CN206300915U - 一种耐火材料传热性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种耐火材料传热性能测试装置，包括传热模具和红外热流发射单元，传热模具用于放置耐火材料样品，并通过设置多组热电偶与温度采集器连接，红外热流发射单元位于传热模具及耐火材料样品的上方，包括产生红外热流的红外热流发生组件和将红外热流向耐火材料样品进行定向照射的热流定向照射组件。本实用新型可用于测定稳态或非稳态条件下耐火材料的传热性能，测量数据准确可信，操作简单方便，运行平顺稳定，成本相对低廉，且通过一次实验就可获得不同温度条件下的多项热流数据。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种耐火材料传热性能测试装置，属于高温耐火材料传热性能测试设备开发技术领域。
背景技术
随着科学技术的进步发展，我国耐火材料工业迅速发展，耐火材料产量已经多年位居世界第一，但是耐火材料产业整体的技术水平和产品结构等方面与国际先进水平相比差距很大。面对我国高温工业技术的飞速发展和加入WTO后对我国耐火材料工业所形成的机遇和挑战，我国耐火材料工业也将不断地寻找出路向前发展。在高温工业的发展和技术进步的促进下，人们对耐火材料性能的认识将越来越深，要求越来越高，不断地有新的性能项目来表达耐火材料的质量和耐用性。因此，要求测定耐火材料的性能项目会越来越多。
目前关于耐火材料性能特别是传热性能的研究，研究最多的是测定耐火材料的导热系数，因为导热系数是耐火材料重要的热学性能参数，也是炉窑设计重要的热工技术参数。一般而已，耐火材料的传热与实际过程有关，可以划分稳态和非稳态两种情况，当前按照测量元件的不同，国内外耐火材料导热系数的测定方法主要有水流量平板法、十字热线法、平行热线法以及闪光法。
国内的水流量平板法仅适用于测量热面温度200-1300℃，导热系数为0.03-2.00W/(m.K)的耐火材料，即使是最先进的美国ASTM水流量平板法也仅仅适用于测量温度为205-1540℃，导热系数小于等于28.8W/(m.K)的耐火材料,而且这两种测量方式的实验室精度误差约为10％，均属于稳态条件下的一维传热。而十字热线法仅适用于测量温度小于等于1250℃，导热系数小于等于1.5W/(m.K)的耐火材料，实验测量误差为10％-30％，该测量方法属于非稳态导热法；平行热线法与十字热线法一样，也是属于非稳态导热法，仅适用于测量温度小于等于1250℃，导热系数小于等于25W/(m.K)的耐火材料，实验测量误差为10％-30％。此外，闪光法仅适合于测量-200-2000℃，导热系数为0.05-2000W/(m.K)的耐火材料，属于非稳态导热法。由此看来，测试耐火材料的导热系数时，需要选择不同的方法，对于轻质耐火材料而言，一般宜选用水流量平板法，对于非含碳和非导电的重质耐火材料而言，一般宜选用十字热线法和平行热线法，而对于含碳和导电的耐火材料来说，适宜选用闪光法进行测量。
总之，采用以上这些方法进行耐火材料导热系数测定时，通过一次试验不能够同时对稳态和非稳态条件下耐火材料的导热系数进行测定，而且还与耐火材料类型有很大的关系，除此之外，实验测量产生的误差也很大，因此，无法满足现代耐火材料性能项目特别是传热性能的研究，需要开发新的技术来弥补这些方法存在一定的不足和劣势，更加精确地测量和表征耐火材料的传热性能，为现代工业科技服务。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题是：针对现有耐火材料在传热性能测试中的不足之处，提供一种新型的耐火材料传热测试装置。
本实用新型采用如下技术方案：
一种耐火材料传热性能测试装置，包括：
传热模具，用于放置耐火材料样品，并与温度采集单元连接；
红外热流发射单元，位于传热模具及耐火材料样品的上方，包括产生红外热流的红外热流发生组件和将红外热流向耐火材料样品进行定向照射的热流定向照射组件。
