连铸熔融石英质耐火制品热膨胀系数检测

连铸熔融石英质耐火制品热膨胀系数检测技术研究

摘要
热膨胀系数是评价连铸用熔融石英质耐火制品热震稳定性、尺寸稳定性及与钢水/熔渣相容性的关键物理参数。本文系统阐述了该制品的CTE检测项目，详细分析了不同检测方法的原理与适用范围，列举了其在连铸工业中的具体检测需求，引述了国内外相关标准，并介绍了核心检测仪器的功能与特性，以期为产品质量控制与工艺优化提供技术依据。

1. 检测项目：方法及原理

热膨胀系数通常指线膨胀系数，表示材料在单位温度变化下的相对长度变化率。对于熔融石英质耐火材料，其CTE值极低（通常在0.5×10⁻⁶ /K至1.5×10⁻⁶ /K之间），检测要求精度高、重复性好。主要检测方法包括：

1.1 顶杆式推杆法（Push-Rod Dilatometry）

• 原理：这是最常用的绝对法。将制备好的试样置于炉内，一端固定，另一端通过低膨胀的推杆（常用熔融石英或蓝宝石）将长度变化传递至高精度位移传感器（如LVDT、电容传感器）。在程序控温下，同步记录温度与试样的相对伸长量，通过计算得出平均线膨胀系数或瞬时线膨胀系数。

• 关键技术：为消除系统误差，需进行空白校准。方法适用于从室温至1400℃的宽温区检测，尤其适合熔融石英制品在软化点（约1100℃）以下的热膨胀行为精确测定。

1.2 光学干涉法（如激光干涉法）

• 原理：利用激光干涉技术直接测量试样长度随温度的变化。激光束被试样两端面反射或通过附着在试样上的反射镜反射，产生干涉条纹，通过条纹移动数量精确计算长度变化。

• 特点：非接触式测量，避免了机械传递误差，精度极高（可达纳米级），特别适用于检测超低膨胀材料。但设备复杂，对环境（振动、气流）要求苛刻，多用于科研及高精度标样校准。

1.3 应变片法

• 原理：将电阻应变片直接粘贴在试样表面，温度变化时，试样膨胀或收缩导致应变片电阻值变化，通过电桥电路测量应变，再换算为热膨胀系数。

• 适用范围：该方法更适用于现场或在特定构件上的测量，以及中低温范围（一般<800℃）的测试。对于高温下存在相变或粘性流动的熔融石英制品，粘贴剂和应变片的稳定性是挑战。

对于熔融石英制品，重点检测其从室温到使用温度（如连铸中间包冲击区、水口等部位的工作温度，约800-1100℃）范围内的平均线膨胀系数，并观察其膨胀-温度曲线的线性度，以评估其纯度和微观结构的均匀性。

2. 检测范围：应用领域需求

连铸熔融石英质耐火制品因其优异的抗热震性、化学稳定性及对钢液污染小等特点，广泛应用于以下环节，其CTE检测需求各有侧重：

2.1 长水口和浸入式水口：作为钢包与结晶器间的保护浇注通道，承受剧烈的热冲击。需精确检测其从室温至1100℃的CTE，以评估其抗热震能力（热震参数R’∝1/α），确保在急冷急热下不开裂。
2.2 整体塞棒：控制钢水流速的关键部件。需检测其头部与棒身材料的热膨胀匹配性，防止因膨胀差异导致应力集中而断裂。
2.3 中间包上水口及稳流器：在中间包内使用，要求与包衬材料或座砖的热膨胀行为协调，避免接缝扩大造成钢水渗漏。需对比检测制品与配套材料的热膨胀曲线。
2.4 定径水口（小方坯连铸）：要求极高的尺寸稳定性。CTE检测是验证其在连续工作温度下孔径变化率的关键依据。
2.5 新产品研发与原料质量控制：开发新型熔融石英复合材料时，需系统检测不同配方、烧结工艺对制品CTE的影响，优化性能。对原料熔融石英玻璃块的纯度检测，其CTE是判断其SiO₂含量与结构完整性的敏感指标。

