CN111595901A - 一种耐火材料导热系数的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耐火材料导热系数的测定装置及方法，旨在提供一种能在冶炼温度条件下，模拟实际冶炼工艺状况，准确测量耐火材料导热系数的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：测试系统分为加热单元、耐材通道单元、测温单元、冷却单元四个部分组成。用高温卧式炉将耐火材料一端加热到某一高温并维持恒温，将耐火材料另一端紧贴冷却单元，耐火材料周向方向用耐高温隔热棉密封，以保证径向传热。测试系统整体达到稳态时，根据各测试点的热电偶温度值，结合傅里叶定律计算出测试系统的热流强度，进而计算出耐火材料的高温导热系数。该测定方法操作简单，对钢铁冶金行业、耐火材料领域导热方面研究及应用有着重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种在冶炼温度条件下，模拟实际冶炼工艺状况，准确测量高炉耐火材料导热系数的测量装置及方法，属于钢铁冶金、耐火材料及高温技术领域。
技术背景
冶金工业是国民经济的重要支柱产业，耐火材料是保证冶金设备安全长寿的重要装备之一。导热系数是表征耐火材料传热能力的重要物理参数，也是耐火材料热物理特性的决定性指标。因此准确测量导热系数至关重要。
目前导热系数的测试方法主要分为稳态法和瞬态法，稳态法主要包括平板法、热流计法、圆筒法，瞬态法主要包括热线法、激光闪射法等。稳态法中最常用的热流法测试范围较窄，温度范围有限。瞬态法中的热线法无法测量导热系数大于2W/(m·K)的材料，激光闪射法多用于各向同性且均质的纯物质材料。同时上述方法因所需试样尺寸较小且耐火材料分布不均，所测结果很难反应整体耐火材料导热情况。
针对上述问题，有必要开发一种能在高温条件下，模拟实际冶炼工艺状况，准确测量高炉耐火材料导热系数的测量装置及方法。本发明提出的装置和方法可以有效解决上述问题，对冶金设备安全长寿具有重要意义。
发明内容
本发明涉及一种耐火材料导热系数的测量装置和方法，以得到冶炼温度条件下不同耐火材料的导热系数。本发明的目的主要是克服现有导热系数测量方法的不足，本发明通过灵活调整传热的热面温度模拟实际工艺情况，实现冶炼温度范围内导热系数测定的技术目标；同时本发明可克服受测耐火材料的材质限制，通过新型稳态传热系统得到相关参数，进一步通过计算得到耐火材料的导热系数。
本发明的技术方案如下：
一种耐火材料导热系数的测量装置，主要由卧式炉、硅钼加热棒、受测耐火材料、炉口法兰、耐高温隔热棉、四组同种类型的K型热电偶、导热铜板、冷却水管、进气口、出气口及数据采集显示器组成。其中进气口与炉口法兰分别位于卧式炉最左侧和最右侧，硅钼加热棒安装于卧式炉体内，耐高温隔热棉密封的耐火材料传输单元左接卧式炉炉墙位置，右接出气口与螺旋式多通道水管的导热铜板，热电偶测试端分别接于耐火材料和冷却水管进出口处，热电偶数据端与数据采集显示器连接。
一种采用如上所述装置测量耐火材料导热系数的方法，其特征在于，
具体操作方法为：拧下卧式炉右侧炉门螺丝，卸下炉门，将受测耐火材料放入耐火材料通道单元内，推动耐火材料通道，使其一端放入卧式炉，另一端紧贴螺旋式多通道水管的导热铜板，耐材通道用耐高温隔热棉密封。给卧式炉通入保护气(高纯氩气)，排走炉内空气，随后设置升温制度(升温速率及升温温度)，开始升温操作。
进一步地，测试系统包括加热单元、耐火材料通道单元、测温单元及冷却单元。
进一步地，所述加热单元主要包括高温卧式炉与保护气气体。其中，卧式炉的升温范围为25～1700℃，保护气采用高纯氩气。
进一步地，所述耐火材料通道单元使用低导热率、低比热、化学稳定性良好的耐高温隔热棉密封。