进一步的，所述红外热流发生组件为真空密闭的钨合金丝灯，所述钨合金丝灯与红外热流发射功率控制器连接；
所述热流定向照射组件为扣装在红外热流发生单元上的凹型反光灯罩，所述凹型反光灯罩将红外热流发生装置产生的红外热流反射形成平行光束。
进一步的，所述凹型反光灯罩与空气冷却系统连接。
进一步的，所述红外热流发射单元和传热模具之间通过挡光板隔开，在所述挡光板上设有供红外热流透射到耐火材料样品的透光板。
进一步的，所述红外热流发生组件和透光板之间的垂直距离为3-5cm。
进一步的，所述传热模具采用传热模具，在所述传热模具的外壁上包裹设有隔热材料制成的绝热层。
进一步的，所述传热模具内与水冷却系统连接。
进一步的，所述传热模具的底部设有升降控制器。
在本实用新型中，所述温度采集单元包括至少三组热电偶，所有热电偶均沿耐火材料样品及传热模具的同一垂直线布置，其中一组热电偶布置在耐火材料样品上层表面，其他的热电偶分别布置在传热模具内的同一垂直线上；
所述热电偶与外部的温度数据采集器连接。
优选的，所述热电偶为K型铠装热电偶。
本实用新型测试的耐火材料样品为各种承受高温的设备(如钢包、转炉、回转炉窑等)炉衬用耐火材料。
与现有技术相比，本实用新型所具有如下有益效果：
本实用新型通过对耐火材料实际受热情况的分析，抓住不同温度条件下传热不同的关键问题，搭建的测试设备能够模拟生产实际，通过控制真空密闭的钨合金丝灯泡的功率来真实再现不同温度条件下冶金熔体/熔渣/发热元件发射向炉壁等高温环境的热流大小，通过控制耐火材料样品的厚度、耐火材料类型来模拟实际过程中稳态和非稳态条件下的热流变化情况。
本实用新型中的红外热流发射单元具有输入热流功率可调、测试精度高、可信度好的功能；同时装置设计结构简洁、新颖，样品制备简单，设备使用方便，测试稳定性高，制造成本较小。
本实用新型的温度数据采集器能连续不断地通过多组热电偶对耐火材料样品及传热后的传热模具内部的温度信号进行采集。
本实用新型解决了现有冶金过程中高温熔体或熔渣或发热元件-耐火材料-炉壁之间热流不能实时监控的难题，再现了实际过程中具体工况条件，可用于研究、测试和评价耐火材料的传热性能，并对实际生产过程中的设备热能利用效率做出合理评价。
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。
附图说明
图1为实施例中的一种耐火材料传热性能测试装置的结构示意图。
图2为实施例对钢包炉衬用耐火材料测得的热流曲线示意图。
图中标号：1-红外热流发射功率控制器、2-凹型反光灯罩、3-挡光板、4-透光板、5-耐火材料样品、6-绝热层、7-传热模具、8-水冷却系统、9-钨合金丝灯、10-第二热电偶、11-第三热电偶、12-数据采集器、13-空气冷却系统、14-升降控制器、15-第一热电偶。
具体实施方式
实施例
参见图1，图示中的一种耐火材料传热性能测试装置为本实用新型的优选实施方案，具体包括红外热流发射功率控制器1、凹型反光灯罩2、挡光板3、透光板4、耐火材料样品5、绝热层6、传热模具7、水冷却系统8、钨合金丝灯9、第二热电偶10、第三热电偶11、数据采集器12、空气冷却系统13、升降控制器14、第一热电偶15。
本实施例中的测试装置主体为红外热流发射单元和传热模具，红外热流发射单元包括钨合金丝灯9和凹型反光灯罩2，钨合金丝灯9作为红外热流发生组件与红外热流发射功率控制器1连接，钨合金丝灯9的功率可以通过外接控制装置进行调控，其产生发散的热流被扣装在上方的凹型反光灯罩2所汇聚并变成均匀平行并垂直向下的热流光线，凹型反光灯罩2作为热流定向照射组件，将钨合金丝灯9发出的热流定向照射到传热模具7上的耐火材料样品5上，模拟耐火材料对应的高温环境。凹型发光灯罩2由于接受热流的长期照射，设置一空气冷却系统14与凹型发光灯罩2连接，通过空气冷却系统对凹型发光灯罩2进行冷却。空气冷却系统可根据现有的风冷技术进行选择，本实施例在此不对具体的空气冷却方案进行赘述。