3. 检测标准：国内外规范

检测需遵循标准化的试样制备、测试程序和报告格式。

3.1 中国国家标准（GB）及行业标准（YB）

• GB/T 7320《耐火材料 热膨胀试验方法》：等效采用国际标准，规定了顶杆法测定耐火材料热膨胀系数的通用方法，是基础性标准。

• YB/T 4017《连铸用熔融石英质耐火制品》：产品标准中明确规定了热膨胀系数的技术要求（通常要求≤1.2×10⁻⁶ /K，20-1000℃）和检验方法，引用了GB/T 7320。

• GB/T 34183《热分析法测定耐火材料线热膨胀系数》：提供了更为详细的测试与数据处理指南。

3.2 国际及国外标准

• ISO 7884-8《玻璃 粘度和转变温度测定 第8部分：膨胀法测定转变温度》：虽针对玻璃，但熔融石英作为玻璃态物质，其转变温度（Tg）附近的膨胀行为检测可参考此标准。

• ASTM E228《用透明石英膨胀计测定固体材料线性热膨胀的标准试验方法》：美国材料与试验协会标准，是顶杆法的经典规范，被广泛引用。

• DIN 51045-1《陶瓷、玻璃和釉料热膨胀的测定》：德国标准，规定详细。

在实际检测中，通常依据产品标准（如YB/T 4017）的要求，并按照GB/T 7320或ASTM E228规定的具体程序进行操作。

4. 检测仪器：主要设备功能

核心设备为热膨胀仪，主要由加热炉、推杆系统、位移测量系统、温度测量与控制系统、数据采集与处理系统构成。

4.1 加热系统

• 高温炉体：采用电阻丝（<1200℃）或MoSi₂、SiC等发热元件（>1200℃），能实现程序升温、降温及恒温控制，最高温度需覆盖制品极限使用温度（如1400℃）。炉膛需有均匀的恒温区。

• 温度测量：使用S型（铂铑10-铂）或R型（铂铑13-铂）热电偶，紧密靠近试样以准确测量其真实温度。

4.2 位移测量系统

• 核心传感器：高线性度、高分辨率的LVDT（线性可变差动变压器）或电容传感器。对于检测超低膨胀的熔融石英，传感器分辨率通常需优于0.1微米。

• 推杆与支架：推杆材料必须具有极低且已知的热膨胀系数（如高纯熔融石英、蓝宝石或特种陶瓷），以在软件中进行系统膨胀补偿。试样支架需确保对中，减少摩擦。

4.3 控制系统与软件

• 温度程序控制器：精确控制升降温速率（通常为2-5 K/min，以减小温度梯度）。

• 数据采集与处理软件：实时同步采集温度与位移信号，自动计算平均线膨胀系数（α = ΔL/(L₀·ΔT)）、瞬时线膨胀系数，并绘制膨胀量（ΔL/L₀）与温度的关系曲线。软件应具备完善的系统校准（空白曲线扣除）、数据平滑、多点回归分析等功能。

为确保数据准确可靠，仪器需定期使用国家标准物质（如高纯氧化铝、熔融石英标准样品）进行校准和验证。试样制备需严格按标准进行，通常为φ(6-10)mm × (25-50)mm的圆柱体，两端面平行、光滑，以减小测量误差。

结论
对连铸用熔融石英质耐火制品进行精确、标准化的热膨胀系数检测，是保障其在实际连铸工艺中安全、稳定、长效运行的重要技术手段。顶杆式推杆法因其平衡了精度、可靠性和操作便利性，成为工业检测与质量控制的首选方法。随着连铸技术的发展和对钢质纯净度要求的提高，对熔融石英制品及其复合材料热物理性能的检测将朝着更高精度、更高温度及更复杂环境模拟的方向发展。