耐火材料的熱學(xué)性質(zhì)

1、耐火材料的熱學(xué)性質(zhì)耐火材料的熱學(xué)性質(zhì)有熱膨脹、熱導(dǎo)率、熱容、溫度傳導(dǎo)性，此外還有熱輻射性。3. 1耐火材料的熱膨脹耐火材料的熱膨脹是其體積或長度隨溫度升高而增大的物理性質(zhì)。原因是材料中的原 子受熱激發(fā)的非諧性振動使原子的間距增大而產(chǎn)生的長度或體積膨脹。衡量耐火材料的熱 膨脹性能的技術(shù)指標(biāo)有熱膨脹率、熱膨脹系數(shù)。3. 1. 1熱膨脹率熱膨脹率也稱線膨脹率，物理意義：是試樣在一定的溫度區(qū)間的長度相對變化率。 測定出熱膨脹率，才能計(jì)算出熱膨脹系數(shù)。線膨脹率二（LT-LO） /LO X 100%式中：LT、L0一分別為試樣在溫度T、T0時(shí)的長度，（mm）。3. 1.2熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)有平均線膨脹系

2、數(shù)a、真實(shí)線膨脹系數(shù)aT,體膨張系數(shù)B。以后除特別 說明外，熱膨脹系數(shù)一般指的是平均線膨脹系數(shù)。線膨張系數(shù)物理意義：在一定溫度區(qū)間, 溫度升高試樣長度的相對變化率。熱膨脹系數(shù)a二（LT-LO） / LO （T-TO）=AL/ L0AT式中：T、T0-分別為測試終 了溫度、測試初始溫度，（）。體熱膨脹系數(shù)B二AV/V0AT式中：V0 為試樣在初始溫度T0時(shí)的體積，（mm3）。真實(shí)熱膨脹系數(shù)a T=dL/LdT式中；L 一為試樣在某溫度時(shí)的長度，（mm）。如線膨張系數(shù)數(shù)值很小，則體膨脹系數(shù)約等于線膨脹系數(shù)的3倍。對于各向同性晶體, 體膨脹系數(shù)B23a；對于各向異性晶體，體膨脹系數(shù)等于各晶軸方向的線

3、膨脹系數(shù)只和, 即 B g a a+ a b+ a c。影響材料熱膨脹系數(shù)的因素有：化學(xué)礦物組成、晶體結(jié)構(gòu)類型和犍強(qiáng)等?；瘜W(xué)礦物組成的影響：含有多晶轉(zhuǎn)變的制品，熱膨脹系數(shù)的變化不均勻，在相變點(diǎn) 會發(fā)生突變，例如硅質(zhì)制品和氧化錯(cuò)制品；材料中含有較多低熔液相或揮發(fā)性成分時(shí)，熱 膨脹系數(shù)a在相應(yīng)的溫度區(qū)域也發(fā)生較大的變化。晶體結(jié)構(gòu)類型的影響：結(jié)構(gòu)緊密的晶體熱膨脹系數(shù)較大、無定型的玻璃熱膨脹系數(shù)小，如多晶石英的熱膨脹系數(shù)a =12X10-6/,而石英玻璃的a =0.5X10-6/,前 者比后者大的多；氧離子緊密堆積結(jié)構(gòu)的氧化物一般線膨張系數(shù)較大，如MgOs A1203等; 在非同向性晶體(非等軸晶體)

4、中，各晶軸方向的熱膨脹系數(shù)不等，如石墨：垂直于C軸 的層間熱膨脹系數(shù)為a =1X10-6/。而平行于C軸垂直層間熱膨脹系數(shù)為a =27X10- 6/；等軸晶體的熱膨脹系數(shù)比非等軸晶體大的多，如等軸晶體的MgO方鎂石的 a=13.8X10-6/,而晶體非等軸程度較高的石墨、堇青石、鈦酸鋁等的a <3X10-6/r, 特別是鈦酸鋁的a <lX10-6/eC,采用恰當(dāng)?shù)墓に嚪椒ㄉ踔量梢允筧 V0/C。鍵強(qiáng)的影響：SiC的質(zhì)點(diǎn)間主要為鍵力強(qiáng)的原子鍵，其熱膨脹系數(shù)就較小，旦硬度 也很高。要注意的是：熱膨脹系數(shù)a在不同溫度區(qū)間的數(shù)值不同，一般材料高溫區(qū)間比低溫 區(qū)間的a?。徊牧现泻芯娃D(zhuǎn)變的

