燒結(jié)礦和球團(tuán)礦熱物性參數(shù)試驗測量及分析

劉丁赫，周 托，樊保國，孫瑞彬，李澤鵬

（1太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院 太原 030024；2清華大學(xué)能源與動力工程系 北京 100084）

引言

我國鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序能耗約占鋼鐵企業(yè)總能耗的15%，僅次于煉鐵工序；1 t 燒結(jié)礦所攜帶的余熱資源約為0.94～1.02 GJ，占鋼鐵企業(yè)余熱資源總量的11%～12%[1]，通過余熱回收裝置進(jìn)行余熱回收是加強(qiáng)二次能源回收利用的重要措施。燒結(jié)礦的熱物性參數(shù)對于余熱回收的特性具有重要影響，近年來隨著余熱回收工藝的不斷發(fā)展，對熱物性參數(shù)的精確測量提出了新的要求。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對于燒結(jié)礦的熱物性進(jìn)行了一系列研究，Caputa 等[2,3]提出了一維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對燒結(jié)礦的物性參數(shù)進(jìn)行了假設(shè)，提出了有效導(dǎo)熱系數(shù)的概念。Akiyama 等[4]人用改進(jìn)的激光閃射法測量了致密和多孔性鐵礦團(tuán)的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)，得到溫度會對導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散率造成很大影響。Abzalov等[5]人還測定了在一定溫度和加熱速率范圍內(nèi)，由壓縮磁鐵礦組成的小圓筒的導(dǎo)熱系數(shù)。Wang等[6]測得了燒結(jié)混合料化學(xué)反應(yīng)動力參數(shù)，得到指前因子與活化能及燒結(jié)混合料比熱隨溫度變化的規(guī)律，但未給出導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法。王景甫[7]測量了某種燒結(jié)礦的真密度，空隙率及有效導(dǎo)熱系數(shù)，得到在一定溫度范圍內(nèi)，燒結(jié)成品礦固體導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，該溫度區(qū)間為燒結(jié)成品礦冷卻溫度。由于燒結(jié)礦為典型的不規(guī)則多孔介質(zhì)，孔隙結(jié)構(gòu)以及孔隙率等都會對導(dǎo)熱性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)熱系數(shù)難以測量，因此在模擬及工程應(yīng)用時大多都采用經(jīng)驗值。激光閃射法測量熱擴(kuò)散系數(shù)由于測定范圍廣、溫度高、速度快、測定過程可以在惰性氣體或真空環(huán)境下進(jìn)行目前得到廣泛應(yīng)運；熱同步分析儀測量比熱容由于測溫區(qū)間較寬、操作簡單、分辨能力與靈敏度高等優(yōu)點也得到了廣泛的應(yīng)用。

本文運用激光閃射法與熱同步分析儀測量了我國某鋼鐵廠燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)以及比熱容隨溫度變化的規(guī)律，并通過計算得到了它們的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律，以期為進(jìn)一步研究燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的傳熱特性提供參考。

1 試驗原理

已知材料的熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容及體積密度，可由下列公式求出材料的導(dǎo)熱系數(shù)[8]：

式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/mK；

α——熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

CP——比熱容，J/kgK；

ρ——體積密度，kg/m3。

本文中采用激光閃射法測量燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)[9-11]，在絕熱環(huán)境下，對一個厚度為L的薄圓形試樣正面垂直進(jìn)行激光脈沖輻射Q，在一維熱流條件下測得試樣背面溫度隨時間變化的曲線T(L,t)，計算溫度變化到最大值的時間，求出熱擴(kuò)散率。測試原理如圖1所示。

圖1 激光閃光法測量熱擴(kuò)散率原理模型

熱擴(kuò)散率計算公式為：

式中：α——熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

L——樣品的厚度，m；

t1/2——樣品背面溫度達(dá)到最大值的一般所需時間，s。

本文中采用熱同步分析儀，測量燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的比熱容[12,13]，將待測試樣放入熱分析儀內(nèi)，測量在100～800 ℃范圍內(nèi)隨著溫度變化的熱流，并通過與已知比熱的藍(lán)寶石樣品進(jìn)行對比，通過計算求出比熱容，比熱容計算公式為：

式中：CP——待測樣品在溫度T時的比熱，J/gK；

CPS——標(biāo)準(zhǔn)樣品在溫度T時的比熱，J/gK；

m,mS——待測樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)量，mg；

Φ，Φs——待測樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品在溫度T時的熱流，mW。

2 試驗

2.1 試驗樣品準(zhǔn)備

試驗所用的試樣來自國內(nèi)某鋼鐵廠的礦料，圖2、3為試驗采用的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦。

