1 / 9东 北 大 学 继 续 教 育 学 院耐火材料与燃料燃烧 复习题 一、名词解释1. 耐火材料：耐火材料是耐火度不低于 1580℃的无机非金属材料和制品。2. 蠕变：当耐火材料承受低于极限强度的一定应力时会产生塑性变形，变形量随负荷时间延长而增加，甚至导致材料破坏。这种受外力作用产生的变形随时间而增加的现象称为蠕变。3. 金属陶瓷：金属陶瓷为用物理或化学方法将陶瓷相与粘结金属(或合金)相相互合成为整体的非均质复合材料。4. 标准煤：以进入燃烧装置的燃料为准(例如对煤基为应用基)每放出 29300kJ(即 7000kcal)热量(按低位发热量计算)折算为 1kg 标准煤。5. 燃料：凡是在燃烧时能够放出大量的热，并且此热量能够经济地利用在工业和其他方面的物质统二、单项选择题1.耐火度是指材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度，它标志着材料 A 作用的性能。A. 抵抗高温；B． 抵抗热震；C． 抵抗过热； D． 抵抗变形 2.硅砖的荷重软化温度较高，一般为 1620~1670°C，与其 C 接近。A. 熔化温度；B. 烧结温度；C. 耐火度；D. 烧成温度3.平焰燃烧器的最突出优点是 B 。课程名称: 耐火材料与燃料燃烧 2 / 9A. 燃烧比较完全； B. 对工件的加热比较均匀；C. 火焰温度高，火焰短，火力强； D. 热负荷调解范围较宽4. A 的高低是评价煤质优劣的主要依据。A. 煤灰分；B. 煤水分；C. 煤中碳含量; D. 煤中硫含量5.高温条件下，碳氧共存时，C-O 体系内的气相组成主要是 B 。 A. O2； B. CO； C. CO2； D. N26. 硅砖的抗热震性 C 。A. 好； B. 较好； C. 差； D. 一般7. 碳复合耐火材料在抗渣性及抗热震稳定性方面的优势是由于 B 的存在所致。A. 石英；B. 石墨；C. 氧化镁；D. 氧化钙三、多项选择1. 硅砖烧成的目的，是使 AC ，从而获得所要求的足够强度。A. 石英充分转化，B. 晶粒长大；C. 充分地烧结；提高抗热震性2. AD 是含游离 CaO 白云石耐火制品的主要缺点。 A．抗热震性能很差； B. 抗碱性渣的性能好； C. 高温强度比较高； D. 抗水化性能很差课程名称: 耐火材料与燃料燃烧 3 / 93. 碳复合耐火材料，按结合方式来分，主要有 AC 。A. 陶瓷结合；B. 水结合；C. 碳结合；D. 水泥结合4. 不定形耐火材料的化学和矿物组成取决于所用的 ABCD 。A. 粉状耐火物料；B. 粒状耐火物料；C. 结合剂的品种；D. 结合剂的数量5. 绝热材料的主要特征为 ABC 。 A.气孔率高； B. 体积密度小； C. 导热系数小； D. 重烧收缩大四、简答题 1. 试述按化学组成分类耐火材料有哪几种？ 答：按化学矿物组成的不同，耐火材料主要有以下几类：(1) 氧化硅质耐火材料。这是以 SiO2为主要成分的耐火材料，主要的品种有各种硅砖和石英玻璃制品。(2) 硅酸铝质耐火材料。这是以 Al2O3和 SiO2为基本化学组成的耐火材料。(3) 镁质耐火材料。这是以 MgO 为主要成分和以方镁石为主要矿物构成的耐火材料。(4) 白云石质。