一、堇青石、莫來石礦物特性

1. 堇青石

堇青石（Cordierite）化學(xué)式為2MgO?2Al2O3?5SiO2，理論組成MgO13.7%， Al2O3 34.9%, SiO2 51.4%。具有開采價值的天然堇青石礦床極少，工業(yè)上使用的也均為人工合成產(chǎn)品（燒結(jié)法或電熔法）。堇青石比重2.57-2.60g/cm3，分解溫度1460℃，具有較低而均勻的膨脹系數(shù)1.5×10-6K-1（25-1000℃）。

2. 莫來石

莫來石（Mullite）化學(xué)式為3Al2O3?2SiO2, 理論組成Al2O3 71.8%，SiO228.2%，因為天然礦物最早發(fā)現(xiàn)于蘇格蘭西海岸的莫爾島(Mull)而得名。工業(yè)上使用的莫來石均是通過燒結(jié)法或電熔法而得到的人工合成產(chǎn)品。莫來石理論密度3.20g/cm3，熔點1870℃，膨脹系數(shù)5.3×10-6K-1(20-1000℃)，其膨脹均勻，熱震穩(wěn)定性好，是一種優(yōu)質(zhì)的耐火原料。

堇青石晶體結(jié)構(gòu)	莫來石晶體結(jié)構(gòu)

二、堇青石-莫來石材料

1．微觀結(jié)構(gòu)特點

廣東熱金寶所生產(chǎn)的堇青石-莫來石制品是由堇青石、莫來石和玻璃相所組成的復(fù)合材料，堇青石含量30-70%，莫來石含量20-60%，玻璃相5-30%。莫來石形成復(fù)合材料的骨架，堇青石和玻璃相包裹、充填在莫來石骨料四周（如圖3所示）。在堇青石的形成過程中，其所用原料中的結(jié)晶水揮發(fā)和碳酸鹽分解，在其結(jié)晶集合體中留下大量的結(jié)構(gòu)孔洞。此類孔洞可以吸收材料受熱膨脹過程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。在結(jié)構(gòu)中，莫來石的針狀結(jié)構(gòu)使材料具有良好的韌性和抗高溫變形能力。這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了莫來石耐高溫性能好和堇青石膨脹系數(shù)低的特點。

圖3

2.物理性能 

堇青石和莫來石在復(fù)合材料中的比例可以根據(jù)材料的使用條件和成型工藝進行調(diào)整，因此其各種性能也會在一定的范圍內(nèi)變化。一般堇青石-莫來石材料體積密度1.75-2.05 g/cm3，顯氣孔率22-32%，吸水率11-19%。其莫氏硬度6-7.5，因此采用金剛石工具很容易對其切割、磨削、鉆孔的各種機械加工。常溫耐壓強度40-80MPa，常溫抗折強度9-20MPa，彈性模量10-30GPa，故日常運輸、存放、安裝并不需要特殊的防護，但應(yīng)避免相互或與硬性物品的磕碰。

3．化學(xué)性能

廣東熱金寶堇青石-莫來石復(fù)合材料主要化學(xué)成分為Al2O3 32-45%、SiO2 60-35%和MgO 5-9%，其它還含有少量的Fe2O3、TiO2、CaO、K2O、Na2O等，其重金屬離子和有機物如鎘、鉛、汞、六價鉻、多溴聯(lián)苯（PBBs）和多溴聯(lián)苯醚（PBBEs/PBDEs）含量均符合歐盟和美國標(biāo)準(zhǔn)，可以用于食品工業(yè)的爐具、比薩爐托板等。 材料整體呈非常弱的酸性，因此耐酸性較好，但不易與強堿長時間接觸特別是在高溫下。

4．熱學(xué)性能

堇青石-莫來石材料在20℃時的比熱0.9-1.1kJ?kg-1?K-1，因此蓄熱量不大。20-1000℃溫度區(qū)間內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)0.9-1.5W?m-1?K-1，1250℃時的抗折強度為9-18MPa，荷重軟化點T2在1380-1420℃左右。其最高工作溫度也與其形狀、荷載、支撐方式、工作氣氛等有關(guān)，一般在中性和氧化氣氛下可以使用至1350℃，在弱還原氣氛下可以使用至1200℃，不適合用于較強的還原氣氛中。 由于堇青石具有很低的熱膨脹系數(shù)且在復(fù)合材料中作為結(jié)合相的多孔結(jié)構(gòu)，與膨脹系數(shù)較高的莫來石骨料之間存在熱失配現(xiàn)象，致使堇青石-莫來石材料在20-1000℃下的膨脹系數(shù)僅為2.0×10-6-3.2×10-6K-1，因而其具有非常優(yōu)異熱震穩(wěn)定性，這也是其被大量用于工業(yè)窯爐的主要原因。