圖2 燒結(jié)礦

通過水浸法對密度進(jìn)行多次測量取平均值得到燒結(jié)礦的密度為3.4 g/cm3，球團(tuán)礦的密度為4.3 g/cm3。試驗測量前對待測樣品進(jìn)行制樣，測量熱擴(kuò)散系數(shù)的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦試樣為薄的正方形狀試樣，試樣厚度為2 mm，試樣寬度為10 mm；測量比熱的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦試樣為薄的圓形試樣，試樣厚度為1.5 mm，試樣直徑為5 mm。

2.2 試驗裝置

測量熱擴(kuò)散系數(shù)裝置主要包括閃射源、立式真空加熱爐、信號測量系統(tǒng)、樣品支架、溫度反應(yīng)探測器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

立式真空加熱爐為管狀結(jié)構(gòu)，將制好的試樣固定在試樣支架上，放置于真空加熱爐內(nèi)，其中試樣支架應(yīng)與脈沖激光同軸，溫度探測器與試樣背面中心同軸，當(dāng)脈沖激光從裝置底部發(fā)出輻射照射到試樣下表面，信號測量系統(tǒng)從試樣上方測量溫升信號。

信號測量系統(tǒng)采用紅外輻射測溫的方式測量樣品背面溫升信號，該方式的優(yōu)點為不接觸試樣即可得到溫度的變化，避免了接觸測溫可能破壞樣品表面的弊端，為標(biāo)準(zhǔn)樣品的測量提供保障。信號測量系統(tǒng)主要包括紅外探測器、信號放大器、觸發(fā)探測器、采集器等。

樣品支架以用于固定試樣，一般采用立式固定的方法放置于真空加熱爐內(nèi)，防止支架在高溫環(huán)境下變形而導(dǎo)致試樣位置偏移，對最終測量結(jié)果造成影響，另外支架采用鏤空設(shè)計，以減小導(dǎo)熱截面積。支架的材料一般選用耐高溫的鋼玉或則石墨。

本試驗測試過程中閃光源采用激光脈沖，其中能量脈沖輻射到式樣表面時 能量應(yīng)特別均勻，避免出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象對測量結(jié)果造成影響，激光脈沖加熱原理如圖4所示。

圖4 激光脈沖加熱原理

圖4中，激光從激光器內(nèi)水平射出，經(jīng)過準(zhǔn)直調(diào)節(jié)器和光斑形狀調(diào)節(jié)器之后入射到半反鏡片，大約90%的能量會反射照射樣品，對樣品進(jìn)行脈沖加熱；10%的能量透過鏡片照射到觸發(fā)探測器上，形成觸發(fā)信號。其中準(zhǔn)直調(diào)節(jié)器可以調(diào)節(jié)光斑大小，以滿足不同直徑樣品圓片的需求，光斑形狀調(diào)節(jié)器可以調(diào)節(jié)不同形狀的光斑，以滿足不同形狀測量樣品的需求。

熱同步分析儀主要由天平系統(tǒng)、爐體系統(tǒng)、程序控溫裝置、記錄儀等幾個部分組成。分析儀測定試樣的比熱一般需要3 個步驟[14]，首先選擇質(zhì)量相同的兩個Pt 坩堝作為樣品和對比物放入儀器支架，在測量的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，以一定升溫速率進(jìn)行程序升溫，并同時通入恒定流量氦氣，可以得到對比端和樣品端兩者之間熱流差和溫度的關(guān)系，即為測試的基線數(shù)據(jù)；之后將藍(lán)寶石標(biāo)樣放入樣品端空坩堝內(nèi)，對比端空坩堝保持不變，與基線測量保持一樣的程序升溫過程和通入恒定流量的氦氣，可以得到對比端（空坩堝）和樣品端（坩堝+藍(lán)寶石）之間的熱流差和溫度的關(guān)系；最后取出樣品端坩堝內(nèi)藍(lán)寶石，將待測樣品（燒結(jié)料）放入坩堝內(nèi)，保持相同的升溫過程，測試對比端（空坩堝）和樣品端（坩堝+待測樣品）之間的熱流差和溫度的關(guān)系。根據(jù)公式（3）即可計算出任意測定溫度下待測樣品的比熱數(shù)據(jù)。

2.3 試驗方法

本文測定樣品熱擴(kuò)散系數(shù)的實驗儀器為德國NETZSCH 公司生產(chǎn)的LFA 457型閃射法導(dǎo)熱儀，在激光閃射法測量之前，采用非常薄且均勻的石墨對試樣的兩個面進(jìn)行處理以提高試樣吸收能量的能力。在室溫下測量樣品厚度，然后試樣安裝在支架上，試樣裝入支架后應(yīng)與脈沖激光同軸，遮光圈和激光束覆蓋試樣，溫度反應(yīng)探測器應(yīng)與試樣背面中心同軸，之后進(jìn)行抽真空處理。試驗測量熱擴(kuò)散系數(shù)的條件為100～800 ℃，每隔100 ℃測定一個熱擴(kuò)散系數(shù)。在真空度達(dá)到10-3Pa 量級時，設(shè)定測試溫度，調(diào)節(jié)激光器能量，對樣品進(jìn)行加熱，小的薄片試樣受到高強(qiáng)度短時能量脈沖輻射，試樣正面吸收脈沖能量使背面溫度升高，根據(jù)試樣厚度及背面溫度達(dá)到最大值的某一百分率所需時間計算出試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)。

