CN106053530B - 耐火材料导热系数的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐火材料导热系数的计算方法，包括如下步骤：将耐火材料进行研磨得到小粒径耐火材料试样；向小粒径耐火材料中加入液体，并混合均匀；将混合均匀的小粒径耐火材料制成圆片状试样；将圆片状试样放入烘箱内烘干；测量并记录圆片状试样的质量、厚度、密度；用胶体石墨均匀喷涂在圆片状试样表面；将圆片状试样放入导热系数测定仪的载样室；对载样室进行抽真空处理或向载样室内通入惰性气体；对载样室内的圆片状试样进行加热至目标温度；导热系数测定仪发射激光脉冲，记录圆片状试样的热扩散系数α、比热容Cp；根据上述数据计算出耐火材料的导热系数。本发明能准确得出耐火材料的导热系数。
Description
技术领域
本发明涉及耐火材料参数的确定，具体涉及一种耐火材料导热系数的计算方法。
背景技术
导热系数是材料传热计算中非常重要的物理量，不仅是评价材料能否适用于具体传热过程的重要依据，也是进行工程装备热设计的主要参数。对于材料的导热系数的测量，主要有热线法、激光闪射法、平板法等几种技术手段，其中激光闪射法由于测量时间短、准确度高且适用的材质广等优点，得以迅速发展，得到了国际上导热系数研究领域的公认和推崇。
国家标准《GB/T 22588-2008闪光法测量热扩散系数或导热系数》对激光法测量材料的导热系数作了规定，其中说明该方法适用于均匀的各向同性固体材料，如金属类物质。对于不均匀和各向异性的复合材料，如耐火材料等，测得的数据会有较大误差。导致耐火材料等无法按照标准方法进行试验，检测结果没有可比性和参考价值，给高温工业窑炉的设计和施工带来困扰。在实际工业窑炉设计、施工时，导热系数作为重要的性能指标，必须保证数据的精确性，因此急需确定耐火材料的导热系数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐火材料导热系数的计算方法，该方法能准确得出耐火材料的导热系数。
本发明所采用的技术方案是：
一种耐火材料导热系数的计算方法，包括如下步骤：
1)、将耐火材料进行研磨得到小粒径耐火材料试样，所述小粒径耐火材料的粒径小于200μm；
2)、向小粒径耐火材料中加入液体，并混合均匀；
3)、将混合均匀的小粒径耐火材料制成圆片状试样；
4)、将圆片状试样放入烘箱内烘干；
5)、测量并记录圆片状试样的质量、厚度、密度；
6)、用胶体石墨均匀喷涂在圆片状试样表面，形成石墨涂层；
7)、将圆片状试样放入导热系数测定仪的载样室；对载样室进行抽真空处理或向载样室内通入惰性气体；
8)、对载样室内的圆片状试样进行加热至目标温度后恒温10min左右，使载样室内温度稳定；
9)、导热系数测定仪发射激光脉冲，记录圆片状试样的热扩散系数α、比热容Cp；
10)、计算圆片状试样的导热系数λ，
λ＝α·Cp·ρ
其中：λ为导热系数(W/cm·K)，α为热扩散系数(cm2/sec)，Cp为比热容(J/g/K)，ρ为密度(g/cm3)。
按上述方案，所述胶体石墨包括以下按重量份计的组分：石墨微粉30～45重量份，纤维素2～4重量份，水40～60重量份，表面活性剂0.1～1.0重量份，稳定剂硫酸盐10～20重量份。所述石墨微粉的粒度小于4μm。石墨涂层要均匀且厚度以0.2～0.5mm为宜。喷涂石墨是为了增加试样对光能的吸收比与红外发射率，以提高实验的准确性。在喷涂的同时可用电风吹加热圆片状试样表面，并且每次喷涂都保持喷头与试样之间的距离一致，使石墨更容易在试样表面均匀的覆盖。
按上述方案，所述小粒径耐火材料的粒径为50～200μm，以确保耐火材料的均匀性。
按上述方案，圆片状试样的直径为10～15mm，高为1～3mm，以方便试样的制作和试验。
按上述方案，步骤2)中，向小粒径耐火材料中加入液体，并混合均匀的步骤为：
向小粒径耐火材料中加入糊精或环氧树脂类有机结合剂，混合均匀，再加入水进行调和，加入的液体不宜太多，以刚好能够粘结成型为准。如样品能与水反应，则加入其它液体混合。
按上述方案，将圆片状试样放入烘箱进行24h的110℃烘干操作。如果是生料按照试验要求的温度放入电炉内烧成。
影响实验结果准确性的因素较多，包括试样表面的性质，试样受热后密度变化等。因此在进行实验时要取多个试样并且在每个目标温度下测试多组数据，取平均值，以提高数据的准确性。
本方法通过磨粉、制样将不均质、各向异性的耐火材料转变为均质的圆形样品，能够克服不均匀和各向异性的复合材料检测数据存在较大误差的问题，使得结果能够真实、准确的反应耐火材料的导热性能，得出准确耐火材料的导热系数，给工业窑炉的设计、计算提供精确的数据支持；为高温窑炉合理选择耐火材料提供依据，保证窑炉生产安全，延长其使用寿命。在行业内能够起到示范作用，创造较好的经济价值和社会效益。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是制样模具的俯视结构示意图；
