一種確定致密定形耐火材料導熱系數的方法
【專利摘要】本發明屬于一種確定致密定形耐火材料導熱系數的方法。其技術方案是：通過顯微鏡獲取致密定形耐火材料試樣的顯微結構圖，用圖像分析軟件對顯微結構圖進行二值化處理和輪廓線提取，獲得分形維數平均值d。利用平均孔徑表示氣孔輪廓線的大小和分形維數表示氣孔輪廓線的復雜程度，再用所測得的分形維數和平均孔徑兩個參數模擬致密定形耐火材料氣孔輪廓，并根據氣孔率P建立物理模型。最后用有限元軟件對物理模型進行溫度場穩態分析，得到溫度梯度，利用公式獲得致密定形耐火材料導熱系數λi隨溫度Ti的變化曲線。本發明具有操作簡單、成本低、適用性廣和接近實際的特點。
【專利說明】
-種確定致密定形耐火材料導熱系數的方法
技術領域
[0001] 本發明屬于耐火材料導熱系數技術領域。具體設及一種確定致密定形耐火材料導 熱系數的方法。
【背景技術】
[0002] 致密定形耐火材料為真氣孔率小于45%的定形耐火材料。
[0003] 致密定形耐火材料是由多晶體和玻璃體構成的固相和W空氣為介質的氣孔組成。 致密定形耐火材料的固相部分導熱系數可W通過理論計算或實驗測試獲得，但固相和氣孔 復合具有隨機性，使得具有一定數量氣孔的無機材料的導熱系數難W通過理論計算獲得。 致密定形耐火材料中的氣孔特性如氣孔率、氣孔的形狀、氣孔的大小和氣孔的分布直接影 響致密定形耐火材料的導熱系數，含有氣孔的致密定形耐火材料的物性參數由試驗測試獲 得，但難W獲得物性參數和溫度之間的直接映射關系，特別是工業應用爐襯材料由于生產 工藝的變化，使得材料即使體系相同及氣孔率相近，但其物性參數存在明顯差異。原來進行 爐襯構件的熱機械性能分析只有采用近似常數來處理，使得爐襯構件在不同溫度下服役特 性的分析精度存在明顯不足。
[0004] 目前致密定形耐火材料導熱系數的測定大多通過試驗方法獲得，中華人民共和國 國家標準GB/T 5990-2006對致密定形耐火材料導熱系數的試驗方法進行了規定。但其測試 專用設備昂貴、周期長、費用高和試樣制作困難，難W滿足實際應用中對爐襯多樣設計的需 求。
【發明內容】
[0005] 本發明旨在克服現有技術缺陷，目的是提供一種操作簡單、成本低、適用性廣和接 近實際的確定致密定形耐火材料導熱系數的方法，用該方法確定的導熱系數與試驗測得的 導熱系數基本接近。
[0006] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案是的具體步驟是：
[0007] 步驟一、按照"耐火材料氣孔孔徑分布試驗方法"（YB/T118-1997)，計算致密定形 耐火材料試樣的孔徑平均值貧。
[000引步驟二、用顯微鏡獲取所述致密定形耐火材料試樣的顯微結構圖。
[0009] 步驟=、確定致密定形耐火材料試樣氣孔的分形維數平均值d
[0010] (1)用Image-Pro Plus圖像分析軟件對所述顯微結構圖進行二值化處理，得到二 值化處理后的圖像。
[0011] (2)用Image-Pro Plus圖像分析軟件對二值化處理后的圖像進行輪廓線提取。
[0012] (3)用Image-Pro Plus圖像分析軟件測定所提取的輪廓線的分形維數，獲得分形 維數平均值d。
[0013] 步驟四、用CAD建模軟件構造所述孔徑平均值&和所述分形維數平均值d的近似氣 孔輪廓。
[0014] 步驟五、假設所述近似氣孔輪廓均勻分布，根據所述致密定形耐火材料試樣的氣 孔率P與所述近似氣孔輪廓，用CAD建模軟件建立致密定形耐火材料試樣的物理模型。
[0015] 步驟六、確定致密定形耐火材料試樣的物理模型在溫度Tl時的導熱系數、
[0016] (1)將所述物理模型導入COMSOL Multiphysics有限元軟件中。
[0017] (2)用COMSOL Multi地ysics郁良元軟件對所述物理模型劃分網格。
[001引（3)向COMSOL Multiphysics有限元軟件輸入致密定形耐火材料的屬性，所述致密 定形耐火材料的屬性是:設定物理模型的溫度Tl,物理模型中的固相部分在溫度Tl時的導熱 系數Aai,物理模型中的氣孔部分的空氣在溫度Tl時的導熱系數入bi。
