耐火材料的熱學性質(zhì)(共5頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上耐火材料的熱學性質(zhì)耐火材料的熱學性質(zhì)有熱膨脹、熱導率、熱容、溫度傳導性，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指標有熱膨脹率、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，才能計算出熱膨脹系數(shù)。線膨脹率=（LT-L0）/L0100%式中：LT、L0分別為試樣在溫度T、T0時的長度，（mm）。3.1.2 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)有平

2、均線膨脹系數(shù)、真實線膨脹系數(shù)T，體膨脹系數(shù)。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)。線膨脹系數(shù)物理意義：在一定溫度區(qū)間，溫度升高1，試樣長度的相對變化率。熱膨脹系數(shù)=（LTL0）/ L0（TT0）=L/ L0T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)=V/V0T式中：V0為試樣在初始溫度T0時的體積，（mm3）。真實熱膨脹系數(shù)T=dL/LdT式中；L為試樣在某溫度時的長度，（mm）。如線膨脹系數(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)3；對于各向異性晶體，體膨脹系數(shù)等于各晶軸方向的線膨脹系數(shù)只和，即a+b+c 。影響材料

3、熱膨脹系數(shù)的因素有：化學礦物組成、晶體結構類型和鍵強等?；瘜W礦物組成的影響：含有多晶轉變的制品，熱膨脹系數(shù)的變化不均勻，在相變點會發(fā)生突變，例如硅質(zhì)制品和氧化鋯制品；材料中含有較多低熔液相或揮發(fā)性成分時，熱膨脹系數(shù)在相應的溫度區(qū)域也發(fā)生較大的變化。晶體結構類型的影響：結構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)較小，如多晶石英的熱膨脹系數(shù)=1210-6/，而石英玻璃的=0.510-6/，前者比后者大的多；氧離子緊密堆積結構的氧化物一般線膨脹系數(shù)較大，如MgO、Al2O3等；在非同向性晶體（非等軸晶體）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=110-6/，而

4、平行于C軸垂直層間熱膨脹系數(shù)為=2710-6/；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=13.810-6/,而晶體非等軸程度較高的石墨、堇青石、鈦酸鋁等的310-6/，特別是鈦酸鋁的110-6/，采用恰當?shù)墓に嚪椒ㄉ踔量梢允?/。鍵強的影響：SiC的質(zhì)點間主要為鍵力強的原子鍵，其熱膨脹系數(shù)就較小，且硬度也很高。要注意的是：熱膨脹系數(shù)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??；材料中含有晶型轉變的礦物成分時，熱膨脹系數(shù)在相變溫度點產(chǎn)生突變，如硅質(zhì)制品中石英的多晶轉變；材料中含有較多低熔液相或揮發(fā)性成分時，熱膨脹系數(shù)在相應的溫度區(qū)域也發(fā)生較大的變化。熱膨脹

5、系數(shù)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)生的熱應力=ET，(N)。在溫度急變的使用場合，應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1-4和表1-4。3.2 熱導率3.2.1 熱導率的實質(zhì)熱導率是耐火材料導熱特性的一個物理指標，其值等于熱流密度除以負溫度梯度。物理意義：材料在單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量(W/m)。晶體導熱的實質(zhì)是晶格質(zhì)點的熱振動，鄰近質(zhì)點由于熱振動的相互作用，發(fā)生能量轉移而實現(xiàn)熱量的傳遞。不同的使用條件，需要不同熱導率的耐火材料。如陶瓷隔焰隧道窯及馬弗式電爐，要求分隔板的熱導率

6、高；而要求具有保溫隔熱功能的材料則熱導率應低。熱導率高的材料往往具有較好的抗熱震性。熱導率是熱工窯爐設計中選用耐火材料時不可缺少的數(shù)據(jù)指標。3.2.2 影響熱導率的因素耐火材料的熱導率與其化學礦物組成、宏觀組織結構、溫度、晶體結構的關系密切。制品中化學組成中組分多、雜質(zhì)多、形成的固溶體和玻璃液相多、晶體結構復雜程度高、制品中的孔隙微小眾多，制品的熱導率相對就較小。例如，鎂鋁尖晶石MgAl2O4比剛玉Al2O3、方鎂石MgO??；莫來石3AlO.2SiO比 鎂鋁尖晶石MgAl2O4的結構復雜程度高，熱導率就小。玻璃相中質(zhì)點排列的有序程度比晶體的低，熱導率就小，如石英玻璃比石英晶體的熱導率低的多。含

