含鋯高鋁耐火纖維氈高溫?zé)釋?dǎo)率的研究

含鋯高鋁耐火纖維氈高溫?zé)釋?dǎo)率的研究

高鋁耐火涂層具有耐腐蝕、抗熱地震、容重小、熱導(dǎo)率低、化學(xué)穩(wěn)定性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于化工、冶金、陶瓷、建筑物等行業(yè)。但迄今為止,人們對(duì)這種隔熱材料在高溫下的性質(zhì)的了解尚不充分,這使其應(yīng)用范圍和應(yīng)用方式受到了限制。如在工業(yè)爐窯的熱工設(shè)計(jì)中,熱導(dǎo)率是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù),使用高鋁耐火纖維氈時(shí),其熱導(dǎo)率究竟應(yīng)怎么確定?從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)看,對(duì)高鋁耐火纖維氈在高溫下的熱性能研究甚少,從工程需要出發(fā),很有研究的必要。從傳熱機(jī)理看,高鋁耐火纖維氈在高溫下不僅存在空氣和纖維的熱傳導(dǎo),熱輻射亦很重要,且其導(dǎo)熱性能與材料的物理性質(zhì)﹑組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān),傳熱機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。本研究測(cè)定了含鋯高鋁耐火纖維氈在不同條件下的熱導(dǎo)率,并對(duì)其影響因素進(jìn)行了探討。1熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)用耐火纖維的化學(xué)組成為:w(ZrO2)≥15%,w(ZrO2+Al2O3+SiO2)≥99%,w(Fe2O3)<0.3%,w(Na2O+K2O)<0.2%。試樣由此耐火纖維規(guī)則排列為300mm×60mm×40mm的長(zhǎng)方塊按一定方位疊加而成,通過(guò)改變壓緊程度來(lái)改變?cè)嚇尤葜亍Ｍㄟ^(guò)對(duì)各種熱導(dǎo)率測(cè)試方法的比較,并結(jié)合高鋁耐火纖維氈的特點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)采用一維穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)定耐火纖維氈的熱導(dǎo)率。對(duì)于一維穩(wěn)態(tài)傳熱,由傅立葉定律得:Φ=?λAdtdx(1)Φ=-λAdtdx(1)式中:Φ為熱流量,W;λ為熱導(dǎo)率,W·(m·K)-1;A為垂直于熱流方向上的導(dǎo)熱面積,m2;dtdxdtdx為試樣在熱流方向上的溫度梯度,K·m-1。在高溫條件下,高鋁耐火纖維氈的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系很復(fù)雜,但在同一試樣中一個(gè)較小的溫度區(qū)[t1,t2]內(nèi),其熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系λ=f(t)可近似地作為直線(xiàn)處理,即:λ=λ0(1+bt)(2)λ=λ0(1+bt)(2)式中:λ0為t=273K時(shí)材料的熱導(dǎo)率,即直線(xiàn)在λ坐標(biāo)軸上的截距。邊界條件:x=0,t=t2(3)x=δ,t=t1(4)x=0,t=t2(3)x=δ,t=t1(4)將式(2)、(3)、(4)代入式(1)得:λm=ΦδA(t2?t1)(5)λm=ΦδA(t2-t1)(5)式中:λm為平均溫度tm=(t1+t2)/2下材料的熱導(dǎo)率,W·(m·K)-1;t1﹑t2分別為試樣冷﹑熱面的溫度,K;δ為試樣厚度,m。根據(jù)式(5),只要在試樣內(nèi)建立起一維的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng),并測(cè)出Φ、A、t1、t2、δ等值,即可求取平均溫度tm下的熱導(dǎo)率。為降低試樣兩面的溫差以提高測(cè)試精度,試樣厚度選10mm,此時(shí)試樣冷、熱面的溫度差約為30℃。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB10294和一維穩(wěn)態(tài)平板法的特點(diǎn),自制了一臺(tái)測(cè)定材料高溫?zé)釋?dǎo)率的系統(tǒng),并應(yīng)用該系統(tǒng)測(cè)定了高鋁耐火纖維氈的高溫?zé)釋?dǎo)率。2結(jié)果與分析2.1熱傳導(dǎo)與熱輻射的關(guān)系測(cè)定了不同容重的纖維氈在不同溫度下的熱導(dǎo)率。溫度對(duì)熱導(dǎo)率的影響見(jiàn)圖1。在高鋁耐火纖維氈中,熱量的傳遞方式主要是熱傳導(dǎo)和熱輻射,對(duì)流傳熱可忽略。熱傳導(dǎo)由其中的固相和氣相共同完成。熱輻射則主要由材料中的固相物質(zhì)產(chǎn)生,折射、反射、透射多種方式并存。由圖1可以看出,在400℃以下熱輻射表現(xiàn)不明顯,傳熱方式主要是熱傳導(dǎo),曲線(xiàn)平坦。隨著溫度的升高,熱導(dǎo)率曲線(xiàn)變化陡峭,主要是熱輻射大大增強(qiáng)。溫度越高,熱輻射越強(qiáng),且與絕對(duì)溫度的3次方成正比。所以,在材料容重一定時(shí),材料的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而升高,且溫度越高,熱導(dǎo)率變化越大。2.2容重對(duì)纖維熱導(dǎo)率的影響在高溫條件下,纖維氈的熱導(dǎo)率還與其微空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。通過(guò)改變?nèi)葜貋?lái)改變其微空間結(jié)構(gòu),然后在一定的溫度下測(cè)定了其熱導(dǎo)率隨容重的變化,結(jié)果見(jiàn)圖2。當(dāng)纖維氈的容重增加時(shí),纖維所占的體積分?jǐn)?shù)增加,空隙率及孔徑變小。這樣,雖然由固體(纖維)所完成的傳導(dǎo)傳熱增加,由于輻射傳熱隨空隙率及孔徑的減小而減少,其總的結(jié)果是熱導(dǎo)率下降。在高溫條件下,纖維氈的熱導(dǎo)率隨容重增加而減小的規(guī)律十分明顯。2.3方向上的熱導(dǎo)率隨熱流方向的變化制作高鋁耐火纖維氈時(shí),纖維堆積基本上是隨機(jī)無(wú)序的,其方向既可與熱流方向平行,又可與熱流方向垂直,還可介于兩者之間。本研究采用同一容重(200kg·m-3)的耐火纖維氈,改變?cè)嚇拥氖褂梅较?測(cè)定其熱導(dǎo)率隨溫度的變化,結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可知,高鋁耐火纖維氈的熱導(dǎo)率在各向是不相同的。當(dāng)纖維與熱流方向垂直時(shí),其熱導(dǎo)率取決于空隙中空氣的熱導(dǎo)率;而當(dāng)纖維與熱流方向平行時(shí),其熱導(dǎo)率取決于纖維本身的熱導(dǎo)率。由于兩者的熱導(dǎo)率不同,即高鋁纖維本身的熱導(dǎo)率大大高于空氣的熱導(dǎo)率,所以,與纖維平行方向的熱導(dǎo)率高于與纖維垂直方向的熱導(dǎo)率。盡管材料中纖維堆積是隨意的,但纖維堆積在某一方向要多些,而在另一方向要少些,從而造成了高鋁耐火纖維氈在各個(gè)方向上熱量傳遞的不均勻。因此,在使用耐火纖維氈時(shí),應(yīng)盡量使熱流方向與材料中大多數(shù)纖維的堆積方向垂直,以便獲得更佳的隔熱效果。3溫度和容重對(duì)熱導(dǎo)率的影響(1)在300～12