[0019] (4)用COMSOL Multi地ysics削良元軟件對物理模型施加邊界條件:設物理模型的 一邊為熱邊，熱邊的熱流密度為q;設所述物理模型熱邊的對邊為冷邊，冷邊的換熱系數為 k。
[0020] (5)用COMSOL Multiphysics有限元軟件對物理模型進行溫度場計算，得到物理模 型熱邊的平均溫度THi和物理模型冷邊的平均溫度Tci。
[0021] (6)物理模型在溫度Tl時的導熱系數入1
[0022]
[0023] 公式（1):肌1表示熱邊平均溫度Thi與冷邊平均溫度之差，K;
[0024] dx表示致密定形耐火材料試樣熱邊與冷邊的距離，m;
[0025] q表示熱邊的熱流密度，W/m2;
[0026] i表示1......n的自然數，n為5~10中任一自然數。
[0027] 步驟屯、根據步驟六(3)-(6)，得到致密定形耐火材料在溫度Tl.T2.T3…Tn時對應 的導熱系數心??入n。
[0028] 繪制致密定形耐火材料導熱系數隨溫度變化的曲線。
[0029] 所述致密定形耐火材料為真氣孔率小于45%的定形耐火材料。
[0030] 由于采用上述技術方案，本發明與現有技術相比具有如下積極效果：
[0031] 首先，本發明只需要通過顯微鏡獲取致密定形耐火材料試樣的顯微結構圖，根據 所述顯微結構圖的特點，在計算機上模擬致密定形耐火材料氣孔輪廓并根據氣孔率P建立 物理模型，確定其導熱系數。而熱線法的測量是將試樣在爐內加熱至規定溫度并保溫，再用 沿試樣長度方向埋在試樣中的線狀電導體進行局部加熱，熱電偶便開始測量溫升隨時間的 變化，此溫升隨時間的函數就是被測試樣的導熱系數。本發明相比于熱線法操作更加簡單 且成本更低。
[0032] 其次，本發明為代替真實的氣孔輪廓，利用分形維數來表示氣孔輪廓的復雜程度。 然后用分形維數和孔徑大小來構造近似氣孔輪廓，再用近似氣孔輪廓建立不同氣孔率P的 致密定形耐火材料試樣的物理模型。對各種氣孔率P的致密定形耐火材料均適用。相比于其 他方法:平板法的適用溫度范圍不高，一般熱面的溫度維持在l〇〇〇°C左右;激光法是為測定 致密材料的導熱系數而建立起來的一種方法，多用于測定致密材料的導熱系數;故本發明 的方法適用性更廣。
[0033] 對于氣孔率在45% W下的耐火材料，本方法測定的導熱系數結果與實驗測得的結 果基本符合。
[0034] 因此，本發明具有操作簡單、成本低、適用性廣和基本接近實際的特點。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發明待確定的高侶質耐火材料試樣的顯微結構圖；
[0036] 圖2為圖1所示顯微結構圖的二值化處理后的圖像；
[0037] 圖3為圖2所示的圖像的氣孔輪廓線提取圖；
[0038] 圖4為圖1所示試樣的近似氣孔輪廓圖；
[0039] 圖5為圖1所示試樣的物理模型；
[0040] 圖6為對圖5所示的物理模型劃分網格后的圖像；
[0041 ]圖7為對圖5所示物理模型的溫度場計算結果圖；
[0042] 圖8為圖1所示試樣的導熱系數隨溫度變化的曲線圖；
[0043] 圖9為儀橄攬石耐火材料的導熱系數隨溫度變化的曲線圖；
[0044] 圖10為圖1所示試樣導熱系數的本發明確定值與試驗測得值的對比圖；
[0045] 圖11為儀橄攬石耐火材料導熱系數的本發明確定值與試驗測得值的對比圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步的描述，并非對其保護范圍的限 制：
[0047] 實施例1
[0048] -種確定致密定形耐火材料導熱系數的方法。本實施例所述方法的具體步驟是：
[0049] 本實施例所述致密定形耐火材料為高侶質耐火材料，所述高侶質耐火材料氣孔率 為 29.3%。
[0050] 步驟一、按照"耐火材料氣孔孔徑分布試驗方法"（YB/T118-1997)，計算所述高侶 質耐火材料試樣的孔徑平均值臺，孔徑平均值D = 1.48mm。
