耐火浇注料导热性评估方法的比较
发布日期： 2019-12-10 08:17:33 阅读量（417） 作者：刘梓明持续上升的能源成本对热传导效率改良和碳减少的需求，使得行业急需精准且有效测量耐火材料热传导的方法。因此，我们展开了对预估值和不同测试方法得出的数值之间关联性的评估工作。评估方法兼顾瞬时状态和稳定状态，结果如下。
1、结果和讨论
对4种致密低水泥(LC)振动浇注料进行测试，其A：值不同。其成分列于表1。
为4种材料准备了多份试样用于测试，在试样成型后，需要将其预热到1000℃以消除游离态和化合水。
每种材料先采用ISO8894-1标准内部评估，之后再送至其他实验室中。采用下述技术以便补充评估：
•采用热线法，以ISO8894-2标准确定导热性。
•采用热量计法，以BSI902标准确定导热性。
•采用标准测试方法，以ASTMC201标准测试耐材导热性;
1.1瞬态技术比较
标准的内部测试方法ISO8894-1用于检测不含碳的材料的导热性，此种材料额定导热性需小于1.5W·(mK)-1由Boer发表的论文发现如果提供交流电，排列数值可达到5W·(mK)-1。
为证实此项发现，试样采用平行双线和十字排列两种技术测试，测试结果见图1。
十字排列所获得的结果与平行双线所做类似测试的结果基本相符，数值范围在±0.25W·(mK)-1之内波动。
尽管测量数目有限，但此实验和Asakura发表的论文不谋而合。该论文对比了平行双线和十字排列两种测试，得出了类似的平均数据=而且，两种测试所得出的差别和不同实验室应用相同测量方法得出数据的差别相比，数值更小。
然而，所得结果和报告中所示十字排列数值大于平行线法并不相符，尤其是偏差较大之处。在低铝低导热材料上两种测试所得值差别更大，高铝高K值的材料则比较一致。
此结果可能表明，通过两种方法进行测量所得到的数据，根据自身导热性的不同发生变化。当然，为了证实这个结论，还需要采集更多实验数据。更多次测试能使数据更加精确，也能使两种测试方法的可重复性提髙。
尽管通过有限测试无法达到数据精确无误，但通过测试比对两种方法，大部分数据还是在规定的范围之内(ISO8894-1±8%和ISO8894-2±5%)。
1.2稳态技术比较
确定采用BS1902和ASTMC201两种方法测试导热性。两种测量方法的规则相同，即热源加热一面，然后放置一段时间以达到热平衡，测试试样进入稳定状态的数据。此状态下，材料保持恒定的热梯度，通过热电偶监测材料冷热两侧情况，通过使用水热计在冷面实时监测热流量(单位时间热从热面转移到冷面的量)。
一旦建立好两个参数，通过下述等式即可计算导热性。
Q=K·A·(θ2-θ1)/L
式中：Q为热流量;K为导热性;A为剖面面积;θ1为热面温度;θ2为冷面温度;L为厚度。
两种稳态方法都需要保证单轴向的热流，并保证没有侧面热损失。
为了防止热损失，两种方法都使用防护砖和隔热材料用来保证热损失最小化。然而，BS1902采用了侧面电偶和侧面加热装置来监测和补偿热损失，ASTMC201则没有采用这种措施。并且，BS1902有位于测试试样下方的加热装置和位于其上方的热量计。而ASTMC20I的布置方法正好相反(图2)。
对比通过两种方法得出的数据，发现测试结果有很大的不同(图3)，特别是低温测量部分，数值差别达到±2.23W·(mK)-1。
尽管测试温度升高和低导热性材料的采用使得测试值差别减小，但是稳态值的差别整体上还是远远大于之前通过两种方式得出的值。
通过ASTMC201得到的值和BS1902得出的值相比，通常都比较低且分布方式不同。基于此种发现，测试试样重新发送给其他实验室，以进行ASTMC201测试。
仅基于两组试样的数据，两种材料显示出符合预期的趋势(图4)，不同实验室的实验展现出的变化系数，也在再现性的预期范围之内(9%)。
BS1902和ASTMC201两种方法造成偏差的原因还需进一步研究。基于ASTMC201测试结果的不同实验室间的可再现性，可推断出这种现象是系统性错误(如侧面热损失的不同)的可能性比操作失误的可能性高。
1.3瞬态和稳态方法的对比
对比两种方法得出的数据，可以看出其趋势并不是共线性的。测试材料和测试温度的不同导致两种方法的差异(图5)。Routschka的研究也证实了这一结论，其研究表明瞬态方法和ASTMC201得出的不同是由于测试温度和浇注料密度的不同而导致的。ASTMC201测试得到的导热性通常为最低值，特别是在评估的最低温度时。
尽管如此，采用不同方法进行测试得出的值具有很高的不确定性，波动系数最好情况为7%，最大25%。
1.4测量和理论数据的对比
Routschka的研究显示了导热性和密度之间的关系，因此可以根据标准材料性质对导热性进行预估。由此理论计算得出的数值和测量后得出的数值进行比较的结果见图6。
然而两组数值之间的关联不尽相同，有的显示出非常接近的数值，有的则差异大到1W·(mK)-1但所有的估计值都在测量值范围25%之内，在Routschka测量报告容错率之内(±30%)。差别最大的一组数据是在最低温度，200~400℃之间测量得出的。
1.5热流量计算的影响
为了评估导热性的变化，研究通过不同方法测试计算稳态下的热流量。计算基于简单的内衬条件，即假设材料厚度230mm，直接浇注到壳体，热表面温度为1000℃。其余计算相关因素如下：环境温度为27℃;风速为0;热辐射系数为0.85。
值得一提的是，在数学假设中，此模型引入了额外的变量，以对应真实情况。因此，基于此计算预测得出的冷面温度介于15~39℃之间，具体值取决于图7中导热性数据。
令人惊讶的是，根据计算得出的数据发现，仅在ASTMC20I为最低冷面温度时符合预期，其余数据顺序都和预期有所不同。
2、结论
在耐材的工业应用中，导热件数据非常重要，如采购、销售、炉内衬设计、工艺和材料研究都需要考虑导热性，而导热性信息主耍应用于两种用途。首先，该信息用于数据对照，以便进行材料的对比和选择，常用于耐材商品的选择过程中。因此，选择决定测试方法和测试温度就显得十分重要，并且在对比数据的过程中导热性测试技术的准确性也应考虑其中。
其次，导热性还是热学模型应用中的一个重要参数，在内衬设计、能源管理、性能和安全方面得到了越来越广泛的应用。
基于上述方法进行的简单计算可以得出，根据导热性数据来源的不同，计算预测得出的冷面温度介于15~39℃之间。
从商业上考量，更低的壳温度更受欢迎，15~40℃之间的差值意味着在内衬使用期间存在节约大量能源的可能性。而因为假设和实际操作方面的差异，包括导热性实验和实践之间可靠性和准确性的不同，依此节能还不具备操作性，需要进一步的实践操作。
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