5．工藝性能

青石-莫來石材料通常采用合成莫來石、合成堇青石、高可塑性粘土、氧化鋁和鎂質(zhì)礦物原料等配合，其坯體具有良好的可塑性，可用液壓壓制、真空高壓擠出、泥漿澆注、塑壓、滾壓等各種成型方法以制成各種形狀，而且其干燥收縮和燒成收縮可以控制，所以可以生產(chǎn)形狀特別復(fù)雜和大尺寸的各種工業(yè)陶瓷制品。

三、窯具性能的評價

通常會采用以下技術(shù)指標(biāo)來評價堇青石-莫來石材料的性能；

1. 化學(xué)成分

化學(xué)成分是窯具材料的最基本特征。按各個化學(xué)成分含量的多少和作用將其分為兩部分：占絕對多量的主要成分和占少量的副成分。副成分包括原料中伴隨的有害雜質(zhì)成分和在窯具生產(chǎn)過程中為改善性能或易于生產(chǎn)而特別加入的添加成分。有時還要測定其燒失量（LOI），即將在105-110℃烘干的材料在1000-1100℃灼燒后失去的重量百分比。

堇青石-莫來石窯具的主成分為SiO2、Al2O3和MgO，有害雜質(zhì)成分主要有Na2O、K2O、CaO、Fe2O3和TiO2，LOI幾乎為零。

2. 礦物組成

用于生產(chǎn)窯具的各種原料經(jīng)混合后在一定的工藝條件下（如燒成）會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的礦物相。盡管化學(xué)成分完全相同，由于工藝條件的不同，所形成的礦物種類、數(shù)量、結(jié)晶狀況可以完全不同，致使材料性能的差異也較大；即使礦物組成相同時，其礦物的結(jié)晶大小、形狀和分布的不同，也會對窯具的性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響。堇青石-莫來石窯具通常由堇青石、莫來石和玻璃相所組成，堇青石含量30-70%，莫來石含量20-60%，玻璃相5-30%。

3. 體積密度

體積密度是指材料的質(zhì)量與其總體積之比，通常用g/cm3表示，也有用Kg/m3或噸/立方米表示的?？傮w積包括固體材料、開口氣孔和閉口氣孔的體積總和。體積密度有時也稱作容積重量或容重。體積密度直觀的反應(yīng)了窯具的致密程度，是窯具的重要技術(shù)指標(biāo)，也是計算窯具理論重量的必不可少的數(shù)據(jù)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB2997和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5017規(guī)定了致密耐火材料體積密度的測定方法，窯具體積密度的測定也遵照此標(biāo)準(zhǔn)進行測定。堇青石-莫來石窯具的體積密度一般在1.75-2.05 g/cm3之間。

4. 氣孔率

氣孔率與體積密度、真密度等都是評價窯具重要質(zhì)量指標(biāo)。氣孔率與體積密度關(guān)系密切,它除窯具的燒結(jié)程度外,還與窯具的其它性能如機械強度、熱膨脹、抗侵蝕性能及導(dǎo)熱性有一定關(guān)系。

窯具中的氣孔可分為兩大類:即開口氣孔與閉口氣孔。開口氣孔至少有一端與外界相通,而閉口氣孔則封閉于材料之中,與外界不連通。通常認(rèn)為窯具的氣孔中只有貫通氣孔對窯具的耐侵蝕性影響明顯,閉口氣孔影響較小。氣孔率的測定也是按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB2997和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5017與窯具體積密度一起測定的。閉口氣孔體積難于直接測定，因此通常用顯氣孔率來表示。堇青石-莫來石窯具的顯氣孔率一般在22%-32%之間。

5. 吸水率

吸水率是材料中所有開口氣孔所吸收的水的質(zhì)量與干燥材料的質(zhì)量之比值。它是反映材料中開口數(shù)量與體積的一個技術(shù)指標(biāo)，可以在一定程度上反應(yīng)窯具的燒結(jié)程度。它也是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB2997和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5017，與體積密度、氣孔率一起測定。堇青石-莫來石窯具的顯氣孔率一般在11%-19%之間。

6. 耐壓強度

耐壓強度是指一定溫度下，材料單位面積上所能承受的極限荷載，是反映窯具機械性能的主要指標(biāo)之一，簡接地反映出窯具的組織結(jié)構(gòu)如致密性、均勻性、燒結(jié)程度等。通常分為常溫耐壓強度和高溫耐壓強度，常溫耐壓強度是指窯具在室溫下測定的數(shù)據(jù)；將窯具試塊加熱至某一指定溫度（通常為1250℃）進行加壓試驗，所得結(jié)果即為高溫耐壓強度。 堇青石-莫來石窯具結(jié)構(gòu)細致、均勻性好，常溫耐壓強度較高，一般可以達到40-80Mpa。但是由于窯具通常是由于承受彎曲應(yīng)力而產(chǎn)生變形、開裂等，因此抗折強度更多用于衡量窯具的承載能力。

