含碳耐火材料的热扩散系数

NA IHUO CA IL IAO /耐火材料 2007 , 41 (6 ) 473～475 讨论 ·交流 2007 /6 耐火材料 /NAIHUO CAILIAO 473　　 含 碳 耐 火 材 料 的 热 扩 散 系 数 宋希文 1) 　刘国齐 2) 　苏有权 3) 　王 峰 3) 　安胜利 1) 1)内蒙古科技大学材料与冶金学院 　包头 014010 2)中钢集团洛阳耐火材料研究院 3)唐钢第一钢轧厂 摘　要 　为获得含碳耐火材料的基础热数据 ,利用激光脉冲法测试了 7种连铸用含碳耐火材料的热扩散系数。 结果明 :连铸用含碳耐火材料的热扩散系数随温度的变化呈指数降低 ,并满足关系式α =B +A exp ( - T /D )。 含碳耐火材料热扩散系数与材料的组成和结构有关 ,石墨含量对热扩散系数影响最为显著 ,材料的热扩散系数 随石墨含量的增加而增大 ;另外含碳耐火材料中氧化物的组成也会影响材料的热扩散系数。 关键词 　含碳耐火材料 ,热扩散系数 ,连铸 　　从 20世纪 80年代开始 ,随着冶金技术的进步 , 含碳耐火材料取得了长足的进展 [ 1 ]。一大批钢铁工 业用含碳耐火材料相继问世并得以成功应用 ,如大型 高炉炉缸、炉底用微孔和超微孔碳砖 ,炉身下部用 Si3 N4 - SiC砖和 SiA lON - SiC砖 ,出铁沟用 A l2 O3 - SiC - C质浇注料 ,混铁车渣线用 A l2O3 - SiC - C砖 , 顶底复吹转炉用高强度镁碳砖及供气元件 ,连铸用铝 碳质长水口、浸入式水口和整体塞棒 ,铝碳 (锆 )质滑 板 [ 2 - 3 ]等。 含碳耐火材料具有良好的抗熔铁和熔渣侵蚀的 能力 ,导热性好 ,抗热震性优良 ,虽然其抗氧化性差 , 但可通过加入抗氧化剂和涂抹防氧化涂料等措施加 以提高。对于含碳耐火材料的抗侵蚀性、抗热震性和 抗氧化性已经进行了大量的研究工作 ,但对于其导热 性能的基础研究却较少。含碳材料热扩散系数的大 小 ,直接影响材料的抗热震性以及使用时热应力的大 小 ,它也是通过有限元进行热模拟计算时的必要 数据。激光脉冲法测量材料的热扩散系数具有时间 短、精度高、应用范围广等特点 ,是研究材料热扩散系 数的有利工具。因此 ,本工作利用激光脉冲法测试了 7种连铸用含碳功能耐火材料的热扩散系数。 03 1　实验设备与原理 1. 1　实验设备 所用仪器为德国 Netzsch LFA 427型激光导热系 数仪 ,结构示意图如图 1所示。仪器主要由 Nd: GGG 激光器、高温炉、InSb红外检测器和控制系统组成。 图 1　LFA 427激光导热系数仪结构示意图 1. 2　测试原理 激光导热系数仪测试原理是利用 Nd: GGG激光 器产生介于 0. 2～1. 2 m s的激光脉冲 (见图 2)加热试 图 2　激光脉冲曲线3 宋希文 :男 , 1970年生 ,博士 ,副教授。 收稿日期 : 2007 - 03 - 05 474　　 NAIHUO CAILIAO /耐火材料 2007 /6 样的下表面 ,热量在试样中扩散 ,使试样上表面的温 度升高。利用 InSb红外连续检测器测量试样背面的 温度随时间上升的关系 (见图 3) ,然后根据不同的数 学模型计算出试样的热扩撒系数。为考察含碳耐火 图 3　试样背面温升曲线 材料的温度特性 ,分别在不同的温度点上进行热扩散 系数的测定。 2　实验 本工作所选择的研究对象为 7种连铸用含碳功 能耐火材料 ,其理化性能指标见表 1。试样的直径为 10 mm,厚度为 3 mm。在测试过程中 ,通入高纯 A r保 护 ,以防止石墨氧化。所选择的激光电压为 450 V,脉 冲时间为 0. 