进一步地，所述冷却单元主要包括螺旋式多通道水管的导热铜板。其中，冷却水管在铜板中心呈曲线安置，采用“下进上出”的进水方式，同时应保证冷却单元外部能够控制冷却水的质量流量，并保证卧式炉的温度稳定在设定范围附近。
进一步地，所述测温单元由四组K型热电偶与数据采集显示器组合而成。其中，两组热电偶用于测试耐火材料的温度，另外两组用于测试冷却单元进出水的温度，测试耐火材料和冷却水的热电偶精度分别控制在1、0.1℃之内。观察检测设备上的四个K型热电偶数值是否稳定，若稳定，证明检测体系达到传热稳态。通过保证耐火材料在冶炼温度下的稳态传热，依据各测试点温度值，结合传热定律计算出测试系统的热流强度，进而计算出耐火材料的高温导热系数。
进一步地，收集四个热电偶温度值，结合已有参数和傅里叶传热定律，计算得出耐火材料的导热系数,计算方法如下：
Q1＝Q2
Q2＝Cpw·Qm·(T4-T3)
λ＝(Q/A)·(ΔL/(T2-T1))
其中：λ为导热系数W/(m·K)；Q1为耐火材料截面热流量(W)；Q2为冷却水系统的热流量(W)；Cpw为冷却水的热容值，为4.2×103J/(kg·℃)；Qm为冷却水的质量流量(kg/s)；T1、T2分别为耐火材料上热电偶温度值(℃)；T3、T4分别为冷却单元进出水的温度值(℃)；ΔL为耐火材料上两热电偶距离(m)；A为被测耐火材料的横截面积(m2)。
本发明的有益效果为：本发明用于测量冶炼温度条件下不同耐火材料的导热系数，这是目前主流的检测方法尚未实现的目标，检测体系内温度可控、运行成本低、安全便捷，同时可以通过调节耐材通道单元适应不同尺寸的耐火材料，不需精密切割制样，不要求试样均质性和各向同性，方便检测各种类型的耐火材料，在测量耐火材料导热系数过程中，升温速率及升温温度对本发明结果无任何限制，解决了目前传统稳态法和瞬态法测导热系数时对受测材料材质及温度范围的限制，通过模拟实际冶炼工艺状况，得到较为准确的测量数值，间接为钢铁冶金行业和耐材企业创造出可观的经济效益，具有重要意义。
附图说明
图1为本发明所述的导热系数测量设备示意图。
图2为本发明所述的冷却单元示意图。
图3为本发明所述卧式炉的右视图。
图中：1-进气口；2-卧式炉主体；3-硅钼加热棒；4-受测耐火材料；5-炉门；6-炉口法兰；7-耐高温隔热棉；8-热电偶h1；9-热电偶h2；10-出气口；11-导热铜板；12-冷却水管；13-热电偶h3；14-热电偶h4；15-数据采集显示器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。但是本领域的技术人员应当理解，下述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
实施例：
1)图1是导热系数测量设备的结构示意图。导热系数测量装置由加热单元、耐火材料通道单元、测温单元、冷却单元构成。本次以某一炭砖为例，将其切割成为345×200×200mm。
2)拧下卧式炉右侧炉门螺丝，卸下炉门，将切割好的受测耐火材料放在通道单元内，推动耐火材料通道，使其一端放入卧式炉，另一端紧贴冷却单元，耐材通道用耐高温隔热棉紧密密封。如图1所示，耐材热电偶h1和热电偶h2穿过隔热材料并接触受测耐火材料，热电偶h1和热电偶h2之间距离长度记为△L，量得为100mm。热电偶h3和热电偶h4分别连接冷却单元的进水口和出水口。
3)给卧式炉通入保护气(高纯氩气)，排走炉内空气，随后设置卧式炉升温制度，将其升温至1000℃，同时设置冷却单元内冷却水的质量流量为0.12kg/s。
4)待各热电偶值稳定后(即系统传热达至稳态)，记录此时各热电偶的温度值，其中热电偶1～4的显示温度分别为848.63℃、816.69℃、26.24℃、26.93℃。
5)结合已有参数和傅里叶传热定律，计算得出耐火材料的导热系数，计算方法如下：
