耐火材料的熱學(xué)性質(zhì)(共5頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上耐火材料的熱學(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(zhǎng)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(dòng)使原子的間距增大而產(chǎn)生的長(zhǎng)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(zhǎng)度相對(duì)變化率。 測(cè)定出熱膨脹率，才能計(jì)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(shí)的長(zhǎng)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(shí)線膨脹系數(shù)T，體膨脹系數(shù)。以后除特別說(shuō)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(zhǎng)度的相對(duì)變化率。熱膨脹系數(shù)=（LTL0）/ L0（TT0）=L/ L0T式中：T、T0分別為測(cè)試終了溫度、測(cè)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(shí)的體積，（mm3）。真實(shí)熱膨脹系數(shù)T=dL/LdT式中；L為試樣在某溫度時(shí)的長(zhǎng)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(duì)于各向同性晶體，體膨脹系數(shù)3；對(duì)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(xué)礦物組成、晶體結(jié)構(gòu)類型和鍵強(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(huì)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(shí)，熱膨脹系數(shù)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(wú)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(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)墓に嚪椒ㄉ踔量梢允?/。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，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)間的小；材料中含有晶型轉(zhuǎn)變的礦物成分時(shí)，熱膨脹系數(shù)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)在相應(yīng)的溫度區(qū)域也發(fā)生較大的變化。熱膨脹

5、系數(shù)對(duì)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(guò)程中，材料中因溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力=ET，(N)。在溫度急變的使用場(chǎng)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(jiàn)P12的圖1-4和表1-4。3.2 熱導(dǎo)率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(guò)單位垂直面積的熱量(W/m)。晶體導(dǎo)熱的實(shí)質(zhì)是晶格質(zhì)點(diǎn)的熱振動(dòng)，鄰近質(zhì)點(diǎn)由于熱振動(dòng)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

6、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(duì)就較小。例如，鎂鋁尖晶石MgAl2O4比剛玉Al2O3、方鎂石MgO小；莫來(lái)石3AlO.2SiO比 鎂鋁尖晶石MgAl2O4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

7、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(wú)序程度高，傳遞熱量的聲子的平均自由程較小，熱導(dǎo)率與平均自由程長(zhǎng)度成正比，因而相應(yīng)材料的熱導(dǎo)率就較小。）溫度對(duì)熱導(dǎo)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(guān)系見(jiàn)P13的圖1-5。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，高氣孔率的耐火材料的一般較小。但是高溫時(shí)，大尺寸氣孔會(huì)導(dǎo)致材料的高溫加大，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(duì)流傳熱。所以，輕質(zhì)隔熱耐火材料中的氣孔應(yīng)

8、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(guò)程中，晶界或細(xì)小顆粒的界面會(huì)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1所需熱量（kJ/kg），也稱為比熱容。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(duì)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

9、。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=/c， （m2/h）式中：耐火材料的熱導(dǎo)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(duì)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(zhǎng)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(guò)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(dòng)；二是這種電磁波狀的振動(dòng)透過(guò)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(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 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(jiàn)：+=1對(duì)于固體和液體接受熱輻射，實(shí)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(shí)間內(nèi)所輻射出的能量，叫做該物體的輻射強(qiáng)度（W

11、表示）。任何物體的輻射強(qiáng)度Ws和同一溫度下絕對(duì)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=如果物體的發(fā)射率或吸收率可認(rèn)為與波長(zhǎng)和溫度無(wú)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(cè)得的發(fā)射率與吸收率相等，即輻射學(xué)研究結(jié)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(shù)指標(biāo)。高輻射爐襯材料對(duì)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(duì)制品實(shí)現(xiàn)高效傳熱。并且減小了焰氣對(duì)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

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(shí)窯爐的能耗也明顯降低。各種耐火材料的輻射率見(jiàn)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)用于高溫爐襯，近年來(lái)在國(guó)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%；將高輻射材料應(yīng)用于燃?xì)饧訜釥t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(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1000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表示：=A/eB/T