3 m s。测试温度范围为室温 ～1 400 ℃, 每隔 200 ℃测 1个点 ,每个点打 3次 ,取其平均值作 为测试结果。 表 1　含碳耐火材料的理化性能指标 编号 材料组成 体积密度 / ( g·cm - 3 ) 显气孔率 /% 抗折强度 /MPa w (C) /% 备　　注 A 铝碳材料 2. 55 12. 1 9. 2 25. 2 用于塞棒渣线或水口本体 B 铝碳材料 2. 65 11. 2 9. 1 23. 8 用于塞棒渣线或水口出钢口 C 锆碳材料 3. 60 10. 8 10. 2 14. 7 用于塞棒渣线或水口渣线 D 镁碳材料 2. 60 14. 5 6. 4 13. 2 用于塞棒棒头 E 铝碳材料 2. 55 12. 3 8. 7 27. 4 用于长水口材料 F 铝碳材料 2. 70 11. 2 8. 6 14. 3 用于塞棒棒头 G 铝碳材料 2. 71 10. 1 9. 3 21. 7 用于塞棒本体 3　结果与讨论 3. 1　温度对含碳耐火材料热扩散系数的影响 所测试样的热扩散系数与温度的关系如图 4所 示。从图可以看出 , 7种含碳耐火材料的热扩散系数 均为温度的单值函数 ,即随着测试温度的升高 ,试样 的热扩散系数降低。 图 4　含碳耐火材料的热扩散系数与温度的关系 　　将图 4中的数据进行曲线拟合 ,可知所测含碳耐 火材料的热扩散系数与温度之间均满足关系式 (1)。 将 7种含碳耐火材料热扩散系数与温度的关系式列入 表 2。表 2中各热扩散系数表达式的相关系数 R2 均大 于 0. 99,说明在测试温度范围内 ,这 7种含碳耐火材料 的热扩散系数均很好地满足所得到的关系式 (1)。 α = B + A exp - T D (1) 式中 ,α为热扩散系数 , mm2 · s- 1 ; A、B 和 D 均为 常数。 表 2　含碳耐火材料热扩散系数与温度的关系式 编号 热扩散系数α与温度 T的关系式 相关系数 R2 温度范围 A α= 7. 78 + 20. 55exp ( - T /196. 46) 0. 995 室温～1 400 ℃ B α= 7. 43 + 19. 32exp ( - T /183. 49) 0. 999 室温～1 400 ℃ C α= 4. 96 + 9. 57exp ( - T /170. 65) 0. 996 室温～1 400 ℃ D α= 3. 50 + 5. 71exp ( - T /263. 16) 0. 990 室温～1 400 ℃ E α= 8. 89 + 23. 04exp ( - T /200. 40) 0. 998 室温～1 400 ℃ F α= 6. 58 + 8. 76exp ( - T /180. 83) 0. 998 室温～1 400 ℃ G α= 6. 86 + 14. 15exp ( - T /185. 83) 0. 999 室温～1 400 ℃ 3. 2　其他因素对含碳耐火材料热扩散系数的影响 1 300 ℃下不同含碳耐火材料的热扩散系数如图 5所示。可以看出 :碳含量对热扩散系数的影响较 大。当材料为铝碳材料时 ,碳含量高时试样的热扩散 系数也高 ,否则较低 ,如试样 E的碳含量最高 ,为 27. 4% ,热扩散系数也最大 ,为 8. 92 mm2 ·s- 1 ;试样 F的碳含量最低 ,为 14. 3% ,热扩散系数也最小 ,为 6. 59 mm2 ·s- 1。由于含碳材料中碳的主要组成为石 墨 ,石墨的热扩散系数要远远高于 A l2 O3 等氧化物的 热扩散系数 [ 4 - 6 ] ,导致碳含量对材料的热扩散行为影 响最大。