溫度——耐火材料損毀“元兇”

耐火材料在使用過程中，要經(jīng)受高溫、溫度急變、氣氛變化以及被粉塵、煙氣、金屬熔液和溶渣侵蝕，其損毀機理十分復雜，很難作出正確地判斷。

耐火材料在使用過程中的損毀，不但是渣蝕（連續(xù)型），而且還有斷裂和剝片（非連續(xù)型）的因素。經(jīng)過對耐火材料的使用結(jié)果進行綜合分析，可以將耐火材料的損毀機理進行分類如下：

（1）連續(xù)發(fā)生的蝕損

1）在表面的熔解、氣化：在熔融相、氣相中的擴散；熔融相、氣相與磚的界面反應。

2）從磚內(nèi)部的熔解、氣化：熔融物、氣相成分的浸透；熔解、氣化成分向外部排出。

（2）不連續(xù)發(fā)生的蝕損

1）發(fā)生龜裂：由與浸透物的反應生成低密度相；伴隨體積變化的相轉(zhuǎn)移；由再加熱引起的局部收縮和熱應力集中；氣泡的局部集中性；結(jié)構(gòu)上的機械應力和熱應力的集中；構(gòu)成相的熱應力和彈性模量的各向異性；與氣相反應引起的析出沉積；機械的沖擊。

2）局部的高熔解度、高蒸汽壓力或低粘性相的存在或生成。

（3）由磨損造成的損耗

耐火材料在使用中的損毀方式則可以歸納為三種基本形態(tài):

1、由于結(jié)構(gòu)體的機械應力、熱應力導致耐火工作襯產(chǎn)生不規(guī)財?shù)牧鸭y（熱的、機械的剝落或者掉片）而破壞。

2、由于熔渣的浸潤和熱面（工作表面）上的溫度波動而使耐火材料的結(jié)構(gòu)變化，因此形成特有的變質(zhì)層，在原質(zhì)層和變質(zhì)層的交界面上產(chǎn)生同加熱面平行的裂紋（結(jié)構(gòu)剝落）而損毀。

3、由于同金屬熔液、熔渣和煙塵反應而溶流和磨損，主要是由于產(chǎn)生液相而使工作表面層熔蝕（熔損）。

耐火材料在使用過程中，實際上在熱力學上是不穩(wěn)定的。所以，耐火材料的研究和開發(fā)的方向就是在耐火材料內(nèi)（和附近）建立動力學屏障，以抵抗終不可逆的結(jié)構(gòu)和組成變化所引起的變質(zhì)。

耐火材料損毀的因素

耐火材料的用途非常廣泛，使用條件也各不相同。同時，耐火材料的材質(zhì)又是多種多樣的，有硅質(zhì)、粘土熟料質(zhì)、高鋁質(zhì)、堿性等。

一、溫度

耐火材料基本的性能就是要耐高溫，并具有隔熱性。不過，溫度會對所有的損毀造成影響，如雜質(zhì)多時，在較低的溫度下便會生成液相，產(chǎn)生收縮，并由此而產(chǎn)生裂紋。

此外，耐火材料與熔渣接觸時會向熔渣中擴散，反應物的粘度隨著溫度的上升而降低。溶液的粘度降低后，侵入的熔渣數(shù)量增加，反應面積即擴大，熔損加快。

在實際使用中發(fā)現(xiàn)，在玻璃窯中，熔融的溫度上升1℃，耐火材料的侵蝕就增加10%，在01轉(zhuǎn)爐中，出鋼溫度提高30℃，耐火材料的損毀就增加一倍。這些情況都說明，溫度對熔損的影響是非常大的。為了解決這個問題，除基本原料之外，耐火材料的組織結(jié)構(gòu)即氣孔率和氣孔徑也是很重要的，但主要的還是耐火材料與熔渣之間的潤濕角應在90°上，因此說明采用不潤濕的材料更為有效。一般來說，炭素材料與熔渣之間潤濕性小，所以利用炭素配合是有效的。

二、溫度變化

所有耐火材料的抗張強度都比較小。因此，當其表面受熱時，受熱表面擴張比內(nèi)部快，表面受到擠壓力的作用，同時內(nèi)部受到張力的作用。當其表面冷卻時，與上述情況正好相反。如果這個應力超過材料本身的強度限，那么材料就被破壞了。也就是說，在提高溫度時，其內(nèi)部會產(chǎn)生裂紋；而冷卻時，其表面則會產(chǎn)生裂紋。

在測試高鋁圓筒狀試樣的抗熱震性時發(fā)現(xiàn)，當快速冷卻時，其表面產(chǎn)生了裂紋，而當快速加熱時，試樣剝落掉片。因此，耐火材料對熱應應力和熱震破壞的敏感性也是限制它們使用的主要原因之一。

例如，對于許多高溫用途來說，雖然耐火材料的結(jié)構(gòu)性能符合結(jié)構(gòu)在使用溫度下的要求，但破壞往往是在不很高的溫度下發(fā)生的即在加熱和冷卻的過程中發(fā)生的。耐火材料內(nèi)部的裂紋可由中心向表面擴展，而表面裂紋并不向內(nèi)部擴展。內(nèi)部裂紋通常都是寬的，而且不分叉，不會導致變形破壞。表面裂紋很細，分叉能夠?qū)е缕淦茐摹?br />
三、耐火材料的抗熱震性

