耐火材料测试-粘土砖性能及结构

1.1 粘土砖耐火材料分类

粘土砖是一种常用的耐火材料，它的耐火度或抗高温性能可以用不收缩和不剥落的能力来衡量。粘土砖分为"低热负荷”、“中热负荷”、“高热负荷"和"超高负荷"四个等级。表4列出了这些等级的一般成分和典型特性。

加热永久线性变化（PLC），表示在无负载的情况下，将耐火材料加热到指定温度并保持一定时间后，发生的永久收缩（或膨胀）的程度。许多人也把PLC称为"再热膨胀"或"再热收缩”。 典型的粘土质耐火砖从室温加热到2400℉（1315℃）时，每英尺（305毫米）长度的可逆热膨胀为3/32英寸（2.38毫米）。

为了防止粘土砖在受热时因叠加应力而承受过大的荷载和损坏，大多数砖生产商建议，在粘土砖衬里中，每英尺衬里长度（水平横向）留出3/32英寸的"膨胀余量"（膨胀缝余量）。

永久膨胀或收缩通常影响耐火材料的热面区域（热面）。在预计会发生移动的内衬中（如回转窑），必须考虑可逆热膨胀和永久膨胀或收缩的综合可能性。

粘土砖产品的成分和性能之间通常没有明确的联系。这是因为影响生产耐火粘土砖所用粘土的"耐火度"的因素有很多。与大多数陶瓷产品一样，某些强度特性通常会随着体积密度的提高而改善。然而，随着密度的提高，抗剥落性可能会下降。最好的办法是将密度和PLC等性能结合起来。

1.2 耐火粘土砖显微结构

图3显示了耐火粘土砖在反射光显微镜下的微观结构。这种砖是用煅烧骨料和生料混合粘土干压制成的。粗骨料颗粒周围的"基质"发生了明显的收缩，在骨料颗粒周围产生了明显的裂纹。

图3 超高温耐火粘土砖的微观结构（5X）

在高倍放大镜下，可以看到典型的耐火粘土砖的气孔（图4）。可以看到煅烧骨料颗粒中的大多数孔隙都呈细长状，同时还有圆形孔隙。在此放大倍率下无法看到莫来石和玻璃的连续性。必须使用蚀刻技术和更高的放大倍率才能看到莫来石晶体。

图4 高倍放大的粘土砖（130X）

1.3 粘土砖耐火材料与碱的反应

粘土砖容易受到碱的侵蚀，碱进入耐火材料的通常途径是通过耐火砖的热面进行气相渗透。可能会产生两种后果：(1)表面熔融（“上釉”）；(2)形成新相，导致耐火材料膨胀。 

耐火材料表面和耐火材料内部的上釉现象会立即导致耐火材料的膨胀。 如果有足够的表面温度（至少 1125℃）和足够的碱积累，就有可能在热面后面形成液相。表5给出了碱与粘土接触时形成化合物的最低熔融液相。甚至更低熔点的液相也可能作为非平衡相或瞬态相存在。

表5 氧化铝硅砖热面局部融化形成的相

在富含碱的环境中，在温度达到或低于预期上釉的温度时，或在炉气中碱浓度较低的情况下长期暴露在碱环境中时，耐火粘土砖会发生膨胀。众所周知，一种被称为辉绿岩的新相(K2O . Al2O3 . 2SiO2 )会在钾（K2O）蒸气中形成。这将导致约15%的体积膨胀，从而导致耐火材料内部开裂和"不平整"。在以木材为主要燃料的燃烧环境中，以及在对陶瓷器皿进行上釉处理的环境中，钾蒸气的作用尤为明显。耐碱性测试可在耐火材料标准中找到。

1.3 粘土砖耐火材料与CO的反应 

由于含有氧化铁，粘土砖也会受到一氧化碳的"分解"。其机理是，当粘土砖暴露于一氧化碳（CO）气体中，在温度范围约为400- 800℃时，形成碳化铁（Fe3C）。 碳化铁的形成会导致耐火材料结构的"破坏"。在耐火材料标准中可以找到一氧化碳分解试验。通常给出的这一过程的反应如下：

3Fe O23 + 9CO --→ 6Fe + 9CO2

3Fe + 2CO --→ Fe3 C + CO2

粘土质耐火材料的剥落或热冲击破坏一直是窑炉设计人员和操作人员所关心的问题。仅从物理性能数据来看，并不总是能够明显地看出哪个牌号的粘土砖具有最佳的抗剥落性能。

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