高鋁耐火纖維氈導熱系數的測定

由于重量輕、耐高低溫、耐熱地震等特點，耐火纖維裝置在20世紀80年代迅速開發，從幾乎空白到10kg不等。廣泛應用于化工、冶金、建材等部門，取得了顯著的節能效果，但使用溫度小于1000。90年代,隨著含鋯纖維和多晶氧化鋁纖維的開發和推廣,1000～1400℃范圍的耐火纖維氈應用有所增加,但應用技術落后,使高鋁耐火纖維氈的應用領域和方式都受到了局限,在陶瓷、冶金和石化工業三大領域中,陶瓷和石化的應用剛起步,冶金行業的應用幾乎為零。因此,為了合理地應用此類耐火纖維材料,研究其熱物理性能(導熱系數)是十分必要的。高鋁耐火纖維氈是一種多孔介質性材料。從傳熱機理來看,其材料內不僅存在空氣和纖維的熱傳導,而且存在熱輻射,特別在高溫條件下,熱輻射更為重要。本文按實驗要求設計自制了一臺導熱系數測試裝置,測定了高鋁耐火纖維氈在高溫條件下的導熱系數,并對其影響因素進行了探討。1熱流方向上、下溫度對材料導熱系數的影響導熱系數的測定分為兩大類:一是穩態法,另一是非穩態法。穩態法是在整個有效時間內,過程參數與時間無關,而非穩態法是在整個有效時間內,過程參數將隨時間變化。通過對各種方法的比較分析,結合高鋁耐火纖維氈的特點,本測試采用了一維穩態平板法測定其導熱系數。對于一維穩態導熱,由傅立葉定律得:Q=-λAdt/dx(1)式中,Q為導熱速率,W;λ為導熱系數,W/m·K;A為垂直于熱流方向的導熱面積,m2;dt/dx為試件在熱流方向上的溫度梯度,℃/m。在高溫條件下,耐火纖維氈的導熱系數與溫度的關系特別復雜,但在一個較小的溫度區[t1,t2]內,其導熱系數與溫度的關系λ=f(t)可近似地作為直線處理,即:λ=λ0(1+bt)(2)式中,λ0為t=0℃時λ在坐標上的截距。不同的溫度區[t1,t2],有不同的λ0值。將式(2)代入式(1)得:Q=-λ0(1+bt)Adt/dx(3)邊界條件:x=0,t=t2(4)x=δ,t=t1(5)將式(4),式(5)代入式(3)得:λm=Qδ/A(t2-t1)(6)式中,λm為平均溫度tm=(t1+t2)/2下材料的導熱系數;δ為試樣的厚度,m;t2、t1為試樣上、下溫度。因此,只要在試件內建立起一維的穩態溫度場,并測出δ、Q、A、t1和t2等值,即可求出平均溫度tm下的導熱系數。2輔助加熱器和熱流器的傳熱及傳熱性能測試根據國標(GB10294)和一維穩態平板法的特點,自制了一臺測定高溫下高鋁耐火纖維氈導熱系數的系統。該系統由測試裝置、測量系統和控制系統三部分組成,測試裝置如圖1。圖1中小圓點代表測溫點,測試裝置中主加熱器為150mm×150mm的方形加熱器。為防止主加熱器熱流沿徑向和底向熱損失,在主加熱器側面和底面設置了兩個輔助加熱器,各加熱器上均覆蓋了高導熱的碳化硅均熱板,且在主輔加熱器之間有隔熱層。全部加熱器均采用交流電加熱,通過調節各加熱器的功率,使主輔加熱器之間隔熱層兩面溫度相等而成為絕熱壁,保證了主加器的熱流全部一維傳遞。試樣由江蘇泰興特種耐火材料有限公司提供。測試前先將高鋁耐火纖維氈切成20mm寬的小塊,按一定的容重將其排列在主加器的均熱板上。通過控制系統調節主輔加熱器,使主輔加熱器的溫差小于1℃,保持1小時左右,即可認為此傳熱過程達到穩態。由測量系統記錄試件上、下溫度t1\,t2;主加熱器功率Q;試件厚度δ及其傳熱面積A,將δ、Q、A、t1和t2等值代入式(6)即可算出相應溫度tm下的導熱系數λm。本裝置由標準試樣測試,其相對誤差小于10%。3測試結果和分析3.1數的關系高鋁耐火纖維氈的容重為150kg/m3時,測得溫度與導熱系數的關系如圖2。從圖2可知,高鋁耐火纖維氈的導熱系數隨溫度的升高而增加,主要是其內熱傳導和熱輻射的結果,尤其在高溫條件下,輻射的等效傳熱系數是溫度的三次方關系,因而其變化劇烈。3.2纖維堆積方向與系數纖維堆積方向與熱流方向可平行,也可垂直。在同一容重(240kg/m3)時,測定了其導熱系數與纖維堆積方向的關系如圖3。當纖維和熱流垂直時,導熱系數取決于空隙中空氣的導熱系數,而當纖維與熱流平行時,其導熱系數取決于固相纖維的導熱系數。高鋁纖維固相的導熱系數λs遠大于氣相空氣的導熱系數λg,所以纖維和熱流垂直時的導熱系數大于纖維和熱流平行時的導熱系數。3.3體積分率的關系在一定的溫度t=1000℃下,測定了導熱系數與高鋁耐火纖維體積分率的關系如圖4。從圖4可知,其導熱系數隨容重的增加而減小。主要是因為輻射傳熱隨空隙孔徑增加而增加,當容重增加,纖維體積分率增加,空隙減小,輻射傳熱減小,導熱系數也隨之下降。3.4濕度對導熱系數的影響本實驗做了耐火纖維的干燥和潮濕時的對比實驗,測試結果如圖5所示。從圖5可知,在低、中溫時,濕度對導熱系數有顯著的影響。主要是濕份水的導熱系數是空氣的20倍,同時在溫差存在時,有濕份遷移,因而使其導熱系數大大增加。中、高溫時,濕份水已揮發,導熱系數基本無變化。4設備的熱性能測試(1)本測試裝置的主要誤差來源于二次儀表及不完全滿足邊界條件而產生的。由誤差理論分析,由此算出其導熱系數的相對誤差小