[0051] 步驟二、用顯微鏡獲取所述高侶質耐火材料試樣的顯微結構圖，顯微結構圖如圖1 所示。
[0052] 步驟=、確定高侶質耐火材料試樣氣孔的分形維數平均值d
[0053] (1)用Image-Pro Plus圖像分析軟件對所述顯微結構圖進行二值化處理，得到如 圖2所示的二值化處理后的圖像。
[0054] (2)用Image-Pro Plus圖像分析軟件對二值化處理后的圖像進行輪廓線提取，所 提取的輪廓線如圖3所示。
[0055] (3)用Image-Pro Plus圖像分析軟件測定所提取的輪廓線的分形維數，獲得分形 維數平均值為1.201。
[0056] 步驟四、如圖4所示，用CAD建模軟件構造所述孔徑平均值為1.48mm和所述分形維 數平均值為1.201的近似氣孔輪廓。
[0057] 步驟五、假設近似氣孔輪廓均勻分布，根據所述高侶質耐火材料試樣的氣孔率P為 29.3%與所述的近似氣孔輪廓，用CAD建模軟件建立如圖5所示高侶質耐火材料試樣的物理 模型。
[005引步驟六、確定高侶質耐火材料試樣的物理模型在溫度Tl時的導熱系數、
[0化9] (I)將所述物理模型導入COMSOL Multiphysics有限元軟件中。
[0060] (2)如圖6所示，用COMSOL Multiphysics有限元軟件對所述物理模型劃分網格。
[0061 ] (3)向COMSOL Multiphysics有限元軟件輸入高侶質耐火材料的屬性，所述高侶質 耐火材料的屬性是：設定物理模型的溫度Tl為350°C (623.15K)，物理模型中的固相部分在 溫度Tl為350°C (623.15K)時的導熱系數Aai為2.38W/(m ? K)，物理模型中的氣孔部分的空氣 在溫度Tl為350°C(623.15K)時的導熱系數Abi為0.03W/(m ? K)。
[0062] (4)用COMSOL Multiphysics有限元軟件對物理模型施加邊界條件:設物理模型的 一邊為熱邊，熱邊的熱流密度q為5000W/m2;設所述物理模型熱邊的對邊為冷邊，冷邊的換 熱系數k為500W/(m2 ? K)。
[0063] (5)用COMSOL Multiphysics有限元軟件對物理模型進行溫度場計算，溫度場計算 結果如圖7所示，得到物理模型熱邊的平均溫度Thi為407.79 °C (680.94K)和物理模型冷邊的 平均溫度Tci為359.91°C (633.0服）。
[0064] (6)物理橫巧在溫度Tl為350 °C (623.15K)時的導熱系數入1
[0065]
...................…
[0066] 公巧Uj :dTi表示熱邊平均溫度Thi與冷邊平均溫度Tci之差，肌1為-47.88K;
[0067] dx表示高侶質耐火材料試樣熱邊與冷邊的距離，dx為0.0 lm;
[006引 q表示熱邊的熱流密度;q為5000W/m2。
[0069] 由式(1)
[0070] 入i = 1.04W/(m ? K)
[0071] 步驟屯、根據步驟六(3)-(7)，得到高侶質耐火材料在溫度T2為500°C (773.15K)、T3 為 700°(：(973.151〇^4為9001：(1173.151〇和15為11001：(1373.151〇時對應的導熱系數入2為 0.96W/(m ? K)、A3為0.94W/(m ? K)、A4為0.98W/(m ? K)和As為 1.01W/(m ? K)。
[0072] 得到如圖8所示的導熱系數隨溫度變化的曲線圖，即得到高侶質耐火材料的導熱 系數。
[0073] 實施例2
[0074] -種確定致密定形耐火材料導熱系數的方法。本實施例所述方法的具體步驟是：
[0075] 本實施例所述致密定形耐火材料為儀橄攬石耐火材料，所述儀橄攬石耐火材料氣 孔率為42.0%。
[0076] 步驟一、按照"耐火材料氣孔孔徑分布試驗方法"（YB/T118-1997)，計算所述儀橄 攬石耐火材料試樣的孔徑平均值公，孔徑平均值度=43;.6nm。
[0077] 步驟二、用顯微鏡獲取所述儀橄攬石耐火材料試樣的顯微結構圖。