5、礦物成分時(shí)，熱膨張系數(shù)a在相變溫度點(diǎn)產(chǎn)生突變, 如硅質(zhì)制品中石英的多晶轉(zhuǎn)變：材料中含有較多低熔液相或揮發(fā)性成分時(shí)，熱膨脹系數(shù)a 在相應(yīng)的溫度區(qū)域也發(fā)生較大的變化。熱膨脹系數(shù)a對耐火材料的抗熱震性影響很大。耐火材料在經(jīng)受快速的加熱或冷卻 過程中，材料中因溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。=Ea AT, (N)。在溫度急變的使用場合，應(yīng)該首先 考慮選用較低熱膨脹系數(shù)的耐火材料。常用耐火材料的熱膨脹性能見P12的圖卜4和表1- 4。3. 2熱導(dǎo)率X 3. 2. 1熱導(dǎo)率的實(shí)質(zhì)熱導(dǎo)率是耐火材料導(dǎo)熱特性的一個(gè)物理指標(biāo)，其值等于熱流密度除以負(fù)溫度梯度。物 理意義：材料在單位溫度梯度下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量(W

6、/m)。晶體導(dǎo) 熱的實(shí)質(zhì)是晶格質(zhì)點(diǎn)的熱振動，鄰近質(zhì)點(diǎn)由F熱振動的相互作用，發(fā)生能量轉(zhuǎn)移而實(shí)現(xiàn)熱 量的傳遞。不同的使用條件，需要不同熱導(dǎo)率的耐火材料。如陶瓷隔焰隧道窯及馬弗式電爐，要 求分隔板的熱導(dǎo)率高：而要求具有保溫隔熱功能的材料則熱導(dǎo)率應(yīng)低。熱導(dǎo)率高的材料往 往具有較好的抗熱震性。熱導(dǎo)率是熱工窯爐設(shè)計(jì)中選用耐火材料時(shí)不可缺少的數(shù)據(jù)指標(biāo)。 3. 2.2影響熱導(dǎo)率的因素耐火材料的熱導(dǎo)率與其化學(xué)礦物組成、宏觀組織結(jié)構(gòu)、溫度、晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系密切。 制品中化學(xué)組成中組分多、雜質(zhì)多、形成的固溶體和玻璃液相多、晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高、 制品中的孔隙微小眾多，制品的熱導(dǎo)率相對就較小。例如，鎂鋁尖晶石MgA12O

7、4比剛玉A1203、方鎂石MgO小;莫來石3A10. 2SiO比鎂鋁尖晶石MgA1204的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高，熱導(dǎo)率就小。玻璃相中質(zhì)點(diǎn)排列的有序程度比晶 體的低，熱導(dǎo)率就小，如石英玻璃比石英晶體的熱導(dǎo)率低的多。含有較多玻璃相的粘土磚 熱導(dǎo)率也較小。(晶體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、以及固溶體、玻璃相等，其結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)排列無序程 度高，傳遞熱量的聲子的平均自由程較小，熱導(dǎo)率X與平均自由程長度成正比，因而相 應(yīng)材料的熱導(dǎo)率就較小。)溫度對熱導(dǎo)率的影響一般為：晶相物質(zhì)隨溫度升高X減小，玻璃相等物質(zhì)隨溫度升 高X增大，各材料的X與溫度的關(guān)系見P13的圖l-5o氣體的熱導(dǎo)率低，耐火材料中的微小氣體孔隙阻礙了熱量傳遞，高氣孔

8、率的耐火材料 的X 一般較小。但是高溫時(shí)，大尺寸氣孔會導(dǎo)致材料的高溫X加大，因?yàn)楦邷貢r(shí)大氣孔 處的固相材料間輻射傳熱程度大于氣體的傳導(dǎo)傳熱(輻射傳熱正比于溫度4次方)，且大 氣孔中還存在著氣體的對流傳熱。所以，輕質(zhì)隔熱耐火材料中的氣孔應(yīng)設(shè)置為微細(xì)眾多的 孔隙的結(jié)構(gòu)，可以獲得很小的熱導(dǎo)率。含有較高程度晶軸各向異性的晶體的材料、或材料中各成分固相顆粒的熱膨脹系數(shù)差 異較大的復(fù)相材料，在溫度升降過程中，晶界或細(xì)小顆粒的界面會形成眾多、取向不同的 微裂紋。這些微裂紋孔隙成為熱流傳遞的熱阻，也可以使材料表現(xiàn)出很小的熱導(dǎo)率。3.3 熱容c熱容定義：常壓下加熱1kg物質(zhì)，溫度升高所需熱量(kj/kgr),也

