一种确定致密定形耐火材料导热系数的方法
【专利摘要】本发明属于一种确定致密定形耐火材料导热系数的方法。其技术方案是：通过显微镜获取致密定形耐火材料试样的显微结构图，用图像分析软件对显微结构图进行二值化处理和轮廓线提取，获得分形维数平均值d。利用平均孔径表示气孔轮廓线的大小和分形维数表示气孔轮廓线的复杂程度，再用所测得的分形维数和平均孔径两个参数模拟致密定形耐火材料气孔轮廓，并根据气孔率P建立物理模型。最后用有限元软件对物理模型进行温度场稳态分析，得到温度梯度，利用公式获得致密定形耐火材料导热系数λi随温度Ti的变化曲线。本发明具有操作简单、成本低、适用性广和接近实际的特点。
【专利说明】
-种确定致密定形耐火材料导热系数的方法
技术领域
[0001] 本发明属于耐火材料导热系数技术领域。具体设及一种确定致密定形耐火材料导 热系数的方法。
【背景技术】
[0002] 致密定形耐火材料为真气孔率小于45%的定形耐火材料。
[0003] 致密定形耐火材料是由多晶体和玻璃体构成的固相和W空气为介质的气孔组成。 致密定形耐火材料的固相部分导热系数可W通过理论计算或实验测试获得，但固相和气孔 复合具有随机性，使得具有一定数量气孔的无机材料的导热系数难W通过理论计算获得。 致密定形耐火材料中的气孔特性如气孔率、气孔的形状、气孔的大小和气孔的分布直接影 响致密定形耐火材料的导热系数，含有气孔的致密定形耐火材料的物性参数由试验测试获 得，但难W获得物性参数和溫度之间的直接映射关系，特别是工业应用炉衬材料由于生产 工艺的变化，使得材料即使体系相同及气孔率相近，但其物性参数存在明显差异。原来进行 炉衬构件的热机械性能分析只有采用近似常数来处理，使得炉衬构件在不同溫度下服役特 性的分析精度存在明显不足。
[0004] 目前致密定形耐火材料导热系数的测定大多通过试验方法获得，中华人民共和国 国家标准GB/T 5990-2006对致密定形耐火材料导热系数的试验方法进行了规定。但其测试 专用设备昂贵、周期长、费用高和试样制作困难，难W满足实际应用中对炉衬多样设计的需 求。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种操作简单、成本低、适用性广和接 近实际的确定致密定形耐火材料导热系数的方法，用该方法确定的导热系数与试验测得的 导热系数基本接近。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是的具体步骤是：
[0007] 步骤一、按照"耐火材料气孔孔径分布试验方法"（YB/T118-1997)，计算致密定形 耐火材料试样的孔径平均值贫。
[000引步骤二、用显微镜获取所述致密定形耐火材料试样的显微结构图。
[0009] 步骤=、确定致密定形耐火材料试样气孔的分形维数平均值d
[0010] (1)用Image-Pro Plus图像分析软件对所述显微结构图进行二值化处理，得到二 值化处理后的图像。
[0011] (2)用Image-Pro Plus图像分析软件对二值化处理后的图像进行轮廓线提取。
[0012] (3)用Image-Pro Plus图像分析软件测定所提取的轮廓线的分形维数，获得分形 维数平均值d。
[0013] 步骤四、用CAD建模软件构造所述孔径平均值&和所述分形维数平均值d的近似气 孔轮廓。
[0014] 步骤五、假设所述近似气孔轮廓均匀分布，根据所述致密定形耐火材料试样的气 孔率P与所述近似气孔轮廓，用CAD建模软件建立致密定形耐火材料试样的物理模型。
[0015] 步骤六、确定致密定形耐火材料试样的物理模型在溫度Tl时的导热系数、
[0016] (1)将所述物理模型导入COMSOL Multiphysics有限元软件中。
[0017] (2)用COMSOL Multi地ysics郁良元软件对所述物理模型划分网格。
[001引（3)向COMSOL Multiphysics有限元软件输入致密定形耐火材料的属性，所述致密 定形耐火材料的属性是:设定物理模型的溫度Tl,物理模型中的固相部分在溫度Tl时的导热 系数Aai,物理模型中的气孔部分的空气在溫度Tl时的导热系数入bi。
[0019] (4)用COMSOL Multi地ysics削良元软件对物理模型施加边界条件:设物理模型的 一边为热边，热边的热流密度为q;设所述物理模型热边的对边为冷边，冷边的换热系数为 k。
[0020] (5)用COMSOL Multiphysics有限元软件对物理模型进行溫度场计算，得到物理模 型热边的平均溫度THi和物理模型冷边的平均溫度Tci。
[0021] (6)物理模型在溫度Tl时的导热系数入1
[0022]
[0023] 公式（1):肌1表示热边平均溫度Thi与冷边平均溫度之差，K;
[0024] dx表示致密定形耐火材料试样热边与冷边的距离，m;
[0025] q表示热边的热流密度，W/m2;
