採用雷射閃射法檢測炭質耐火材料導熱係數的原理

2020-12-05 找耐火材料網

導熱係數是衡量微孔炭磚性能優劣的重要指標,對煉鐵高爐的使用性能至關重要。導熱係數越高,在炭磚發生較大溫度變化時,熱量的傳遞就越快,炭磚內部的溫差越小,抵抗熱應力衝擊的性能就越強,炭磚使用壽命越長,高爐使用壽命自然延長。因此,對於炭磚導熱係數的檢測具有重要的現實意義。

鋁鎂炭磚

當前,炭質耐火材料導熱係數的檢測普遍採用的是雷射閃射法:

1、測量原理

根據導熱係數的定義可知,導熱係數λ與熱擴散係數α,材料比熱容c,材料密度ρ之間存在以下關係:

λ=αρc (1)

因此,若測得材料的熱擴散係數α,材料比熱容c和材料密度ρ就可由式(1)計算得出材料的導熱係數。

1.1熱擴散係數的測定

雷射閃射法直接測量的是材料的熱擴散係數,其基本原理如圖1所示。

圖1熱擴散係數測定原理

在一定溫度下,由雷射源在瞬間發射一束光脈衝,均勻照射在樣品下表面,使其表層吸收光能後溫度瞬時升高。此表面作為熱端將能量以一維熱傳導方式向冷端(上表面)傳播。使用紅外檢測器連續測量樣品上表面中心部位的相應溫升過程,得到溫度T隨時間t的變化關係,得到試樣上表面溫度升高到最大值TM的一半時所需要的時間t1/2(半升溫時間),根據Fourier傳熱方程[3]計算得到材料的熱擴散係數α,見式(2):

(2)

其中,α為材料的熱擴散係數,L為試樣的厚度,t1/2為半升溫時間。

對於實際測量過程中對理想條件的任何偏離(如邊界熱損耗、樣品表面與徑向的輻射散熱、邊界條件或非均勻照射導致的徑向熱流、樣品透明/半透明而表面塗覆不夠緻密導致的部分光能量透射或深層吸收、t1/2很短導致光脈衝寬度不可忽略等),需使用適當的數學模型進行計算修正。

1.2比熱容的測定

比熱可使用文獻值,也可在雷射閃射法儀器中使用比較法[4]與熱擴散係數同時測量得到。使用一個與樣品截面形狀相同、厚度相近、熱物性相近、表面結構(光滑程度)相同且比熱值已知的參比標樣(以下簡寫為std),與待測樣品(以下簡寫為sam)同時進行表面塗覆(確保與樣品具有相同的光能吸收比與紅外發射率),並依次進行測量。

根據比熱容的定義:

(3)

其中,c為材料的比熱容,Q為吸收的能量,T為試樣吸收能量後的溫升,m為材料的質量。由此可知:

(4)

在光源照射能量相同,樣品與標樣下表面吸收面積與吸收比相同的情況下,Qstd=Qsam,則式(4)可以變換為:

(5)

上述即為比熱容測定的原理與計算公式。

綜上所述,雷射閃射法測量的是材料的熱擴散係數和比熱容,得到這兩個主要數據後代入式(1),就可得到材料的導熱係數。

石墨炭磚

2、測量設備

本次研究使用的是德國耐馳儀器製造有限公司生產的LFA-427型雷射閃射導熱儀。雷射源的最大能量為20J,脈衝寬度最大至1.2ms,脈衝能量和寬度均可軟體控制。爐體均採用真空密閉結構,真空度可達10-5mbar,可在高純度保護氣氛或者高真空環境下進行測量LFA-427型雷射閃射導熱儀的主要性能指標參見下表:

表1LFA-427型雷射閃射導熱儀的主要性能指標

其中,測量的精度為:熱擴散係數±3%,比熱容±5%。

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