耐火制品對于急熱急冷式的溫度變動的抵抗能力叫抗熱震性。

耐火材料的抗熱震性，不僅取決于溫度梯度所產(chǎn)生的熱應力，而且也由于各相間線膨脹系數(shù)不同，膨脹的各相異性，多晶相變，氧化-還原，結(jié)合劑的體積變化等。此外，機械應力也是主要原因。

如上所述，耐火材料受到急劇溫度變化時，內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應力，引起龜裂、剝落等嚴重損傷。除此應力外，還有結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的機械應力，使用中的組織變化也很大，都會對這種損傷造成影響。

目前為重要的課題是，如何使耐火材料具有抵抗這種溫度變動的能力？不過，熱應力造成的損傷，只靠材質(zhì)是很難解決的。材質(zhì)固然是個原因，還要涉及耐火材料單磚的形狀、爐子的構(gòu)造、使用條件，特別是溫度變化。

在抗熱沖擊方面，除熱膨脹率、楊氏模量、強度、泊松比、破壞能、密度、熱容等基本物理性能外，影響熱沖擊的畢奧系數(shù)也有關(guān)系。耐火材料在使用過程中，這些物理性能發(fā)生變化，而且在變質(zhì)時，對其處理就更為復雜。表示材料的抗熱沖擊性的抵抗系數(shù)也因其抵抗何種熱沖擊而發(fā)生變化。

例如，是否把發(fā)生裂紋、強度下降當作問題，是否重視由裂紋發(fā)展而引起龜裂、剝落，這些都會使抵抗系數(shù)不同。人們把對發(fā)生裂紋的抵抗性稱為抗破壞性，把比較剝落損傷程度的抵抗性叫做抗損傷性。

對于耐火材料抗熱震性的評價，有多種理論，下面僅舉出重要的作些說明。

（1）結(jié)構(gòu)對耐火材料抗熱震性的影響。

我們在實際使用中早已觀察到，許多鋼鐵窯爐用耐火材料在苛刻的高溫條件下使用時，受到剝落損壞。其剝落現(xiàn)象是由于各種熱沖擊作用，在耐火材料中某一部分產(chǎn)生裂紋，此裂紋繼續(xù)擴展，直到損壞。一部分剝落的現(xiàn)象是熱沖擊損壞的顯著例子。由于耐火材料受到熱沖擊作用而產(chǎn)生剝落，不僅其消耗高，而且還會導致窯爐難于穩(wěn)定操作。

由于耐火材料的斷裂強度受氣孔、雜質(zhì)、裂紋等因素的影響，因此各個制品的組織結(jié)構(gòu)也不完全相同，即使是同類試樣，其斷裂強度也不會相等。所以，耐火材料的斷裂強度具有統(tǒng)計意義。

通常，耐火材料抗熱沖擊的性能要由下列主要因素決定：

（2）熱沖擊的程度，溫度變化的程度，耐火材料和周圍熱的移動條件以及它們隨時間變化的情況；

（3）耐火材料本身的性質(zhì)，諸如機械性質(zhì)以及熱性質(zhì)等；

（4）耐火制品的幾何形狀；

（5）外力的影響，熱膨脹的限度（因為耐火材料在使用過程中受到像墻面那樣的結(jié)構(gòu)體的使用條件）。

在這些因素中，第2項是決定耐火材料能否經(jīng)受住熱沖擊在其內(nèi)部產(chǎn)生熱應力的主要因素。

科瑞耐材生產(chǎn)的鋁-碳化硅-碳磚

四、荷重、蠕變

耐火材料達到高溫后，就會因自重或應力造成壓縮、軟化變形。變形適度能吸收應力?？墒浅^一定限度后，就會損壞。

耐火材料在一定的高溫下，不會急劇變成液體，達到某個溫度后，其中一部分生成液相，隨著溫度進一步升高，液相量會增加。因此，加上荷重時，會加快變形速度。

例如，硅磚多用于焦爐、熱風爐、玻璃窯窯頂。通常CaO含量約占2%，Al2O3含量因用途不同而有所差別。例如，用于焦爐時約占1%左右，用于玻璃窯窯頂時在0.4%以下。圖13-2-18示出了該系耐火材料的溫度與液相量的關(guān)系。對硅磚加0.2MPa荷重，進行升溫時，雖然也依賴于磚組織和Al2O3的量，但能耐熱到1650℃。然而，溫度升高到1650℃以上時，便迅速破壞。估計這時的液相量約為20%左右?？傊?，Al2O3對硅磚影響較大。

另外，從純Al2O3-SiO2系相圖來看，1590℃前沒有液相生成，因此，在這個溫度以下可以穩(wěn)定使用。不過，由于其中含有微量的堿、Fe2O3、TiO2等雜質(zhì)，液相的生成溫度在1000℃以下。因此，粘土磚在1200℃左右為長期穩(wěn)定的使用溫度。由此可見，微量成分的影響是很大的。

可用各種方法預測荷重下的現(xiàn)象。例如，高溫強度、荷重下的高溫膨脹、荷重軟化或蠕變等。這些方法都很重要，各有各的用途。對調(diào)查長期穩(wěn)定性來說，蠕變數(shù)據(jù)是為重要的。

對于鎂鉻磚和海水鎂砂磚，測定了燒成溫度對抗折強度的影響，燒成溫度降低，則會造成強度降低，1400℃燒成磚與1700℃燒成磚相比，強度顯著不同，表明燒成溫度的影響很大。因此，生產(chǎn)磚時要特別注意燒成溫度。