水流量平板法測定復合阻燃磚熱學性能

如果物體內部或兩個物體之間存在溫差，則會從高溫部分轉至低溫部分。這種熱量的轉化被稱為熱量。傳熱過程是一種復雜的物理現象,按其本質可分為傳導、對流和輻射三種基本形式。對于耐火材料來說,傳導是主要的傳熱方式,在多孔材料中存在微量的對流傳熱方式,但可以忽略不計。導熱系數的測試方式按其基本原理可分為穩態法和不穩態法。按其測量元件,國內外耐火材料的導熱系數測量方法主要有水流量平板法、十字熱線法、平行熱線法和閃光法。1導熱系數的試驗國內的水流量平板法適用于測量熱面溫度200~1300℃,導熱系數0.03~2.00W/(m·K)的耐火材料。美國ASTM的水流量平板法適用于測量熱面溫度205~1540℃,導熱系數≤28.8W/(m·K)的耐火材料。1.1導熱系數的測定水流量平板法是根據傅立葉一維導熱微分方程Q=-λdt/dx·F,測量穩態時單位時間內一維溫度場中熱流縱向通過試樣熱面傳遞至冷面,后被流經中心量熱器的水流吸收的熱量式中:Q—單位時間內水流吸收的熱量,WC—水的比熱,J/(g·K)ω—水流量,g/s△t—水溫升高,K然后,計算試樣的導熱系數式中:λ—導熱系數,W/(m·K)Q—單位時間內水流吸收的熱量,Wδ—試樣厚度,mA—試樣面積,mm2△T—試樣冷、熱面溫度差,K1.2材料的充填水流量平板法⑴國內水流量平板法將試樣制備為Φ(160~180)mm×(10~25)mm的一塊扁圓柱形,兩端面應平整,不平行度小于±1mm。試樣按規定工藝處理后,測量厚度,將Φ220mm的玻璃纖維布、墊板、冷面熱電偶、試樣、熱面熱電偶、均熱板同軸地放置在量熱器上,并在試樣周圍的空隙處填充高鋁纖維棉。⑵ASTM水流量平板法樣品由3塊228mm×114mm×(51~76)mm的直形磚和6塊228mm×57mm×(51~76)mm的條形磚組成,3塊直形磚中的一塊做試樣,另兩塊作試樣兩邊的護磚,6塊條形磚放在試樣和護磚的周圍,以阻止熱量側向傳遞。試樣和護磚的上下兩個端面應研磨平整,不平行度小于±0.3mm,在試樣規定位置鉆熱電偶孔。將耐火纖維紙、隔熱墊板、耐火纖維紙、試樣和護磚、均熱板同軸地放置在量熱器上。⑶導熱系數的測量按規定的升溫制度升至實驗溫度,達到穩態后,測量試樣冷、熱面溫度,中心量熱器的水流量,水溫升高,計算導熱系數:式中:λ—導熱系數,W/(m·K)k—常數,J/(g·mV·m2)△mv—中心量熱器水溫升高電動勢差,mVω—中心量熱器的水流量,g/sδ—試樣厚度,mt1—試樣熱面溫度,℃t2—試樣冷面溫度,℃1.3實驗室間的統計數據⑴國內水流量平板法實驗精度誤差實驗室內為10%,實驗室間沒有確切的統計數據。⑵ASTM水流量平板法實驗精度誤差實驗室內為9.4%,實驗室間為26.6%。2撥打電話法十字熱線法適用于測量溫度≤1250℃,導熱系數≤1.5W/(m·K)的耐火材料。2.1試樣導熱系數十字熱線法屬于不穩態導熱,將熱線(通常鉑線)沿試樣長度埋設在規定的刻槽內,通過預埋在其中的熱電偶可以測得熱線加熱后在規定時間內的試樣溫度變化,從而計算試樣的導熱系數。式中:λ—導熱系數,W/(m·K)V—熱線單位長度的電壓降,V/mI—熱線電流,At2/t1—接通熱線回路的測量時間Δθ2、Δθ1—接通熱線回路后在t2、t1時間測量時的溫升,K2.2試塊的表面治療試樣由2~3塊尺寸不小于200mm×100mm×50mm的試塊組成,試塊的接觸面應磨平,距離100mm以內兩點間的平整度偏差不超過0.2mm,按標準規定在試樣面上刻槽,放置在裝樣臺上埋設熱線和熱電偶,槽內用磨細的試樣細粉填實,裝入爐內升溫進行實驗。