耐火材料这是一类以氧化钙(40~60%)和氧化镁(30~42%)为主要成分的耐火材料。(5) 橄榄石质耐火材料。这是一种含 MgO35~62%， MgO/SiO2重量比波动于 0.95~2.00，由镁橄榄石为主要矿物组成的耐火材料。(6) 尖晶石质耐火材料。这是一类主要由尖晶石组成的耐火材料。主要品种有由铬尖晶课程名称: 耐火材料与燃料燃烧 4 / 9石 构 成 的 铬 质 制 品 (Cr2O3≥30%) ， 由 铬 尖 晶 石 、 方 镁 石 构 成 的 铬 镁 质 制 品 ( 含Cr2O318~30%，MgO25~55%)和由镁铝尖晶石构成的制品。(7) 含碳耐火材料。这类材料中均含有一定数量的碳或碳化物。主要品种有由无定形碳构成的炭砖或炭块；由石墨构成的石墨制品；由碳化硅构成的碳化硅制品；由碳纤维及碳纤维与树脂或其他碳素材料复合为整体构成的材料(8) 含锆质耐火材料。这类材料中均含有一定数量的氧化锆。常用的品种有以锆英石为主要成分的锆英石质制品；以氧化锆和刚玉或莫来石构成的锆刚玉和锆莫来石制品，以及以氧化锆为主要组成的纯氧化锆制品。(9) 特殊耐火材料。这是一类由较纯的难熔的氧化物、碳化物、硅化物和硼化物以及金属陶瓷构成的耐火材料。2. 试描述高铝矾土在煅烧过程中发生的主要变化？ 答：高铝矾土在煅烧过程中发生一系列物理化学变化，由水铝石和高岭石为主要矿物的高铝矾土在煅烧时，大致分为三个阶段，即分解脱水和莫来石化阶段、二次莫来石化阶段和重结晶烧结阶段。(1) 分解脱水和莫来石化阶段α-Al2O3·H2O α-Al2O3 + H2O↑ (3-7) Al2O3·2SiO2·H2O Al2O3·2SiO2 + 2H2O↑ (3-8)3(Al2O3·2SiO2) 3Al2O3·2SiO2 + 4SiO2 (3-9) 高铝矾土的脱水反应一般开始于 400˚C，至 400~600˚C 反应激烈，700~800˚C 反应完成。课程名称: 耐火材料与燃料燃烧 游离刚玉水铝石高岭石偏高岭石无定形石英莫来石 5 / 9水铝石脱水后，在较高温度下，逐步转变为游离刚玉。高岭石脱水后，形成无水高岭石。在 950˚C 以上，无水高岭石转变为莫来石和非晶质二氧化硅，后者在高温下转变为方石英。(2) 二次莫来石化阶段 二次莫来石化也称次生莫来石化，是指高铝矾土中所含高岭石分解并形成莫来石后，析出的无定形 SiO2与水铝石分解后形成的游离刚玉发生反应再次生成莫来石的过程。其反应式如下： 3Al2O3 + 2SiO2 3Al2O3·2SiO2 (3-10) 二次莫来石化反应始于 1200˚C，随着温度的升高，该反应加剧，同时伴随着约 10%的体积膨胀。二次莫来石化反应的完成依 Al2O3/SiO2比值的不同而不同。Al2O3/SiO2比值越接近2.55，其反应各完成温度越高(1500˚C 左右)。Al2O3/SiO2比值较大者，反应完成温度偏低，一般为 1400~1500˚C。在二次莫来石化反应完成的同时，高铝矾土中的 Fe2O3、TiO2和其他杂质与 Al2O3、SiO2形成液相。该液相的存在，有助于二次莫来石化的进行，同时也为重结晶烧结准备了条件。(3) 重结晶烧结阶段在二次莫来石化阶段，由于液相的形成，已经发生某种程度的烧结作用，但是这时的烧结进程非常缓慢。