本文測定樣品比熱容的實驗儀器為德國某公司生產(chǎn)的STA 449 F3 型同步熱分析儀，溫度范圍為-150 ℃～1000 ℃，吹掃氣體為高純度氦氣，流速設(shè)定為60 mL/min。樣品先在30 ℃下恒溫25 min，之后對樣品進(jìn)行加熱升溫，升溫速率為20 ℃/min，最終設(shè)定溫度為800 ℃，到達(dá)設(shè)定溫度后再恒溫25 min，用氮氣作為保護(hù)氣進(jìn)行冷卻，同時對同一樣品進(jìn)行下一次測試，取平均值作為結(jié)果。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度對熱擴(kuò)散系數(shù)的影響

溫度100～800 ℃（每隔100 ℃）燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)見表1，溫度對熱擴(kuò)散系數(shù)的影響如圖5所示。

表1 不同溫度下燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)

圖5 溫度對燒結(jié)礦和球團(tuán)礦熱擴(kuò)散系數(shù)的影響

由圖5 可知，燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其中球團(tuán)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)相比于燒結(jié)礦下降趨勢更為明顯，其原因為球團(tuán)礦為典型的密度團(tuán)礦，熱擴(kuò)散能力更強(qiáng)，而燒結(jié)礦為不規(guī)則的多孔介質(zhì)，孔徑大小以及孔隙率都會對熱擴(kuò)散率產(chǎn)生影響[15]。在100～500 ℃范圍內(nèi)，燒結(jié)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)明顯低于球團(tuán)礦，隨著溫度的不斷升高，燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)越來越接近，當(dāng)溫度大于700 ℃時，燒結(jié)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)大于球團(tuán)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)。

3.2 溫度對比熱容的影響

溫度100～800 ℃兩種燒結(jié)料的比熱容如表2所列，溫度對比熱容的影響如圖6所示。

表2 不同溫度下燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的比熱容

圖6 溫度對燒結(jié)礦和球團(tuán)礦比熱容的影響

由圖6 可知，燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的比熱容隨溫度變化的趨勢基本一致。燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的比熱容首先逐漸升高，在溫度達(dá)到650～700 ℃時達(dá)到最大值，分別為1.06 J/gK 和0.99 J/gK；隨著溫度的進(jìn)一步升高，兩種礦料的比熱容開始降低。造成比熱容降低的原因是在600 ℃和700 ℃的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，燒結(jié)礦和球團(tuán)礦內(nèi)部發(fā)生部分熔融相變，導(dǎo)致比熱容的減小[16-18]。

3.3 溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

通過水浸法測量燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的密度分別為3.4 g/cm3和4.3 g/cm3，利用公式（1）計算了溫度100～800 ℃內(nèi)燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的導(dǎo)熱系數(shù)如表3所列，溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖7所示：

表3 不同溫度下燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的導(dǎo)熱系數(shù)

圖7 溫度對燒結(jié)礦和球團(tuán)礦導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖7 可知，兩種燒結(jié)料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而下降，由于熱擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高逐漸降低，其根本原因還是燒結(jié)料會發(fā)生熔融現(xiàn)象，導(dǎo)致部分相變，導(dǎo)熱系數(shù)下降[16-18]。隨著溫度的升高，球團(tuán)礦的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化下降的更快，燒結(jié)礦的導(dǎo)熱系數(shù)下降趨勢較為平緩，100～600 ℃范圍內(nèi)，球團(tuán)礦的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于燒結(jié)礦，導(dǎo)熱性能優(yōu)于燒結(jié)礦。

4 結(jié)論

通過試驗測量了燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)以及比熱容，計算了兩種燒結(jié)料的導(dǎo)熱系數(shù)，研究了以上三個熱物性參數(shù)與溫度的關(guān)系，得出如下結(jié)論：

（1）燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而降低，在同一溫度下，球團(tuán)礦的熱擴(kuò)散系數(shù)大于燒結(jié)礦。

（2）燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的比熱容隨著溫度的升高先呈現(xiàn)上升趨勢，在650～700 ℃達(dá)到最大值，隨著溫度進(jìn)一步升高，其內(nèi)部發(fā)生部分熔融相變，比熱容降低。

（3）燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而減小，同一溫度下球團(tuán)礦的導(dǎo)熱性能優(yōu)于燒結(jié)礦。