工業(yè)窯爐新型耐火材料熱物理性能的研究

陳功備 宮小龍 張海榮

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西景德鎮(zhèn) 333001）

工業(yè)窯爐新型耐火材料熱物理性能的研究

陳功備 宮小龍 張海榮

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西景德鎮(zhèn) 333001）

選擇常用的耐火材料，模擬工業(yè)窯爐（主要是陶瓷窯爐）實(shí)際工況的溫度分布特點(diǎn)，在各種溫度下對材料試樣進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測試，最后利用數(shù)學(xué)方法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得出與溫度的關(guān)系表達(dá)式或圖表。

耐火材料；導(dǎo)熱系數(shù)

0 引言

陶瓷行業(yè)是耗能大戶，最主要的設(shè)備就是窯爐，而耐火材料又是窯爐設(shè)計(jì)，制造與應(yīng)用的關(guān)鍵材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新型耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、強(qiáng)度等熱物理性能，無論是生產(chǎn)企業(yè)還是使用部門也僅僅做了一些相對性的測試并都沒有進(jìn)行全面測試分析。本文旨在研究工業(yè)窯爐常用新型耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)在不同溫度特別是高溫下它們隨溫度變化的規(guī)律，得出的結(jié)論將為工業(yè)窯爐的設(shè)計(jì)制造、使用和材料選擇提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本課題分為兩個部分，先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，然后進(jìn)行理論數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)部分：收集常用新型耐火材料的樣品，分別制成若干φ105～200mm，厚度為8～25mm的試樣，利用高溫導(dǎo)熱系數(shù)測定儀器，模擬耐火材料的使用環(huán)境，測定不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。理論部分：采用線性回歸方法、最小二乘法，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，尋求導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式和圖表。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置是根據(jù)付立葉單向平壁穩(wěn)定導(dǎo)熱過程的基本原理，來測定不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)長度與寬度為厚度的8～10倍以上時(shí)，平壁邊緣的影響可以忽略不計(jì)。這樣的平壁導(dǎo)熱可認(rèn)為只沿厚度（X軸）方向進(jìn)行，公式如下：

其中，λ為高溫導(dǎo)熱系數(shù)；q為熱流密度；F為試件測試區(qū)面積；δ為試件厚度；t1為試件高溫面溫度為t2為試件低溫面溫度。

因此，只要在實(shí)驗(yàn)過程中測定了t1，t2和Q，并已知試件的厚度δ和測量面積A，就可以計(jì)算出被測材料在平均溫度[(t1+t2)/2]下的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2 測試裝置

測定裝置主要有單方向加熱爐，控溫系統(tǒng)和蒸汽量熱裝置等三部分組成。單方向加熱爐的結(jié)構(gòu)們示意圖見圖1。加熱爐由經(jīng)過處理的硅炭棒作發(fā)熱體，爐襯用耐火、耐熱的保溫材料砌成，在爐腔底部放置碳化硅板作為均熱板。均熱板中心處，從下面伸出一熱電偶，用來測量試件高溫面的溫度，均熱板上面放置被測試件，試件上面中心處放置另一熱電偶，用來測量試件低溫面的溫度。試件四周設(shè)有耐火耐熱保溫材料的襯環(huán)。加熱爐由數(shù)字溫度控制器和可控硅等組成的控溫系統(tǒng)來進(jìn)行加熱和控溫。

表1 線性回歸分析數(shù)據(jù)表Tab.1 Linear regression analysis of the data

量熱裝置主要由量熱桶，恒溫桶，保溫桶設(shè)有隔熱環(huán)及汽體浮化膜的底盤和汽水分離器等組成，熱量裝置中心的量熱筒是整個裝置的核心，它吸取來自單方向加熱爐通過試件的熱量，使其內(nèi)部的蒸餾水變成一個大氣壓下100℃的水蒸氣。水蒸氣經(jīng)過多級汽水分離器分離后，進(jìn)入冷凝器冷凝成水。根據(jù)冷凝水的重量，便可求得通過試件的Q。汽水分離器的作用是把由于水的激烈沸騰而混入蒸汽的微小水滴與純蒸汽分離開來，使測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

利用表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)線性回歸方法進(jìn)行歸納分析可知，T的平均值t=1859/9=206.56，λ的平均值λ=2.14/9=0.2378，所以有：

利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了該材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的圖像（見圖2），根據(jù)最小二乘法原理，于是得到了輕質(zhì)莫來石磚的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系式：λ=0.241572+0.00316t

根據(jù)同樣的原理，我們還得出了其他常用新型耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系式，在此不一一列出。

3 結(jié)語

本文得出的計(jì)算公式對陶瓷工業(yè)窯爐的設(shè)計(jì)與制造行業(yè)有著重要的指導(dǎo)作用，而且還可以作為設(shè)計(jì)選材的可靠依據(jù)，對降低工業(yè)窯爐的能耗也會有明顯效果。

1 楊世銘.傳熱學(xué).北京:高等教育出版社,1987

2 韓昭滄.燃料及燃燒.北京:冶金業(yè)出工版社,1994

3 汪滌.高溫導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置說明.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2001

Thermal Physical Properties of New Refractories for Industrial Kilns

CHEN GongbeiGONG XiaolongZHANG Hairong
(Key Laboratory of Advanced Ceramics of Jiangxi Province,School of Materials Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen Jiangxi 333001,China)

Conventional refractory materials were used to simulate the temperature distribution in industrial furnaces(mainly ceramic kilns)in operation,then their thermal conductivities at different temperatures were tested,and finally the test results were analyzed and processed by mathematical methods to acquire the expressions and diagrams of thermal conductivity as a function of temperature.

refractories,thermal conductivity

on Apr.18, 2012

T Q 1 7 4.6+5 3

A

1000-2278（2012）03-0358-03

2012-04-18

陳功備，E-mail:jxcgb@163.com

CHEN Gongbei, E-mail: jxcgb@163.com