7. 抗折強度

抗折強度是指一定溫度下，材料單位面積上承受彎矩時的極限折斷應(yīng)力，又稱抗彎強度、斷裂模量，是窯具的最重要技術(shù)指標(biāo)之一，能反映出窯具實際使用時的承載能力和抗變形能力，是確定棚板類窯具產(chǎn)品厚度的最重要依據(jù)，也能間接判斷出窯具的壽命。窯具的顆粒級配、氣孔的大小和數(shù)量、組織結(jié)構(gòu)的均勻性、顆粒間的結(jié)合程度等是決定窯具抗折強度的重要因素。通常分為常溫抗折強度和高溫抗折強度，常溫抗折強度是指窯具在室溫下測定的數(shù)據(jù)；將窯具試樣加熱至某一指定溫度（通常為1250℃）并保溫一定時間（通常為30分鐘）進行抗折試驗，所得結(jié)果即為高溫抗折強度。 國家標(biāo)準(zhǔn)GB3001和GB3002分別規(guī)定了耐火制品常溫抗折強度和高溫抗折強度的測定方法。耐火窯具也適應(yīng)上述測定方法，但是由于窯具外觀尺寸的特殊性，取樣尺寸比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸要小，但對測定結(jié)果影響不大。堇青石-莫來石窯具的常溫抗折強度一般在9-20Mpa之間，1250℃抗折強度在9-18Mpa之間.

8. 膨脹系數(shù)

熱膨脹是指材料體積或長度隨溫度升高而增大的性質(zhì)，有體膨脹系數(shù)與線膨脹系數(shù)之分。窯具性能評價通常使用線膨脹率和線膨脹系數(shù)來衡量其高溫下的體積穩(wěn)定性。線膨脹率是指由室溫至設(shè)定溫度間，試樣長度的相對變化率；線膨脹系數(shù)是指由室溫至設(shè)定溫度間，每升高1℃，試樣長度的相對變化。需要指出，熱膨脹系數(shù)并不是一個恒定值，而是隨試驗溫度而變化，所以它是指定溫度范圍?t內(nèi)的平均值。因此，在使用這一數(shù)據(jù)時，必須注明它的溫度范圍。

低的膨脹系數(shù)（20-1000℃范圍內(nèi)2.0×10-6℃-1-3.2×10-6℃-1之間）是堇青石-莫來石窯具的最主要特征，也是其具有優(yōu)異熱震穩(wěn)定性從而具有較長使用壽命的主要原因。

9. 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料熱量傳導(dǎo)能力的指標(biāo)，單位為W/m?K,它代表在單位溫度梯度下,通過材料單位面積的熱流速率，也稱熱導(dǎo)率或?qū)崧省?/p>

窯具中包含的氣孔數(shù)量、大小、形狀及分布等對導(dǎo)熱系數(shù)都有影響。氣孔內(nèi)的氣體導(dǎo)熱系數(shù)低，因此在一定的溫度限度與氣孔率范圍內(nèi)，氣孔率愈大則導(dǎo)熱系數(shù)愈小。溫度也是影響導(dǎo)熱系數(shù)的一個基本因素，因此在使用這一數(shù)據(jù)時，也必須注明它的溫度范圍。堇青石-莫來石窯具的導(dǎo)熱性不好，20-1000℃溫度區(qū)間內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)0.9-1.5W/m?K；作為對比，碳化硅窯具在1000℃時的導(dǎo)熱系數(shù)一般在15-25W/m?K。

窯具的導(dǎo)熱系數(shù)對其熱震穩(wěn)定性有重要影響。通常窯具的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，其受熱震時內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力愈小，熱震穩(wěn)定性愈好。這也是碳化硅類窯具具有良好熱震穩(wěn)定性的最主要原因。

10. 比熱

比熱是指單位重量的材料溫度每升高1K時所吸收的熱量，也稱比熱容或熱容，單位為Kj/Kg?K，有恒壓比熱與恒容比熱之分，實際生產(chǎn)與應(yīng)用中通常都使用恒壓比熱（若無特別注明，一般均指恒壓比熱），耐火材料在高溫下的恒壓比熱與恒容比熱相差很小。

窯具的比熱數(shù)據(jù)主要用于窯爐熱工計算。比熱小的材料在加熱和冷卻過程中需要和放出的熱量少，在體積一定時多孔的隔熱材料質(zhì)量小，加熱時需要的熱量少。陶瓷行業(yè)的低蓄熱窯車，實際上就是盡量采用比熱低的輕質(zhì)材料，以減少在升溫過程中的蓄熱和在冷卻過程中的放熱，從而可以實現(xiàn)即降低能耗又可以加快推車速度增加產(chǎn)量之目的。

