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钢包、水泥回转窑等工业窑炉耐磨耐火材料轻量化研究

文章出处:盛世金鼎水泥厂保温耐火材料网 人气:49发表时间:2019-08-24 17:22:12

目前,国内外学者针对钢包、水泥回转窑等工业窑炉都已经开展了轻量化研究。在整个水泥生产系统中,水泥回转窑消耗着大量的化石能源,它的节能特别是过渡带能耗的降低对于窑体的整体节能降耗具有重大的意义。

耐火材料可以认为是固相以及气相组成,热量在耐火材料中的传递过程包括两个传递途径,即固相传热与液相传热,如图1所示。其中,材料气孔中热量传递方式主要有热传导、对流传热和辐射传热三个方面。

图 1 热量在材料内部热传导示意图

通过耐火材料传递的热量可以用公式(1)表示:

式中,Q为通过耐火材料传递的热量,λe为耐火材料的有效传热系数,ΔT为耐火材料两边的温差,ΔL为耐火材料的传热距离。值得注意的是,λe综合考虑了通过固相与气相的传热。在所有传热机制中,固相传热所占比例一般在70%以上。

影响耐火材料导热系数的因素主要包括气孔结构和物相组成两方面:

(1) 气孔结构。

主要包括气孔率、气孔直径以及微孔比例等。一般来讲,在气孔率相同的情况下,气孔直径越小,材料的导热系数越低。气体在多孔介质中的导热系数λ可以用Knudsen公式推算出,如式(2)所示:

式中,λ0是空气有效传热系数(其值为0.026 W·m-1·K-1,室温下),β是气体分子与固相的热交换系数,lg是气体分子的平均自由程,Φ是材料的平均孔径。

从上式可以看出,气孔直径越小,气体的导热系数就越低;另一方面,气孔直径的降低增加了气孔的截面积,此时热量在材料内部传递时的热阻变大,导致导热系数下降。

(2) 化学组成。

材料内晶体结构越复杂,导热系数越低。耐火材料中的固相包括结晶相和玻璃相两种,通常情况下晶体的导热系数高于玻璃相。低温下,玻璃相中的原子或离子为无序排列,运动时阻力比有序排列的晶体要高,因此耐火材料中玻璃相含量的增高有利于导热系数的降低。高温下,玻璃相粘度变低,原子或离子运动阻力变小,反而导热系数随之增加。不同晶体的导热系数也各不相同,一般来说,大部分非氧化物的导热系数都高于氧化物体系。

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