传热模具7位于凹型反光灯罩2的反射下方，用于放置耐火材料样品5，同时对耐火材料样品5的热量进行传导，红外热流发射单元与耐火材料样品5及传热模具7之间的传热可以处理为定向传热，并通过温度采集单元进行温度信号采集。
为了保证传热模具7的热传导效率，传热模具7采用圆柱体传热模具，在耐火材料样品5及传热模具7上分别设有连接数据采集器12的热电偶作为温度信号采集单元，其中，在耐火材料样品5上表面的正中央设有第一热电偶15，用于采集耐火材料表面的温度，在传热模具7内设有两组K形铠装热电偶，其中第二热电偶10距离传热模具7顶部的距离为0.5-2.5mm、优选为1mm，第三热电偶11与传热模具7顶部的距离为2.5-6.0mm、优选为4mm，第一热电偶15、第二热电偶10和第三热电偶11分别与外部的数据采集器12相连，关于通过热电偶和温度信号采集器连接进行温度监测属于现有的温度检测技术，本实施例在此不对温度信号的数据采集方案进行赘述。
第一热电偶15、第二热电偶10和第三热电偶11分别位于耐火材料样品5和传热模具7的中心垂直线上，结合由上向下平行照射的红外热流发射单元产生的能量均匀、强度可调的单向热源传导路线，根据传热模具7内多组热电偶记录的数据绘制待测试的耐火材料样品的热流曲线，通过增加垂直线上的热电偶数量，还可更加细化温度变化曲线，在对热流曲线的变化进行分析，结合耐火材料样品上的第一热电偶15所同步测得的温度数据，即可判断耐火材料在低温和高温条件下的传热能力大小。
传热模具7内部通过回路管道连接水冷却系统8，在传热模具7的外侧包裹设有隔热材料制成的绝热层6。
传热模具7的底部还设有升降控制器14，通过电动丝杆组件或液压升降组件等升降控制器实现对传热模具7及其上的耐火材料样品5进行受热高度调节。
本实施例在钨合金丝灯9和放置在传热模具上的耐火材料样品5之间有一可挪动的挡光板3，将周边发散的非平行热源光进行屏蔽，光线通过在挡光板上的透光板4垂直照射在耐火材料样品5上，同时挡光板3还可防止耐火材料样品中的挥发份向上蒸腾而腐蚀钨合金丝灯9。钨合金丝灯9采用发射功率可连续调节的真空密闭的钨合金丝灯，由至少12根平行排列的真空密闭的钨合金丝灯组成一排水平设置在透光板4上部，钨合金丝灯9与透光板4两者之间的垂直距离为3-5cm。
以下通过一个测试实例说明本实施例的测试过程。
[1]样品制备：
本实例的测试样品为钢包炉衬用耐火材料，对钢包炉衬用耐火材料进行切割，然后用60-1800目规格的砂纸进行打磨和抛光，以保证渣片具有一定的厚度和光洁度，并确保上下表面平行，从而制备成厚度为3cm，直径与传热模具直径相同的样品；
[2]实验操作过程：
将制备好的上表面带第一热电偶的钢包炉衬用耐火材料样品放置在传热模具上方，调节好升降控制器，开启红外发射系统进行加热，首先施加400KW/m2红外热流进行预热100s；同时开启数据采集装置并同步记录和存储第一热电偶15、第二热电偶10和第三热电偶11测量的温度数据，再将输入热流按照固定的升温速率10KW/m2s线性升至800KW/m2并保持500s后进行低温传热能力的测试；再继续以10KW/m2s升温速率线性升温至2000KW/m2并保持500s后进行高温传热能力的测试，从而模拟获得与生产过程中钢包炉衬用耐火材料的实际受热情况。
[3]数据分析：
根据传热模具内第二热电偶10和第三热电偶11记录存储的温度数据绘制通过钢包炉衬用耐火材料样品的热流曲线，如图2所示，可以看出，整个热流曲线分为4个阶段，阶段I：通过钢包炉衬用耐火材料样品的热流随系统线性加热而线性增加的阶段，样品表面温度也继续升高；阶段II：热流按照固定的升温速率10KW/m2s线性升至400KW/m2并保持500s后，通过钢包炉衬用耐火材料样品的热流保持恒定，同时样品表面温度保持不变；阶段III：当升温输出的热流继续以10KW/m2s速率增大至最终值800KW/m2的过程中，通过钢包炉衬用耐火材料样品的热流继续增大，同时样品表面温度也继续升高；阶段IV：当升温输出的热流增大至2000KW/m2后并保持500s的过程中，通过钢包炉衬用耐火材料样品的热流以及样品表面的温度均保持恒定。于是根据热流曲线和样品表面的温度很明显可以判断出高温和低温条件下钢包炉衬用耐火材料的稳态传热能力，同时还可以判断出热流辐射加大过程中钢包炉衬用耐火材料的瞬时传热能力，能够真是客观地再现钢包炉衬用耐火材料的实际传热能力。