由于各種材料的比熱數(shù)據(jù)已經(jīng)積累的比較充分，多數(shù)情況下通過計算得到的比熱數(shù)據(jù)即能滿足要求，因此一般較少測定材料的比熱。堇青石-莫來石窯具的20℃時的比熱在1.0Kj/Kg?K左右。

11. 熱震穩(wěn)定性

熱震穩(wěn)定性是指材料在溫度急劇變化條件下抵抗損傷的能力，也曾稱作抗熱震性、熱穩(wěn)定性、抗熱沖擊性、抗溫度急變性、耐急冷急熱性等。它是評價窯具性能的最重要指標(biāo)之一，直接關(guān)系到窯具的使用壽命。

熱震穩(wěn)定性是窯具力學(xué)性能和熱學(xué)性能在溫度變化條件下的綜合表現(xiàn)。材料遭受的急劇溫度變化稱為熱震；材料在熱震中產(chǎn)生的新裂紋，以及新裂紋與原有裂紋擴展造成的開裂、剝落、斷裂稱為熱震損傷；材料在溫度變化時，變形受到抑制所產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。熱震損傷是熱應(yīng)力作用的結(jié)果。材料的熱震穩(wěn)定性與許多因素有關(guān)，一般認(rèn)為具有較高的強度、導(dǎo)熱系數(shù)和較低的膨脹系數(shù)的材料具有較好的熱震穩(wěn)定性。表述材料的熱震穩(wěn)定性參數(shù)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有用抗熱震斷裂參數(shù)R、R’、R’’表述的，也有用抗熱震損傷參數(shù)R’’’表述的，還有用熱應(yīng)力裂紋穩(wěn)定性參數(shù)Rst和Rst’表示的。

對一般耐火材料而言，通常用熱震次數(shù)來表示熱震穩(wěn)定性。按照中國冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB376，將直形磚（尺寸為200-230X100-150X50-100mm）的受熱端面伸入到預(yù)熱至1100℃的爐內(nèi)50mm，保持20分鐘，然后將熱端面放入室溫水中冷淬3分鐘，進行干燥后再進行下一個循環(huán)。用受熱端面破損一半的熱循環(huán)次數(shù)表示其熱震穩(wěn)定性。也有采用熱震前后的抗折強度變化率來評價耐火材料熱震穩(wěn)定性的，按照中國冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB4018的方法，將條狀試樣（尺寸為230X114X31mm或者230X65X31mm）的一個面（230X31mm）為受熱面，在均熱板上自室溫以規(guī)定速率加熱至1000℃并保持30分鐘，然后置于空氣中淬冷，測定冷卻后的抗折強度并與熱震前的抗折強度對比，計算變化率。

對堇青石-莫來石窯具而言，由于受規(guī)格尺寸的限制以及其特別優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性，上述兩種方法都不能完全滿足對窯具熱震穩(wěn)定性的評價。在廣東熱金寶和歐洲主要的窯具企業(yè)，目前的通行做法是：將條狀試樣（12-25X12-25X60-150mm）放入到預(yù)熱至1100℃的爐內(nèi)并保持20分鐘，然后將試條放入室溫水中冷淬3分鐘，干燥后測定其抗折強度。以熱震后的抗折強度損失率來表示其熱震穩(wěn)定性，損失率越小則表示熱震穩(wěn)定性越好，堇青石-莫來石窯具應(yīng)該小于50%。一般窯具企業(yè)在其產(chǎn)品樣本中均采用定性或?qū)Ρ鹊姆椒ū硎酒錈嵴鸱€(wěn)定性的好壞，以供用戶選材時參考。

12. 最高工作溫度（MWT）

是指材料能夠長期使用的最高溫度。除材料本身的性能外，窯具的最高工作溫度還與氣氛、窯具形狀與尺寸、荷載及分布、支撐方式等因素有密切的關(guān)系，比如同樣的窯具在氧化氣氛下的MWT要比還原氣氛下高很多；又大又薄的棚板MWT顯然比又小又厚的棚板要低很多；載荷均勻分布的棚板MWT比載荷集中在中間的棚板要高；橫梁支撐的棚板MWT比四點支撐的棚板要高。熱金寶窯具所標(biāo)示的最高工作溫度均是指在氧化氣氛下的溫度。對窯具而言，很難標(biāo)識其準(zhǔn)確的MWT，一般都是根據(jù)材料的高溫抗折強度再結(jié)合實際經(jīng)驗而給出的。

廣東熱金寶與歐洲合作伙伴聯(lián)合制定的通過測定窯具試樣在指定溫度和一定載荷作用下的變形率來評價窯具的最高使用溫度具有重要的實用價值。