【原料】耐火原料的热学性质

    耐火原料的热学性质

耐火原料的热学性质

2009.03.18

一.热膨胀

　　耐火原料的热膨胀是指其体积或长度随温度升高而增大的性质，有体膨胀系数与线膨胀之分。在耐火原料的性能中，通常使用线膨胀率和线膨胀系数。线膨胀率是指由室温至设定温度间，试样长度的相对变化率。线膨胀系数是指由室温至设定温度间，每升高1℃，式样长度的相对变化率。以下列公式表示：

　　线膨胀率ρ=[（l1-l0）+ak(t)]/l0×100%

　　线膨胀系数α=ρ/[（t-t0）×100]10-6℃-1

式中： l0——试样在温室下的长度，mm。

　　lt——试样在设定温度t时的长度，mm。

　　ak（t）——设定温度t时仪器的校正值，mm。

　　t0——室温，℃。

　　t——设定温度，℃

　　线膨胀的测试方法由顶杆式间接法、望远镜直读法等。需要指出，热膨胀系数并不是一个恒定值，而是随试验温度而变化，所以它是指定温度范围δt内的平均值。因此，在使用这一数据时，必须注明它的温度范围。

　　耐火原料的热膨胀与其中所含矿物的晶体结构和化学键强度密切相关。由离子键或共价键形成分矿物，其热膨胀较小。而以分子键结合的矿物，热膨胀则非常大。化学组成相同的材料，由于结构的差异，热膨胀不同。通常矿务晶体的结构愈紧密，其热膨胀愈大。而类似于无定形的玻璃，则热膨胀往往较小。如同为sio2，多晶石英的热膨胀系数为12×10－6℃－1，而石英玻璃则只有0.5×10－6℃－1，而垂至于c轴的膨胀系数仅为1×10－6℃－1，这是因为层内为牢固联系，而层间的分子键联系要弱的多。在结构上高度各向各异的材料，其综合表现出来的体膨胀系数都很小，比如堇青石作为一种热震稳定性优异的材料而在陶瓷窑具行业广泛应用。

　　耐火原料的热膨胀取决于其化学矿务组成。一般碱性耐火原料的热膨胀系数比酸性原料的大，高铝质原料介于两者之间。当原料的矿物发生晶型转变时，会导致热膨胀系数不均匀变化，在相变点发生突变。

　　热膨胀是耐火原料重要性能，对所组成的耐火制品的强度、热震稳定性等影响明显，常见耐火原料的热膨胀系数列于表1中。原料的热膨胀系数对研究耐火材料的热应力大小与分布、晶型转变、微裂纹的产生与弥合等非常重要。

表1耐火原料的热膨胀系数

原料种类

化学成分/％

膨胀系数/×10－6℃－1

温度范围/℃

煅烧高岭土

al2o342,sio254.5

4.44

20~1000

烧结莫来石

al2o359~61

4.35

20~1000

烧结莫来石

al2o373~75

4.78

20~1000

烧结刚玉

al2o3>98

7.90

20~1000

电熔镁砂

mgo>98

13.50

20~1000

镁橄榄石

mgo 47

13.30

20~1000

锆英石

zro2 65

4.2

20~1000

碳化硅

sic 99

3.5

0~1000

堇青石

al2o3 34,mgo 13

1.19

0~500

钛酸铝

al2o3 56,tio2 44

-0.20

0~850

　　在耐火原料的研究与生产中，利用原料热膨胀系数的差异来调整耐火原料的性能十分重要。比如在不定形耐火材料中加入蓝晶石等原料，利用其在高温下的显著膨胀抵消不定形耐火材料在高温下的收缩。骨料与基质热膨胀系数的组合有四种情况，可以利用骨料与基质热膨胀系数的差异来平衡材料的强度与热震稳定性。

　　① 高膨胀骨料+高膨胀基质结构均匀，机械强度最高。受热时内部产生很强的张应力，一旦出现裂纹，它将贯穿整个制品，因而热震稳定性级差。

　　②高膨胀骨料+低膨胀基质制品经烧成后冷却至常温，由于骨料热膨胀大，使骨料与基质分离，而基质并不产生裂纹，因而机械强度不受损失。当制品受热时，基质中出现很小的张应力，而骨料周围则有空隙存在，其膨胀不会影响基质。即使在基质中出现微裂纹，遇到第一颗骨料后它将终止。这种组合热震稳定性非常好，常用于窑具的配方设计。

　　③的膨胀骨料+高膨胀基质烧成后的制品冷却时，由于骨料的收缩比基质小，在基质中产生放射状裂纹，机械强度大大下降。制品受热时，基质中裂纹闭合而不会产生任何热应力，因而其热震稳定性尚可。

　　④ 低膨胀骨料+低膨胀基质制品结构均匀，机械强度高。一般的热震不至于在制品内产生巨大应力而出现裂纹。当经受剧烈的热震时，制品种可以出现裂纹而损坏。这种组合也常用于窑具与电子技术陶瓷中。

二．导热性

　　导热性是材料传导热量的能力，是材料的一种属性。通常用导热系数来表示不同物质的导热性能，单位为w/m·k，它代表在单位温度梯度下，通过材料单位面积的热流速率。

　　影响耐火原料导热性的因素很多。化学组分越复杂，杂质含量越多，或者加入另一组分形成的固融体越多，它的导热系数降低越明显。矿物晶体结构越复杂，其导热系数也越小。例如 mgo·al2o3（铝镁尖晶石）的导热系数比al2o3、mgo的都低，3 al2o3·2sio2（莫来石）的结构比mgo·al2o3更复杂，因而导热系数更低。对于非等轴晶体，导热系数也存在各向异性。但对一般耐火材料而言，由于矿物结晶的排列杂乱无章，即使晶体为各向异性，原料的宏观导热系数的表现也为无方向性。

　　原料中包含的气孔数量，大小，形状及分布等对导热系数都有影响。气孔内的气体导热系数低，因此在一定的温度限度与气孔率范围内，气孔率愈大则导热系数愈小。温度也是影响导热系数的一个基本因素。原料的导热系数对所组成的耐火制品的导热系数与热震稳定性都有重要影响。通常耐火原料的导热系数愈大，其制品受热震时，内部产生热应力愈小，热震稳定性愈好。

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