2.3測量精度國外資料顯示對于熱線法,實驗測量誤差為10%~30%,實驗室間測量誤差沒有確切的統計數據。3平行熱水法平行熱線法適用于測量溫度≤1250℃,導熱系數≤25W/(m·K)的耐火材料。3.1導熱系數的測定與十字熱線法相同,都屬于不穩態導熱法,將熱線沿試樣長度埋設在規定的刻槽內,加熱熱線后,通過測量埋設在試樣規定位置的熱電偶溫升,計算試樣的導熱系數。式中:λ—導熱系數,W/(m·K)V—熱線電壓,VI—熱線電流,AL—埋設在試樣刻槽內規定位置間的熱線長度,mΔθ(t)—在t時間測量熱電偶和示差熱電偶之間的溫差,Kt—接通熱線回路間的時間,sr—熱線和測量熱電偶的間距,mα—熱擴散系數,m2/s3.2試塊的表面平整度為按著色法分析和刻槽自試樣由2塊尺寸不小于200mm×100mm×50mm的試塊組成,試塊的接觸面應磨平,距離100mm以內兩點間的平整度偏差不超過0.2mm,按標準規定在下試塊的磚面上刻槽,放置在裝樣臺上埋設熱線和熱電偶,槽內用磨細的試樣細粉填實,裝入爐內升溫進行實驗。3.3測量精度國外資料顯示對于熱線法,實驗測量誤差為10%~30%,實驗室間測量誤差沒有確切的統計數據。4光榮法閃光法適用于測量-200~2000℃,導熱系數0.05~2000W/(m·K)的耐火材料。4.1熱擴散系數法閃光法屬于不穩態導熱法,受高強度短時能量脈沖輻射,試樣正面吸收能量使背面溫度升高,根據試樣厚度和背面溫度達到最大值的某一百分率所需時間測出試樣的熱擴散系數,從而計算試樣的導熱系數。4.2熱擴散系數和導熱系數的測定典型的試樣為2~6個直徑6~18mm,厚度1~6mm(最佳厚度取決于所估計的熱擴散系數量值,確保達到最高溫度所需的時間在40~200ms之內變化)的薄圓片,試樣表面必須平整且相互平行。⑵試樣測試試樣裝入支架中,設備處于正常狀態,可以進行常溫、高溫實驗。1)熱擴散系數的測定熱擴散系數由起始脈沖開始到試樣背面溫度升至最高所需的一半時間t1/2確定。式中:α—熱擴散系數,cm2/st1/2—試樣背面溫升達到最大溫升值一半所需的時間,sL—試樣厚度,mm2)比熱的測定選用一個與待測試樣相近的已知比熱的試樣作為參考,在相同的處理條件下進行相同的閃光加熱,測出各自的最大溫升,計算得出待測試樣的比熱。式中:Cpx—待測試樣比熱,J/(g·K)Cps—標準試樣比熱,J/(g·K)mx—待測試樣質量,gms—標準試樣質量,gΔTx—待測試樣背面的最大溫升,KΔTs—標準試樣背面的最大溫升,K3)導熱系數的測定導熱系數可以通過試樣的熱擴散系數和比熱計算得到。式中:λ—導熱系數,W/(m·K)k—常數α—熱擴散系數,cm2/sρ—體積密度,g/cm3Cp—比熱,J/(g·K)4.3實驗測量誤差的影響閃光法測量導熱系數,國外資料顯示對于均相質的材料,實驗測量誤差為5%,而對于非均相質的材料,沒有確切的實驗測量誤差的統計數據。但在國內耐火材料行業并不普遍,對其實驗測量誤差需采用數據采集和數據分析的方法才能獲得。5一些測試測試的比較對于耐火材料來說,應依據其導熱系數的數值選用合適的測量方法,方法不同