只有随着二次莫来石化阶段的完成，重结晶烧结作用才开始迅速进行。在1400˚C 或 1500˚C 以上，在液相的作用下，刚玉和莫来石晶体长大，同时气孔迅速缩小，气孔率降低，物料逐渐趋于致密。一等矾土熟料主晶相为刚玉，仅有少量的莫来石，有时还有少量的钛酸铝；二等矾土主晶相为发育完好的莫来石结晶，还有刚玉集合体；三等矾土熟料主晶相为莫来石，还有较多的玻璃相。在这个阶段，矾土的烧结速度明显加快。平均每提高10˚C，吸水率降低 1~1.5%。达到烧结温度之后再提高温度时，由于膨胀，吸水率反而上升。课程名称: 耐火材料与燃料燃烧 二次莫来石游离刚玉无定形石英 6 / 93. 简述耐火材料与熔渣接触时发生结构崩裂的机理。答：结构崩裂是指耐火材料受到侵蚀时，当其物相和结构变化到一定程度时，导致耐火材料的崩坏现象。由渣蚀引起的结构崩裂，一般认为是由于形成变质层和形成比容差别较大的产物引起的。① 变质层的形成。变质层的形成，是由于熔渣的渗入所致。在渗入过程中，由于材料内温度梯度和熔渣粘度的影响，熔渣侵入到一定深度后，就不再继续渗透。因此，从耐火材料热面到其内部一定的深度，就形成了组成与结构有别于原材料的变质层。而且熔渣在渗透时还发生“化学过滤”，沿熔渣的渗透方向，其化学组成和物相组成都可能发生不断的改变。故变质层内随其厚度的变化，其组成与结构也有一定差别。② 结构的崩裂。在变质层形成过程中，由于形成的产物间和同原材料间的比容和热膨胀性等有差别，在变质层与原材料之间或变质层内各层因各种物相摩尔体积变化而产生结构应力，并破坏其间的结合，形成裂纹，甚至产生剥落和崩裂。4. 简述熔渣主要通过哪些途径渗入到耐火材料内部。通常情况下，熔渣主要通过如下三种途径渗入到耐火材料内部：耐火材料中的气孔和裂纹；耐火材料中的基质；耐火材料晶体间的晶界。 答：(1) 熔渣经毛细管和裂纹的渗入。熔渣与耐火材料外表面接触后，当其可浸润这种耐火材料时，熔渣在毛细管附加压力的推动下，即可由耐火材料的外表面向其内部渗透。(2) 熔渣沿耐火材料基质的渗入。耐火材料的基质，一般含有较多的杂质成分。耐火材料在高温使用过程中，这些杂质容易形成低熔点相。当材料内存在气孔或裂纹和温度梯度时 ，由基质所形成的熔体，可由热端向其冷端迁移。热端基质迁移后所残留的空隙，易成为熔渣课程名称: 耐火材料与燃料燃烧 7 / 9渗入的通道。(3) 熔渣经晶界的迁入。 众所周知，耐火材料一般为多晶体构成。当熔渣与耐火材料接触时，熔渣也可以经晶界渗入到耐火材料内部。5. 试比较硅砖、粘土砖、高铝砖使用性能的主要差异。答：(1) 耐火度。硅砖的耐火度较低，为 1670~1730°C。随着 SiO2含量、晶型、杂质种类和数量的不同稍有变化，但波动不大；粘土质耐火制品的耐火度较低，波动在 1580~1770°C，主要与制品的化学组成有关；高铝质耐火材料的耐火度波动范围大，一般为 1770~2000˚C，主要受 Al2O3含量的影响，随着制品中 Al2O3含量的增加而提高。(2) 荷重软化温度。硅砖的荷重软化温度较高，一般为 1620~1670°C，与其耐火度接近。