本申請涉及熱導率測量領域，具體而言，涉及一種球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置及方法。

背景技術：

1、耐火材料作為工業(yè)窯爐中常用的窯襯材料，是不可缺少的結構材料和功能材料之一，耐火材料的設計和配置、施工和應用以及相關的工藝和設備條件一起共同對工業(yè)窯爐的壽命、產(chǎn)能、能耗產(chǎn)生影響。

2、耐火材料的導熱能力與其化學礦物組成、組織結構及溫度有密切的關系。耐火材料的化學組分越復雜，雜質(zhì)含量越多，熱導系數(shù)降低越明顯，同時耐火材料內(nèi)部氣孔的存在也使熱導系數(shù)降低。對于一些各向異性顯著、熱膨脹系數(shù)相差較大的多相復合耐火材料，由于存在大的內(nèi)應力，沿著晶界會出現(xiàn)微裂紋，使熱通量受到阻礙，材料的熱導系數(shù)有明顯的降低。

3、如授權公告號為cn107860228b的發(fā)明專利公開了一種耐火材料導熱檢測試驗爐及其檢測方法，其是將耐火磚加工成規(guī)定的尺寸的試樣置于檢測腔體內(nèi)，一側加熱，另一側用紅外測溫，根據(jù)測得的試樣溫度和時間，繪制耐火材料的導熱溫度曲線。適用于超高溫度下非均質(zhì)和復合耐火材料導熱系數(shù)的測試，但爐膛內(nèi)采用硅鉬棒輻射加熱，測試腔采用紅外測溫，對于部分材料所測目標溫度與表面溫度不一致，導致測試結果誤差大。

4、國家標準gb/t?5990采用熱線法，通過在耐火材料表面刻槽埋設熱線，通過加熱耐火材料使溫度上升至特定溫度，測試某一時間段內(nèi)特定位置動態(tài)溫升來計算導熱系數(shù)。雖然該方法適用的導熱系數(shù)范圍較廣，但分析誤差較大，因為使耐火材料溫度恒定上升的熱線源，其加熱效果受耐火材料表面平整度、材料厚度、熱線加熱功系數(shù)穩(wěn)定性、環(huán)境溫度的穩(wěn)定性乃至熱線長度、直徑、熱線材質(zhì)、熱線及測溫熱電偶埋設等等影響，這些因素對檢測結果產(chǎn)生較大影響，導致檢測結果出現(xiàn)不準確，且難以對球形的耐火材料進行檢測。

5、因此，需要一種能夠準確測量球形耐火材料導熱系數(shù)的測試裝置及方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本申請的目的在于提供一種球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置及方法，其能夠避免熱輻射隔和散熱損失對測量結果的干擾，從而得到球形耐火材料的準確測試結果。

2、本申請是這樣實現(xiàn)的：

3、本申請?zhí)峁┮环N球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置，其包括測試箱、至少一個內(nèi)設有測試介質(zhì)的儲液槽及與儲液槽一一對應的集成測試管，測試箱內(nèi)設有上下間隔布置的測試腔和加熱腔及填充于測試腔和加熱腔內(nèi)的導熱介質(zhì)，測試腔和加熱腔通過至少一個連接孔連通，測試箱連接有用于對加熱腔加熱的加熱元件；測試腔內(nèi)設有至少一個用于固定球形耐火材料的試樣架，球形耐火材料表面設有沿其徑向延伸至球心的測試孔及至少一個球面測溫傳感器，球形耐火材料的球心設有與測試孔連通的球形腔，集成測試管的底部插入測試孔伸入至對應球形腔內(nèi)，集成測試管連接有至少一個用于檢測球形腔內(nèi)壁溫度的球心測溫傳感器和導液機構，導液機構用于驅(qū)動測試介質(zhì)在集成測試管和對應儲液槽之間循環(huán)流動。