[0078] 步驟=、確定儀橄攬石耐火材料試樣氣孔的分形維數平均值d
[0079] (1)用Image-Pro Plus圖像分析軟件對所述顯微結構圖進行二值化處理，得到二 值化處理后的圖像。
[0080] (2)用Image-Pro Plus圖像分析軟件對二值化處理后的圖像進行輪廓線提取。
[0081] (3)用Image-Pro Plus圖像分析軟件測定所提取的輪廓線的分形維數，獲得分形 維數平均值為1.165。
[0082] 步驟四、用CAD建模軟件構造所述孔徑平均值為43.6WI1和所述分形維數平均值為 1.165的近似氣孔輪廓。
[0083] 步驟五、假設近似氣孔輪廓均勻分布，根據所述儀橄攬石耐火材料試樣的氣孔率P 為42.0 %與所述的近似氣孔輪廓，用CAD建模軟件建立儀橄攬石耐火材料試樣的物理模型。
[0084] 步驟六、確定儀橄攬石耐火材料試樣的物理模型在溫度Tl時的導熱系數、
[0085] (1)將所述物理模型導入COMSOL Multiphysics有限元軟件中。
[0086] (2)用COMSOL Multiphysics有限元軟件對所述物理模型劃分網格。
[0087] (3)向COMSOL Multiphysics有限元軟件輸入儀橄攬石耐火材料的屬性，所述儀橄 攬石耐火材料的屬性是：設定物理模型的溫度Tl為350°C (623.15K)，物理模型中的固相部 分在溫度Tl為350°C (623.15K)時的導熱系數Aai為4.20W/(m ? K)，物理模型中的氣孔部分的 空氣在溫度Tl為350°C(623.15K)時的導熱系數Abi為0.03W/(m ? K)。
[0088] (4)用COMSOL Multiphysics有限元軟件對物理模型施加邊界條件:設物理模型的 一邊為熱邊，熱邊的熱流密度q為5000W/m2;設所述物理模型熱邊的對邊為冷邊，冷邊的換 熱系數k為500W/(m2 ? K)。
[0089] (5)用COMSOL Multiphysics有限元軟件對物理模型進行溫度場計算，得到物理模 型熱邊的平均溫度Thi為439.70°C (712.85K)和冷邊物理模型的平均溫度Tci為364.29°C (637.44K)。
[0090] (R)物巧檀巧在溫度Tl為350 (623.15K) °C時的導熱系數入1
[0091]
.......................
[0092] 公式（1):肌1表示熱邊平均溫度Thi與冷邊平均溫度Tci之差，肌1為-75.4化；
[0093] dx表示儀橄攬石耐火材料試樣熱邊與冷邊的距離，dx為0.0 lm;
[0094] q表示熱邊的熱流密度;q為5000W/m2。
[0095] 由式(1)
[0096] 入i = 〇.663W/(m ? K)
[0097] 步驟屯、根據步驟六（3)-(7 )，得到儀橄攬石耐火材料在溫度T2為400°C (673.151〇^3為500。(：（773.151〇^4為600。(：（873.151〇^5為700。(：（973.151〇^6為800。[ (1073.1510^7為900。(：（1173.1510^8為1000。[(1273.1510^9為1100。[(1373.1510和1'10為 1200°C(1473.15K)時對應的導熱系數A2為0.684W/Xm ? K)、A3為0.712W/Xm ? K)、人4為 0.748W/Xm ? K)、人5為0.784W/Xm ? K)、人6為0.810W/Xm ? K)、人7為0.831W/Xm ? K)、入8為 0.853W/(m ? K)、A9為0.87抓Am ? K)和Aio為0.907W/(m ? K)。
[0098] 得到如圖9所示的導熱系數隨溫度變化的曲線圖，即得到儀橄攬石耐火材料的導 熱系數。
[0099] 本【具體實施方式】與現有技術相比具有如下積極效果：