这主要是因为构成硅砖的主晶相为具有矛头双晶的鳞石英形成网状结构和基质粘度较大的玻璃相所致；粘土质耐火制品的荷重软化温度较低，开始于 1250~1400°C，压缩 40%时温度为1500~1600°C；粘土质耐火制品的耐热震性好，普通粘土砖 1100°C 水冷循环达 10 次以上，多熟料粘土砖可达 50~100 次或更高；高铝制品的荷重软化开始变形温度大于 1400˚C，并随着Al2O3含量的增加而提高。(3) 抗热震性。由于温度剧烈变化时，硅砖内部的结晶发生快速型转变，体积突然膨胀或收缩，产生较大的内应力，使硅砖崩裂或剥落。因此，硅质耐火制品的耐热震性很差，在850°C 下水冷仅为 1~2 次。粘土砖耐热震性好的原因主要是莫来石及整个制品的热膨胀系数小(平均 4.5~5.8×10-6/°C)，而且比较均匀，过程中不发生晶型转变所引起的体积变化；高铝质耐火制品的耐热震性介于粘土质制品和硅质制品之间，850˚C 水冷循环仅 3~5 次(4) 抗渣性。作为酸性耐火材料，硅砖对酸性和弱酸性炉渣以及含腐蚀性气体的炉气的抗侵蚀能力很强。对含有 CaO 和 FeO 的炉渣侵蚀作用也有一定的抵抗能力。粘土质耐火制品课程名称: 耐火材料与燃料燃烧 8 / 9属酸性耐火材料，抵抗弱酸性炉渣侵蚀的能力强，对酸性和碱性炉渣的抵抗能力较差。高铝质耐火制品既能抵抗酸性渣的侵蚀，也能抵抗碱性渣的作用。但抗碱性渣的能力不及镁质材料，却优于粘土质材料，并随着莫来石和刚玉含量的增加而增强。6. 叙述碳复合耐火材料有哪些优缺点？为克服其缺点，通常采取何种措施及其作用机理。答：MgO-C 系耐火材料具有如下特点。(1) 耐火度高。由于碳复合耐火材料是由高熔点的氧化物(或碳化物)与碳组成，且氧化物与碳之间一般没有共熔关系，因此碳复合耐火材料的耐火度普遍较高。(2) 高温强度好。由于碳复合耐火材料的耐火度高且颗粒间存在着牢固的碳结合网络。因此碳复合耐火材料的高温强度很高。(3) 抗渣蚀性能好。由于耐火制品中碳对熔渣的润湿较大，不易被熔渣所浸润，因此碳复合耐火材料具有良好的抗渣性。(4) 抗热震性好。由于石墨具有导热系数小 (1000ºC 时为 229W/m·ºC),低热膨胀系数(0~1000ºC 时为 1.4~1.5×10-6/ºC)以及较小的弹性模量(E=8.82×1010Pa)，碳复合耐火材料具有良好的抗热震性能。(5) 抗蠕变性能好。由于耐火材料颗粒间以及颗粒与石墨间存在着牢固的碳结合网络，不易产生滑移，因此碳复合耐火材料具有良好的高温抗蠕变性能。镁碳质耐火材料具有在高温条件下与氧接触时容易发生氧化反应而损失，即抗氧化性差的缺点。为提高其抗氧化性，常加入 Al, Si, Mg 及其合金、碳化物或氮化物等各种添加剂，这些抗氧化剂通过如下两方面改善耐火材料的性能。课程名称: 耐火材料与燃料燃烧 9 / 9在热力学方面，因抗氧化剂与氧的亲和能力大于碳与氧的亲和力，抗氧化剂通过将 CO还原为 C，部分补偿了耐火材料中 C 的氧化损失。如：SiC+3CO=SiO2+3C。在动力学方面，抗氧化剂被氧化成其氧化物以后，伴有明显的体积膨胀效应，可以堵塞因 C氧化而产生的气孔，提高耐火材料的致密性，减小氧向耐火材料内部扩散的速率，进而抑制氧化反应，提高耐火材料的抗氧化性。特别是在适当的热力学条件下，在耐火材料表面形成致密的氧化物保护层以后，耐火材料的抗氧化性将得到显著提高。课程名称: 耐火材料与燃料燃烧