Q2＝Cpw·Qm·(T4-T3)＝4.2×103×0.12×(26.93-26.24)＝347.76W
Q1＝Q2＝347.76W
λ＝(Q1/A)·(ΔL/(T2-T1))＝(347.76/0.069)·(0.1/(848.63-816.69))＝15.78W/(m·K)
计算得出该炭砖的导热系数为15.78W/(m·K)。
本文虽然已经给出了本发明的一个实施例，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内。
Claims (8)
1.一种导热系数测量装置，其特征在于主要由卧式炉、硅钼加热棒、受测耐火材料、炉口法兰、耐高温隔热棉、四组同种类型K型热电偶、导热铜板、冷却水管、进气口、出气口及数据采集显示器组成；其中进气口与炉口法兰分别位于卧式炉最左侧和最右侧，硅钼加热棒安装于卧式炉体内，耐高温隔热棉密封的耐火材料传输单元左接卧式炉炉墙位置，右接出气口与螺旋式多通道水管的导热铜板，热电偶测试端分别接于耐火材料和冷却水管进出口处，热电偶数据端与数据采集显示器连接。
2.一种采用如上所述装置测量耐火材料导热系数的方法，其特征在于，
具体操作方法为：拧下卧式炉右侧炉门螺丝，卸下炉门，将受测耐火材料放入耐火材料通道单元内，推动耐火材料通道，使其一端放入卧式炉，另一端紧贴螺旋式多通道水管的导热铜板，耐材通道用耐高温隔热棉密封。给卧式炉通入高纯氩气，排走炉内空气，随后设置升温速率及升温温度，开始升温操作。
3.一种如权利要求2所述耐火材料导热系数的测量方法，其特征在于测试系统包括加热单元、耐火材料通道单元、测温单元及冷却单元。
4.一种如权利要求3所述耐火材料导热系数的测量方法，其特征在于所述加热单元主要包括高温卧式炉与保护气气体；其中，卧式炉的升温范围为25～1700℃，保护气采用高纯氩气。
5.一种如权利要求3所述耐火材料导热系数的测量方法，其特征在于所述耐火材料通道单元使用低导热率、低比热、化学稳定性良好的耐高温隔热棉密封。
6.一种如权利要求3所述耐火材料导热系数的测量方法，其特征在于所述冷却单元主要包括螺旋式多通道水管的导热铜板；其中，冷却水管在铜板中心呈曲线安置，采用“下进上出”的进水方式，同时应保证冷却单元外部能够控制冷却水的质量流量，并保证卧式炉的温度稳定在设定范围附近。
7.一种如权利要求3所述耐火材料导热系数的测量方法，其特征在于所述测温单元由四组K型热电偶与数据采集显示器组合而成；其中，两组热电偶用于测试耐火材料的温度，另外两组用于测试冷却单元进出水的温度，测试耐火材料和冷却水的热电偶精度分别控制在1、0.1℃之内；观察检测设备上的四个K型热电偶数值是否稳定，若稳定，证明检测体系达到传热稳态；通过保证耐火材料在冶炼温度下的稳态传热，依据各测试点温度值，结合传热定律计算出测试系统的热流强度，进而计算出耐火材料的高温导热系数。
8.一种如权利要求3所述耐火材料导热系数的测量方法，其特征在于收集四个热电偶温度值，结合已有参数和傅里叶传热定律，计算得出耐火材料的导热系数,计算方法如下：
Q1＝Q2
Q2＝Cpw·Qm·(T4-T3)
λ＝(Q/A)·(ΔL/(T2-T1))
其中：λ为导热系数W/(m·K)；Q1为耐火材料截面热流量(W)；Q2为冷却水系统的热流量(W)；Cpw为冷却水的热容值，为4.2×103J/(kg·℃)；Qm为冷却水的质量流量(kg/s)；T1、T2分别为耐火材料上热电偶温度值(℃)；T3、T4分别为冷却单元进出水的温度值(℃)；ΔL为耐火材料上两热电偶距离(m)；A为被测耐火材料的横截面积(m2)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200828 |
|
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