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保温隔热耐火材料重要的性能指标——导热系数

添加时间:2020年3月25日  浏览次数:

导热系数用来衡量物体传导热量的能力,又称为热导率。定义为单位温度梯度(在1m长度内温度降低1K)在单位时间内经单位导热面所传递的热量。单位为W/(m·K),是尖晶石质保温隔热耐火材料最核心的性能,是表征材料保温隔热效果的主要指标。本论文采用PBD-12-4p型平板导热测试仪、参照YB/T4130-2005测试标准,通过水流量平板法测定尖晶石质保温隔热耐火材料的热导率。

由于尖晶石质保温隔热耐火材料存在气孔,材料内部热传导主要通过固相和气相进行传导。对于非金属固体,热量是由晶格震动的格波来传递的。而格波可分为声频支和光频支两类,前者主要体现为相邻质点之间的热传导,以声子的方式进行传递,后者则主要体现在固体材料质点震动、转动所产生的电磁辐射,以光子的方式传递热量,其辐射能与温度的四次方成正比。因此在低温时,光频支格波产生的辐射传热可以忽略不计,但在高温条件下,固体的热辐射不可忽略。在气孔中,主要进行的是空气的对流传热,由于空气的导热系数极低(0.023Wm-1K-1),且球形封闭气孔内空气难以形成对流,故材料中空气的对流传热可以忽略不计。因此,尖晶石质保温隔热耐火材料的导热系数主要与其物相组成和体积密度(或者气孔率)有关。

经测定,不同密度富铝尖晶石(相组成为镁铝尖晶石和刚玉(S+A))、镁铝尖晶石(S)和富镁尖晶石(相组成为镁铝尖晶石和方镁石(S+M))1000℃时导热系数如表1所示:

表1不同体积密度和相组成试样的导热系数(W·m-1·K-1)

材料的结晶构造对其导热系数有重要影响。因为声子传导与晶格振动的非线性有关。晶体结构俞复杂,晶格振动的非线性程度俞大,导致格波受到的散射俞大,声子的平均自由程就俞小,热导系数就越低。在刚玉、镁铝尖晶石和方镁石三种晶体中,镁铝尖晶石的尖晶石型结构比刚玉的刚玉型结构和方镁石的NaCl型结构更复杂,因而具有更低的导热系数。由表可知,密度相同时,具有镁铝尖晶石单一相组成的尖晶石质保温隔热耐火材料的导热系数总是最低的,实测结果与理论分析结论一致。

气孔率对材料的导热系数具有更重要的影响。气孔率越高,材料内部的孔隙越多,固相含量就越少,材料的导热系数就越低。镁铝尖晶石轻质隔热材料中的球形闭孔结构对降低材料的热导率至关重要。当热流通过固相传热传导至球形闭孔的孔壁时,热流无法继续沿着原来的传导方向继续进行固相热传导,必须沿着整个球壁进行传导,导致热传导的路程大大增加、热流被分散减弱,最终传导至材料另一侧的热量减少。另一方面,球形封闭气孔内空气基本处于静止状态,气孔中的空气对流传热也相应减少。对于相组成为方镁石和镁铝尖晶石的试样,由于氧化镁的促烧作用导致试样致密度提高、气孔率减小,因而材料的导热系数较高。此外,体积密度低的试样其气孔率更高,因而具有更低的导热系数。

关键词:保温隔热耐火材料   
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