[0100] 首先，本【具體實施方式】只需要通過顯微鏡獲取致密定形耐火材料試樣的顯微結構 圖，根據所述顯微結構圖的特點，在計算機上模擬致密定形耐火材料氣孔輪廓并根據氣孔 率P建立物理模型，確定其導熱系數。而熱線法的測量是將試樣在爐內加熱至規定溫度并保 溫，再用沿試樣長度方向埋在試樣中的線狀電導體進行局部加熱，熱電偶便開始測量溫升 隨時間的變化，此溫升隨時間的函數就是被測試樣的導熱系數。本【具體實施方式】相比于熱 線法操作更加簡單且成本更低。
[0101] 其次，本【具體實施方式】為代替真實的氣孔輪廓，利用分形維數來表示氣孔輪廓的 復雜程度。然后用分形維數和孔徑大小來構造近似氣孔輪廓，再用近似氣孔輪廓建立不同 氣孔率P的致密定形耐火材料試樣的物理模型，對各種氣孔率P的致密定形耐火材料均適 用。相比于其他方法:平板法的適用溫度范圍不高，一般熱面的溫度維持在IOOCTC左右;激 光法是為測定致密材料的導熱系數而建立起來的一種方法，多用于測定致密材料的導熱系 數;故本【具體實施方式】的方法適用性更廣。
[0102] 對于氣孔率在45% W下的耐火材料，本【具體實施方式】確定的導熱系數與試驗測得 的導熱系數如圖10和圖11所示，兩者的結果基本接近。
[0103] 因此，本【具體實施方式】具有操作簡單、成本低、適用性廣和基本接近實際的特點。
【主權項】
1. 一種確定致密定形耐火材料導熱系數的方法，其特征在于所述方法的具體步驟是： 步驟一、按照YB/T118-1997的"耐火材料氣孔孔徑分布試驗方法"，計算致密定形耐火 材料試樣的孔徑平均值辦； 步驟二、用顯微鏡獲取所述致密定形耐火材料試樣的顯微結構圖； 步驟三、確定致密定形耐火材料試樣氣孔的分形維數平均值d (1) 用Image-Pro Plus圖像分析軟件對所述顯微結構圖進行二值化處理，得到二值化 處理后的圖像； (2) 用Image-Pro Plus圖像分析軟件對二值化處理后的圖像進行輪廓線提取； (3) 用Image-Pro Plus圖像分析軟件測定所提取的輪廓線的分形維數，獲得分形維數 平均值d; 步驟四、用CAD建模軟件構造所述孔徑平均值β和所述分形維數平均值d的近似氣孔輪 廓； 步驟五、假設所述近似氣孔輪廓均勻分布，根據所述致密定形耐火材料試樣的氣孔率P 和所述近似氣孔輪廓，用CAD建模軟件建立致密定形耐火材料試樣的物理模型； 步驟六、確定致密定形耐火材料試樣的物理模型在溫度h時的導熱系數Μ (1) 將所述物理模型導入COMSOL Multiphysics有限元軟件中； (2) 用COMSOL Mu 11 iphys i cs有限元軟件對所述物理模型劃分網格； (3) 向COMSOL Multiphysics有限元軟件輸入致密定形耐火材料的屬性，所述致密定形 耐火材料的屬性是:設定物理模型的溫度h，物理模型中的固相部分在溫度時的導熱系數 A al，物理模型中的氣孔部分的空氣在溫度時的導熱系數Abl; (4) 用COMSOL Multiphysics有限元軟件對物理模型施加邊界條件:設物理模型的一邊 為熱邊，熱邊的熱流密度為q;設所述物理模型熱邊的對邊為冷邊，冷邊的換熱系數為k; (5) 用COMSOL Multiphysics有限元軟件對物理模型進行溫度場計算，得到物理模型熱 邊的平均溫度THl和物理模型冷邊的平均溫度T Cl; (6) 物理模型在溫度!^時的導熱系數Μ公式（1): dh表示熱邊平均溫度1^與冷邊平均溫度之差，Κ， dx表示致密定形耐火材料試樣熱邊與冷邊的距離，m， q表示熱邊的熱流密度，W/m2， i表示1……η的自然數，η為5~10中任一自然數； 步驟七、根據步驟六(3)-(6)，得到致密定形耐火材料在溫度!^.!^.?ν··Τη時對應的導熱 系數 λ?.λ2.λ3···λη; 繪制致密定形耐火材料導熱系數隨溫度變化的曲線。2. 根據權利要求1所述確定致密定形耐火材料導熱系數的方法，其特征在于所述致密 定形耐火材料為真氣孔率小于45%的定形耐火材料。
【文檔編號】G06F17/50GK105956284SQ201610296546
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月6日
【發明人】王興東, 涂琪瑞, 黃駿, 鄧承繼, 李遠兵
【申請人】武漢科技大學