图2是制样模具的侧视结构示意图；
图3是圆片状试样的结构示意图。
其中：1、盖板，2、底座，3、螺栓，4、样品盛放区，5、圆片状试样。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种耐火材料导热系数的计算方法，具体包括如下步骤：
(1)用行星磨之类的研磨设备将耐火材料磨碎至粒径为200μm以下的小粒径耐火材料；优选粒径为50～200μm的小粒径耐火材料；
(2)向小粒径耐火材料加入糊精或环氧树脂类有机结合剂(比如：酚醛树脂、糊精)，混合均匀，再加入水进行调和，加入的液体不宜太多，以刚好能够粘结成型为准；如小粒径耐火材料能与水反应，则加入其它合适的液体；
(3)将调和好的样品放入如图1、图2所示的制样模具内成型；该制样模具分为底座2和盖板1两层，盖板1中心有一圆形样品盛放区4，圆形样品盛放区4尺寸由导热系数测定仪的载样室尺寸决定，一般为直径10～15mm，深度1～3mm，底座2和盖板1由螺栓3连接固定；
(4)待试样干燥后脱模，制成如图3所示的圆片状试样5，将圆片状试样5放入烘箱内110℃×24h烘干，如果是生料按照试验要求的温度放入电炉内烧成；
(5)测量并记录圆片状试样的质量、厚度、密度等数据；
(6)用酒精将圆片状试样的表面擦拭干净，然后用胶体石墨喷涂圆片状试样表面，石墨涂层要均匀且厚度以0.2～0.5mm为宜；包括以下按重量份计的组分：粒度小于4μm的石墨微粉30～45重量份，纤维素2～4重量份，水40～60重量份，表面活性剂0.1～1.0重量份，稳定剂硫酸盐10～20重量份；喷涂石墨是为了增加试样对光能的吸收比与红外发射率，以提高实验的准确性；在喷涂石墨的同时可用电风吹圆片状试样表面，并且每次喷涂都保持喷头与圆片状试样之间的距离一致，使石墨更容易在圆片状试样表面均匀的覆盖；
(7)将圆片状试样放入导热系数测定仪的载样室；对载样室进行抽真空处理或向载样室内通入惰性气体；
8)、载样室内的圆片状试样加热至目标温度后恒温10min左右，使载样室内温度稳定；
9)、导热系数测定仪发射激光脉冲，记录圆片状试样的热扩散系数α、比热容Cp；
10)、计算圆片状试样的导热系数λ，
λ＝α·Cp·ρ
其中：λ为导热系数(W/cm·K)，α为热扩散系数(cm2/sec)，Cp为比热容(J/g/K)，ρ为密度(g/cm3)。
影响实验结果准确性的因素较多，包括试样表面的性质，试样受热后密度变化等。因此在进行实验时要取多个试样并且每个目标温度下测试多组数据，取平均值，以便得出正确的耐火材料导热系数。
本方法已于2005年起用于武钢下辖的湖北省冶金材料分析测试中心的耐火材料导热系数检验工作，效果良好，检验费一年创效10余万元，截至2015年创效100余万元。该方法保证了导热系数结果的准确性，为工程装备热设计提供精确的数据支持，保证了高温炉窑的合理选材，延长了其使用寿命，降低了生产成本。从保温的角度看，可避免窑炉、管道热损失，节能降耗；从传热方面看，可提高传热效率，优化热工性能。带来较好的经济效益和社会效益。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种耐火材料导热系数的计算方法，其特征在于包括如下步骤：
1)、将耐火材料进行研磨得到小粒径耐火材料试样，所述小粒径耐火材料的粒径小于200μm；
2)、向小粒径耐火材料加入糊精或环氧树脂类有机结合剂，混合均匀，再加入水进行调和，加入的液体不宜太多，以刚好能够粘结成型为准；如小粒径耐火材料能与水反应，则加入其它合适的液体；
3)、将混合均匀的小粒径耐火材料制成圆片状试样；
4)、将圆片状试样放入烘箱内烘干；
5)、测量并记录圆片状试样的质量、厚度、密度；
6)、用胶体石墨均匀喷涂在圆片状试样表面；
7)、将圆片状试样放入导热系数测定仪的载样室；对载样室进行抽真空处理或向载样室内通入惰性气体；
8)、对载样室内的圆片状试样进行加热至目标温度；
9)、导热系数测定仪发射激光脉冲，记录圆片状试样的热扩散系数α、比热容Cp；
10)、计算圆片状试样的导热系数λ，
λ＝α·Cp·ρ
其中：λ为导热系数，单位为W/cm·K，α为热扩散系数，单位为cm2/sec，Cp为比热容，单位为J/g/K，ρ为密度，单位为g/cm3。
2.根据权利要求1所述的耐火材料导热系数的计算方法，其特征在于：所述胶体石墨包括以下按重量份计的组分：石墨微粉30～45重量份，纤维素2～4重量份，水40～60重量份，表面活性剂0.1～1.0重量份，稳定剂硫酸盐10～20重量份。
3.根据权利要求2所述的耐火材料导热系数的计算方法，其特征在于：所述石墨微粉的粒度小于4μm。
4.根据权利要求1所述的耐火材料导热系数的计算方法，其特征在于：所述小粒径耐火材料的粒径为50～200μm。
5.根据权利要求1所述的耐火材料导热系数的计算方法，其特征在于：每个目标温度下测试多组数据，取平均值。
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