？

5.何為耐火材料的主要使用性能？并分析各自的意義。