另外 ,含碳耐火材料中的氧化物也会对热扩 2007 /6 耐火材料 /NAIHUO CAILIAO 475　　 散系数有一定的影响。例如 ,试样 C、试样 D和试样 F的碳含量相近 ,但热扩散系数有明显差别 ,试样 C、 试样 D和试样 F的热扩散系数分别为 4. 96 mm2 ·s- 1、 3. 54 mm2 ·s- 1和 6. 59 mm2 ·s- 1。这是由于材料 C为 锆碳材料 , D为镁碳材料 , F为铝碳材料 ; 3种材料中 的氧化物不同 ,导致在相近碳含量的条件下材料的热 扩散系数有所不同。 图 5　1 300 ℃下不同含碳耐火材料的热扩散系数 4　结论 (1)连铸用含碳耐火材料的热扩散系数随温度的 变化呈指数降低 ,并满足关系式α = B +A exp ( - T /D )。 　　 (2)石墨含量对含碳耐火材料的热扩散系数有显 著的影响 ,随着碳含量的增加 ,材料的热扩散系数增 大 ;含碳耐火材料中的氧化物组成也会对热扩散系数 产生一定的影响。 参考文献 [ 1 ]　张文杰 ,李楠. 碳复合耐火材料. 北京 :科学出版社 , 1991: 1 - 2 [ 2 ]　田守信. 连铸用耐火材料及其发展. 中国冶金 , 2003, (4) : 41 - 44 [ 3 ]　李红霞 ,刘国齐 ,杨彬 ,等. 连铸用功能耐火材料发展. 耐火材料 , 2001, 35 (1) : 45 - 49 [ 4 ]　钱之荣 ,范广举. 耐火材料实用手册. 北京 :冶金工业出版社 , 2001: 92, 140 [ 5 ]　李红霞.耐火材料手册.北京 :冶金工业出版社 , 2007: 55 - 60, 190 [ 6 ]　李荣久. 陶瓷 - 金属复合材料. 北京 :冶金工业出版社 , 1995: 26 - 42 加热炉过梁预制件的制作及锚固件的设计 杨守成　李桂芳 中冶集团武汉冶建技术研究有限公司 　武汉 430081 　　加热炉的使用温度一般为 800～1 350 ℃,但其 内外侧温差较大 ,内侧温度有时可达 800～1 200 ℃, 而外侧的温度只有 200～350 ℃,其温差可达 500～ 700 ℃。所以 ,对材料的抗热震性和抗爆裂性要求比 较高 ,此外还必须具有较好的抗热气流冲刷性和耐烟 气中微成分的侵蚀性。而加热炉过梁一般都采用不 定形耐火材料现场浇注施工 ,整体性好 ,且施工方便。 但有时为了不影响正常生产 ,要在短时间内以最快的 速度完工 ,就必须把过梁分段预制成预制件 ,经 500～ 600 ℃处理 ,现场吊装完工后直接投入生产。所以 , 过梁预制件的制作及其锚固件的配筋设计对其使用 效果及使用寿命影响很大。 1　过梁预制件的制作 1. 1　模具的制作 因为不同的炉型对过梁尺寸的要求也不尽相同 , 所以建议用高档木芯板做模具。根据预制件的尺寸 要求 ,在要求误差范围内严格按照尺寸制模 (有些厂 家会同时提供要求的模具图纸 )。在制作模具方面有 几点值得注意的问题 : (1)要根据现场使用的要求 ,能做成负公差的尽 量做成负公差 ,以便于施工安装 ; (2)根据预制件大小确定模具四周是否加固 ,以 防大体积预制件在制作过程中因浇注料的振动而撑 裂模具 ; (3)模具内部各面或是异型拐角都是预制件的成 型面 ,要保证其平整、光滑 ,使得预制件外观美观 ; (4)在模具完工后在其内部涂抹一层废机油 ,尤 其是异型区或四角 ,也可粘贴层塑料薄膜或胶纸以便 于脱模 ; (5)对于有突出的异型区的预制件 ,要特别注意 其异型区与本体的连接处 ,此时要保证模具进料口边 沿的木芯板横截面用胶纸贴上 ,避免在浇注、养护过 程中有水分渗入木芯板内 ,造成模具局部膨胀变形而 使得预制件异型区与本体的连接处出现裂纹。