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        保溫隔熱耐火材料重要的性能指標——導熱系數

        添加時間:2020年3月25日  瀏覽次數:

        導熱系數用來衡量物體傳導熱量的能力,又稱為熱導率。定義為單位溫度梯度(在1m長度內溫度降低1K)在單位時間內經單位導熱面所傳遞的熱量。單位為W/(m·K),是尖晶石質保溫隔熱耐火材料最核心的性能,是表征材料保溫隔熱效果的主要指標。本論文采用PBD-12-4p型平板導熱測試儀、參照YB/T4130-2005測試標準,通過水流量平板法測定尖晶石質保溫隔熱耐火材料的熱導率。

        由于尖晶石質保溫隔熱耐火材料存在氣孔,材料內部熱傳導主要通過固相和氣相進行傳導。對于非金屬固體,熱量是由晶格震動的格波來傳遞的。而格波可分為聲頻支和光頻支兩類,前者主要體現為相鄰質點之間的熱傳導,以聲子的方式進行傳遞,后者則主要體現在固體材料質點震動、轉動所產生的電磁輻射,以光子的方式傳遞熱量,其輻射能與溫度的四次方成正比。因此在低溫時,光頻支格波產生的輻射傳熱可以忽略不計,但在高溫條件下,固體的熱輻射不可忽略。在氣孔中,主要進行的是空氣的對流傳熱,由于空氣的導熱系數極低(0.023Wm-1K-1),且球形封閉氣孔內空氣難以形成對流,故材料中空氣的對流傳熱可以忽略不計。因此,尖晶石質保溫隔熱耐火材料的導熱系數主要與其物相組成和體積密度(或者氣孔率)有關。

        經測定,不同密度富鋁尖晶石(相組成為鎂鋁尖晶石和剛玉(S+A))、鎂鋁尖晶石(S)和富鎂尖晶石(相組成為鎂鋁尖晶石和方鎂石(S+M))1000℃時導熱系數如表1所示:

        表1不同體積密度和相組成試樣的導熱系數(W·m-1·K-1)

        材料的結晶構造對其導熱系數有重要影響。因為聲子傳導與晶格振動的非線性有關。晶體結構俞復雜,晶格振動的非線性程度俞大,導致格波受到的散射俞大,聲子的平均自由程就俞小,熱導系數就越低。在剛玉、鎂鋁尖晶石和方鎂石三種晶體中,鎂鋁尖晶石的尖晶石型結構比剛玉的剛玉型結構和方鎂石的NaCl型結構更復雜,因而具有更低的導熱系數。由表可知,密度相同時,具有鎂鋁尖晶石單一相組成的尖晶石質保溫隔熱耐火材料的導熱系數總是最低的,實測結果與理論分析結論一致。

        氣孔率對材料的導熱系數具有更重要的影響。氣孔率越高,材料內部的孔隙越多,固相含量就越少,材料的導熱系數就越低。鎂鋁尖晶石輕質隔熱材料中的球形閉孔結構對降低材料的熱導率至關重要。當熱流通過固相傳熱傳導至球形閉孔的孔壁時,熱流無法繼續沿著原來的傳導方向繼續進行固相熱傳導,必須沿著整個球壁進行傳導,導致熱傳導的路程大大增加、熱流被分散減弱,最終傳導至材料另一側的熱量減少。另一方面,球形封閉氣孔內空氣基本處于靜止狀態,氣孔中的空氣對流傳熱也相應減少。對于相組成為方鎂石和鎂鋁尖晶石的試樣,由于氧化鎂的促燒作用導致試樣致密度提高、氣孔率減小,因而材料的導熱系數較高。此外,體積密度低的試樣其氣孔率更高,因而具有更低的導熱系數。

        關鍵詞:保溫隔熱耐火材料   
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