4、在一些可選的實施方案中，導熱介質(zhì)和/或測試介質(zhì)為水、導熱油或熔鹽中的一種。

5、在一些可選的實施方案中，導液機構包括導液管及與導液管連接的循環(huán)泵，導液管的兩端延伸至對應儲液槽內(nèi)。

6、在一些可選的實施方案中，球形耐火材料的直徑為100-200mm，球形腔與球形耐火材料共球心且直徑為10-20mm。

7、在一些可選的實施方案中，試樣架包括用于卡接球形耐火材料的卡環(huán)及多個連接卡環(huán)和測試箱的支腳。

8、在一些可選的實施方案中，儲液槽連接有用于加熱測試介質(zhì)的加熱裝置和用于檢測測試介質(zhì)溫度的測試介質(zhì)測溫傳感器。

9、在一些可選的實施方案中，集成測試管內(nèi)連接有一個位于其中心軸線上的球心測溫傳感器和多個沿其內(nèi)壁周向間隔布置的球心測溫傳感器。

10、本申請還提供了一種球形耐火材料的導熱系數(shù)測試方法，其是使用上述的球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置進行的，包括以下步驟：

11、將耐火材料制成球形耐火材料固定于測試腔內(nèi)的試樣架上；

12、在球形耐火材料表面粘貼至少一個球面測溫傳感器，將集成測試管的底部插入球形耐火材料的測試孔伸入至對應球形腔內(nèi)，使用集成測試管連接的球心測溫傳感器檢測球形腔內(nèi)壁溫度；

13、使用加熱元件加熱導熱介質(zhì)至預設溫度以對測試腔內(nèi)的球形耐火材料傳導熱量；

14、使用導液機構驅(qū)動測試介質(zhì)在集成測試管和對應儲液槽之間循環(huán)流動，直至球形腔內(nèi)壁溫度穩(wěn)定；

15、獲取球面測溫傳感器、球心測溫傳感器及儲液槽內(nèi)測試介質(zhì)的單位時間內(nèi)的溫度差，計算球形耐火材料的導熱系數(shù)。

16、在一些可選的實施方案中，計算球形耐火材料的導熱系數(shù)時使用以下公式：

17、

18、式中；λ為導熱系數(shù)w/m·k；q為熱通量，q＝c×m×(t2-t1)，j；c為測試介質(zhì)的比熱容，j/kg·k；m為測試介質(zhì)的質(zhì)量，kg；t1為球形腔內(nèi)壁溫度穩(wěn)定后單次測試開始時測試介質(zhì)的溫度，k；t2為球形腔內(nèi)壁溫度穩(wěn)定后單次測試結束時測試介質(zhì)的溫度，k；r代表球形耐火材料半徑，m；r代表球形腔半徑，m；t2-t1代表球形耐火材料的球面和球心的溫度梯度差，即球形腔內(nèi)壁溫度穩(wěn)定后球面測溫傳感器和球心測溫傳感器檢測溫度的溫度差，以k表示；s表示t1和t2兩次溫度測量的時間間隔，以秒表示。

19、在一些可選的實施方案中，使用加熱元件加熱導熱介質(zhì)至預設溫度時，首先以10-30℃/min的升溫速率將導熱介質(zhì)加熱至低于預設溫度50-100℃，然后以3-5℃/min的升溫速率將導熱介質(zhì)繼續(xù)升溫至預設溫度。

20、本申請的有益效果是：本申請?zhí)峁┑那蛐文突鸩牧系膶嵯禂?shù)測試裝置包括測試箱、至少一個內(nèi)設有測試介質(zhì)的儲液槽及與儲液槽一一對應的集成測試管，測試箱內(nèi)設有上下間隔布置的測試腔和加熱腔及填充于測試腔和加熱腔內(nèi)的導熱介質(zhì)，測試腔和加熱腔通過至少一個連接孔連通，測試箱連接有用于對加熱腔加熱的加熱元件；測試腔內(nèi)設有至少一個用于固定球形耐火材料的試樣架，球形耐火材料表面設有沿其徑向延伸至球心的測試孔及至少一個球面測溫傳感器，球形耐火材料的球心設有與測試孔連通的球形腔，集成測試管的底部插入測試孔伸入至對應球形腔內(nèi)，集成測試管連接有至少一個用于檢測球形腔內(nèi)壁溫度的球心測溫傳感器和導液機構，導液機構用于驅(qū)動測試介質(zhì)在集成測試管和對應儲液槽之間循環(huán)流動。本申請?zhí)峁┑那蛐文突鸩牧系膶嵯禂?shù)測試裝置及方法能夠避免熱輻射隔和散熱損失對測量結果的干擾，從而得到球形耐火材料的準確測試結果。