7、有較多玻璃相的粘土磚熱導率也較小。（晶體的結構復雜、以及固溶體、玻璃相等，其結構中的質(zhì)點排列無序程度高，傳遞熱量的聲子的平均自由程較小，熱導率與平均自由程長度成正比，因而相應材料的熱導率就較小。）溫度對熱導率的影響一般為：晶相物質(zhì)隨溫度升高減小，玻璃相等物質(zhì)隨溫度升高增大，各材料的與溫度的關系見P13的圖1-5。氣體的熱導率低，耐火材料中的微小氣體孔隙阻礙了熱量傳遞，高氣孔率的耐火材料的一般較小。但是高溫時，大尺寸氣孔會導致材料的高溫加大，因為高溫時大氣孔處的固相材料間輻射傳熱程度大于氣體的傳導傳熱（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

8、設置為微細眾多的孔隙的結構，可以獲得很小的熱導率。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)差異較大的復相材料，在溫度升降過程中，晶界或細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)出很小的熱導率。3.3 熱容c熱容定義：常壓下加熱1kg物質(zhì)，溫度升高1所需熱量（kJ/kg），也稱為比熱容。材料的熱容取決于其化學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。是熱工窯爐設計中的材料技術指標。3.4 溫度傳導性a定義；溫度傳導性表示材料被加熱時，溫度在材料中的傳遞速度

9、。它體現(xiàn)了材料的均熱能力，決定了急冷急熱時材料內(nèi)部溫度梯度的大小。溫度傳導性與熱導率、比熱容、體積密度有關。溫度傳導性（導溫系數(shù)）a=/c， （m2/h）式中：耐火材料的熱導率，（W/m）或（kJ/mh）；c耐火材料的比熱容，（kJ/kg）；耐火材料的體積密度，（kg/m3）。3.5 熱輻射性任何物質(zhì)在絕對零度以上都能發(fā)出電磁輻射。熱輻射是指物質(zhì)發(fā)射波長為0.1 100m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階段：一是熱物體的表面或近表面層的熱能轉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

10、；最后，在接受輻射熱的物體表面，電磁波又轉變成熱能，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 式中的三項比值分別為吸收率、反射率和穿透率，由此可見：+=1對于固體和液體接受熱輻射，實際上都可視為不透明體，即=0，+=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又重新輻射出去，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間內(nèi)所輻射出的能量，叫做該物體的輻射強度（W

11、表示）。任何物體的輻射強度Ws和同一溫度下絕對黑體的輻射強度Wb的比值，稱為該物體的發(fā)射率（表示）。即Ws/Wb=如果物體的發(fā)射率或吸收率可認為與波長和溫度無關，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，即輻射學研究結果表明，黑體的輻射能量方程為：（=5.6710-5erg） 灰體的輻射能量方程為：熱輻射率是選用高熱輻射性能材料的重要技術指標。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，對制品實現(xiàn)高效傳熱。并且減小了焰氣對爐墻反射熱的再吸收比例，使廢焰氣外排時所攜帶的熱量大大降低。因

12、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（即化學礦物組成）和溫度。將高輻射率材料，制成粉末涂料應用于高溫爐襯，近年來在國內(nèi)外均有較多的應用實例。如在軋鋼加熱爐等熱工設備上使用，可以節(jié)能1030%；將高輻射材料應用于燃氣加熱爐爐襯，其節(jié)能效果更顯著。表1-2 各種耐火材料的輻射率材料溫度范圍，輻射率，SiC101014000.810.92Al2O3顆粒101015600.180.5Al2O3-SiO2系顆粒101015600.430.78SiO2顆粒101015600.330.62硅磚10000.80鎂磚10000.38鉻磚60011000.950.97引自耐火材料與能源P2273.6 導電性一般耐火材料在常溫下是電的不良導體（碳質(zhì)材料除外）。隨溫度升高導電性增強，在1000以上電阻急劇降低，材料至熔融狀態(tài)時具強導電能力。耐火材料的導電能力一般用電阻率表示：=A/eB/T