9、稱為比熱容。 材料的熱容取決于其化學(xué)礦物組成及所處的溫度。材料的熱容影響著其被加熱或冷卻的速 度，對材料的蓄熱能力和抗熱震性具有重要意義。是熱工窯爐設(shè)計(jì)中的材料技術(shù)指標(biāo)。3.4溫度傳導(dǎo)性a定義；溫度傳導(dǎo)性表示材料被加熱時(shí)，溫度在材料中的傳遞速度。它體現(xiàn)了材料的均 熱能力，決定了急冷急熱時(shí)材料內(nèi)部溫度梯度的大小。溫度傳導(dǎo)性與熱導(dǎo)率、比熱容、體 積密度有關(guān)。溫度傳導(dǎo)性(導(dǎo)溫系數(shù))a二人/cP ,(m2/h)式中：入一耐火材料的熱導(dǎo)率，(W/m)或(kj/mh)：c 一耐火材料的比熱容，(kj/kg) ： P -耐火材料的體積密度，(kg/m3) o 3. 5 熱輻射性任何物質(zhì)在絕對零度以上都能發(fā)出

10、電磁輻射。熱輻射是指物質(zhì)發(fā)射波長為0.1 100的輻射熱射線在空間傳遞能量的現(xiàn)象。熱輻射性，即為固體材料在高溫狀態(tài)下，受熱激發(fā)向外輻射出熱射線的性能。熱輻射的過程可分為三個(gè)階段：一是熱物體的表面或近表面層的熱能轉(zhuǎn)變成電磁波狀 的振動：二是這種電磁波狀的振動透過了中間的空氣傳播：最后，在接受輻射熱的物體表 面，電磁波乂轉(zhuǎn)變成熱能，被該物體所吸收。假定物體受到的輻射總能量為Qc,其中Qa部分被物體吸收、Qr部分被反射而回，Qt部分輻射熱穿透物體，則：Qa + Qr + Qt = Qc ?QaQc+QrQc+QtQc?l式中的三項(xiàng)比值分別為吸收率？、反射率?和穿透率？，由此可見：？+?+?對于固體

11、和液體接受熱輻射，實(shí)際上都可視為不透明體，即?=0, ?+?二1。即，熱輻射體（燃燒著的 煤和高溫物體）所發(fā)出的熱量，一部分被吸收體吸收，另一部分則被吸收體反射。已經(jīng)被 吸收體吸收的熱能，也將有部分能量以輻射能的形式乂重新輻射出去，其數(shù)量取決于吸收 體本身的溫度和輻射性質(zhì)。物體在單位面積單位時(shí)間內(nèi)所輻射出的能量，叫做該物體的輻射強(qiáng)度（W表示）。任 何物體的輻射強(qiáng)度WS和同一溫度下絕對黑體的輻射強(qiáng)度Wb的比值，稱為該物體的發(fā)射率 （?表示）。即 Ws/Wb二？如果物體的發(fā)射率或吸收率可認(rèn)為與波長和溫度無關(guān)，則該物體稱為灰體（一般非金 屬材料均為灰體）。任何灰體在同一溫度上測得的發(fā)射率與吸收率相等

12、，即?？輻射學(xué)研究結(jié)果表明，黑體的輻射能量方程為：Eb=0T4 （ o=5.67X10erg）-5灰體的輻射能量方程為：E二？。T4熱輻射率是選用高熱輻射性能材料的重要技術(shù)指標(biāo)。高輻射爐襯材料對熱量的吸收率 近似等于輻射率，可以有效地吸收高溫焰氣輻射出的熱量并以寬頻連續(xù)的熱射線輻射出去, 對制品實(shí)現(xiàn)高效傳熱。并旦減小了焰氣對爐墻反射熱的再吸收比例，使廢焰氣外排時(shí)所攜 帶的熱量大大降低。因此，高輻射材料有效地提高了窯爐內(nèi)制品的受熱程度，同時(shí)窯爐的 能耗也明顯降低。各種耐火材料的輻射率£見下表。影響熱輻射率的因素主要材料種類 （即化學(xué)礦物組成）和溫度。將高輻射率材料，制成粉末涂料應(yīng)用于高

13、溫爐襯，近年來在國內(nèi)外均有較多的應(yīng)用實(shí) 例。如在軋鋼加熱爐等熱工設(shè)備上使用，可以節(jié)能1030機(jī)將高輻射材料應(yīng)用于燃?xì)饧?熱爐爐襯，其節(jié)能效果更顯著。表1-2各種耐火材料的輻射率£材料SiC A1203顆粒A1203-Si02系顆粒Si02顆粒硅磚鎂磚銘磚溫度范圍， 10101400 10101560 10101560 10101560 1000 1000 6001100 輻射率，£ 0.81 0.92 0.180.5 0.43-0.78 0.33-0.62 0. 80 0. 38 0.95-0.97 一引自耐火 材料與能源P2273.6導(dǎo)電性一般耐火材料在常溫下是電的不良導(dǎo)體（碳質(zhì)材料除外）。隨溫度升高導(dǎo)電性增強(qiáng)， 在1000C以上電阻急劇降低，材料至熔融狀態(tài)時(shí)具強(qiáng)導(dǎo)電能力。耐火材料的導(dǎo)電能力一般用電阻率P表示：P =A/eB/