以上实施例描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点，本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的具体工作原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内，本实用新型要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种耐火材料传热性能测试装置，其特征在于包括：
传热模具，用于放置耐火材料样品，并与温度采集单元连接；
红外热流发射单元，位于传热模具及耐火材料样品的上方，包括产生红外热流的红外热流发生组件和将红外热流向耐火材料样品进行定向照射的热流定向照射组件。
2.根据权利要求1所述的一种耐火材料传热性能测试装置，其特征在于
所述红外热流发生组件为真空密闭的钨合金丝灯，所述钨合金丝灯与红外热流发射功率控制器连接；
所述热流定向照射组件为扣装在红外热流发生单元上的凹型反光灯罩，所述凹型反光灯罩将红外热流发生装置产生的红外热流反射形成平行光束。
3.根据权利要求2所述的一种耐火材料传热性能测试装置，其特征在于
所述凹型反光灯罩与空气冷却系统连接。
4.根据权利要求1所述的一种耐火材料传热性能测试装置，其特征在于
所述红外热流发射单元和传热模具之间通过挡光板隔开，在所述挡光板上设有供红外热流透射到耐火材料样品的透光板。
5.根据权利要求4所述的一种耐火材料传热性能测试装置，其特征在于
所述红外热流发生组件和透光板之间的垂直距离为3-5cm。
6.根据权利要求1所述的一种耐火材料传热性能测试装置，其特征在于
所述传热模具采用传热模具，在所述传热模具的外壁上包裹设有隔热材料制成的绝热层。
7.根据权利要求6所述的一种耐火材料传热性能测试装置，其特征在于
所述传热模具内与水冷却系统连接。
8.根据权利要求7所述的一种耐火材料传热性能测试装置，其特征在于
所述传热模具的底部设有升降控制器。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种耐火材料传热性能测试装置，其特征在于
所述温度采集单元包括至少三组热电偶，所有热电偶均沿耐火材料样品及传热模具的同一垂直线布置，其中一组热电偶布置在耐火材料样品上层表面，其他的热电偶分别布置在传热模具内的同一垂直线上；
所述热电偶与外部的温度数据采集器连接。
10.根据权利要求9所述的一种耐火材料传热性能测试装置，其特征在于
所述热电偶为K型铠装热电偶。
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| CN201621467080.2U CN206300915U (zh) | 2016-12-29 | 2016-12-29 | 一种耐火材料传热性能测试装置 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107576684A (zh) * | 2017-09-13 | 2018-01-12 | 中南大学 | 一种耐火材料传热性能测试装置及其应用方法 |
| CN108088869A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-05-29 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 一种热防护系统隔热性能试验装置 |
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