技術特征：

1.一種球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置，其特征在于，其包括測試箱、至少一個內(nèi)設有測試介質(zhì)的儲液槽及與所述儲液槽一一對應的集成測試管，所述測試箱內(nèi)設有上下間隔布置的測試腔和加熱腔及填充于所述測試腔和所述加熱腔內(nèi)的導熱介質(zhì)，所述測試腔和所述加熱腔通過至少一個連接孔連通，所述測試箱連接有用于對所述加熱腔加熱的加熱元件；所述測試腔內(nèi)設有至少一個用于固定球形耐火材料的試樣架，所述球形耐火材料表面設有沿其徑向延伸至球心的測試孔及至少一個球面測溫傳感器，所述球形耐火材料的球心設有與所述測試孔連通的球形腔，所述集成測試管的底部插入所述測試孔伸入至對應所述球形腔內(nèi)，所述集成測試管連接有至少一個用于檢測所述球形腔內(nèi)壁溫度的球心測溫傳感器和導液機構，所述導液機構用于驅(qū)動所述測試介質(zhì)在所述集成測試管和對應所述儲液槽之間循環(huán)流動。

2.根據(jù)權利要求1所述的球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述導熱介質(zhì)和/或所述測試介質(zhì)為水、導熱油或熔鹽中的一種。

3.根據(jù)權利要求1所述的球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述導液機構包括導液管及與所述導液管連接的循環(huán)泵，所述導液管的兩端延伸至對應所述儲液槽內(nèi)。

4.根據(jù)權利要求1所述的球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述球形耐火材料的直徑為100-200mm，所述球形腔與所述球形耐火材料共球心且直徑為10-20mm。

5.根據(jù)權利要求1所述的球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述試樣架包括用于卡接所述球形耐火材料的卡環(huán)及多個連接所述卡環(huán)和所述測試箱的支腳。

6.根據(jù)權利要求1所述的球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述儲液槽連接有用于加熱所述測試介質(zhì)的加熱裝置和用于檢測所述測試介質(zhì)溫度的測試介質(zhì)測溫傳感器。

7.根據(jù)權利要求1所述的球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述集成測試管內(nèi)連接有一個位于其中心軸線上的所述球心測溫傳感器和多個沿其內(nèi)壁周向間隔布置的所述球心測溫傳感器。

8.一種球形耐火材料的導熱系數(shù)測試方法，其特征在于，其是使用如權利要求1至7中任一項所述的球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置進行的，包括以下步驟：

9.根據(jù)權利要求8所述的球形耐火材料的導熱系數(shù)測試方法，其特征在于，計算所述球形耐火材料的導熱系數(shù)時使用以下公式：

10.根據(jù)權利要求8所述的球形耐火材料的導熱系數(shù)測試方法，其特征在于，使用加熱元件加熱導熱介質(zhì)至預設溫度時，首先以10-30℃/min的升溫速率將所述導熱介質(zhì)加熱至低于所述預設溫度50-100℃，然后以3-5℃/min的升溫速率將所述導熱介質(zhì)繼續(xù)升溫至預設溫度。

技術總結
一種球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置及方法，涉及熱導率測量領域。球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置包括測試箱、儲液槽及與儲液槽對應的集成測試管，測試箱內(nèi)設有測試腔、加熱腔及設于測試腔和加熱腔內(nèi)的導熱介質(zhì)，測試腔和加熱腔通過至少一個連接孔連通，測試箱連接有對加熱腔加熱的加熱元件及設于測試腔內(nèi)的試樣架，球形耐火材料表面設有貫穿至球心的測試孔及球面測溫傳感器，集成測試管插入測試孔伸入球心并連接有用于檢測球心溫度的球心測溫傳感器和導液機構，導液機構用于驅(qū)動測試介質(zhì)在集成測試管和對應儲液槽之間循環(huán)流動。球形耐火材料的導熱系數(shù)測試裝置及方法能夠避免熱輻射和熱損失對測量結果的干擾，得到球形耐火材料準確測試結果。

技術研發(fā)人員：伍書軍,薛海濤,彭艷,余煒,王奎
受保護的技術使用者：中國一冶集團有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/10