[0026] i表示1......n的自然数，n为5~10中任一自然数。
[0027] 步骤屯、根据步骤六(3)-(6)，得到致密定形耐火材料在溫度Tl.T2.T3…Tn时对应 的导热系数心??入n。
[0028] 绘制致密定形耐火材料导热系数随溫度变化的曲线。
[0029] 所述致密定形耐火材料为真气孔率小于45%的定形耐火材料。
[0030] 由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
[0031] 首先，本发明只需要通过显微镜获取致密定形耐火材料试样的显微结构图，根据 所述显微结构图的特点，在计算机上模拟致密定形耐火材料气孔轮廓并根据气孔率P建立 物理模型，确定其导热系数。而热线法的测量是将试样在炉内加热至规定溫度并保溫，再用 沿试样长度方向埋在试样中的线状电导体进行局部加热，热电偶便开始测量溫升随时间的 变化，此溫升随时间的函数就是被测试样的导热系数。本发明相比于热线法操作更加简单 且成本更低。
[0032] 其次，本发明为代替真实的气孔轮廓，利用分形维数来表示气孔轮廓的复杂程度。 然后用分形维数和孔径大小来构造近似气孔轮廓，再用近似气孔轮廓建立不同气孔率P的 致密定形耐火材料试样的物理模型。对各种气孔率P的致密定形耐火材料均适用。相比于其 他方法:平板法的适用溫度范围不高，一般热面的溫度维持在l〇〇〇°C左右;激光法是为测定 致密材料的导热系数而建立起来的一种方法，多用于测定致密材料的导热系数;故本发明 的方法适用性更广。
[0033] 对于气孔率在45% W下的耐火材料，本方法测定的导热系数结果与实验测得的结 果基本符合。
[0034] 因此，本发明具有操作简单、成本低、适用性广和基本接近实际的特点。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明待确定的高侣质耐火材料试样的显微结构图；
[0036] 图2为图1所示显微结构图的二值化处理后的图像；
[0037] 图3为图2所示的图像的气孔轮廓线提取图；
[0038] 图4为图1所示试样的近似气孔轮廓图；
[0039] 图5为图1所示试样的物理模型；
[0040] 图6为对图5所示的物理模型划分网格后的图像；
[0041 ]图7为对图5所示物理模型的溫度场计算结果图；
[0042] 图8为图1所示试样的导热系数随溫度变化的曲线图；
[0043] 图9为儀橄揽石耐火材料的导热系数随溫度变化的曲线图；
[0044] 图10为图1所示试样导热系数的本发明确定值与试验测得值的对比图；
[0045] 图11为儀橄揽石耐火材料导热系数的本发明确定值与试验测得值的对比图。
【具体实施方式】
[0046] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限 制：
[0047] 实施例1
[0048] -种确定致密定形耐火材料导热系数的方法。本实施例所述方法的具体步骤是：
[0049] 本实施例所述致密定形耐火材料为高侣质耐火材料，所述高侣质耐火材料气孔率 为 29.3%。
[0050] 步骤一、按照"耐火材料气孔孔径分布试验方法"（YB/T118-1997)，计算所述高侣 质耐火材料试样的孔径平均值台，孔径平均值D = 1.48mm。
[0051] 步骤二、用显微镜获取所述高侣质耐火材料试样的显微结构图，显微结构图如图1 所示。
[0052] 步骤=、确定高侣质耐火材料试样气孔的分形维数平均值d
[0053] (1)用Image-Pro Plus图像分析软件对所述显微结构图进行二值化处理，得到如 图2所示的二值化处理后的图像。
[0054] (2)用Image-Pro Plus图像分析软件对二值化处理后的图像进行轮廓线提取，所 提取的轮廓线如图3所示。
[0055] (3)用Image-Pro Plus图像分析软件测定所提取的轮廓线的分形维数，获得分形 维数平均值为1.201。
[0056] 步骤四、如图4所示，用CAD建模软件构造所述孔径平均值为1.48mm和所述分形维 数平均值为1.201的近似气孔轮廓。
[0057] 步骤五、假设近似气孔轮廓均匀分布，根据所述高侣质耐火材料试样的气孔率P为 29.3%与所述的近似气孔轮廓，用CAD建模软件建立如图5所示高侣质耐火材料试样的物理 模型。
[005引步骤六、确定高侣质耐火材料试样的物理模型在溫度Tl时的导热系数、
[0化9] (I)将所述物理模型导入COMSOL Multiphysics有限元软件中。
[0060] (2)如图6所示，用COMSOL Multiphysics有限元软件对所述物理模型划分网格。
[0061 ] (3)向COMSOL Multiphysics有限元软件输入高侣质耐火材料的属性，所述高侣质 耐火材料的属性是：设定物理模型的溫度Tl为350°C (623.15K)，物理模型中的固相部分在 溫度Tl为350°C (623.15K)时的导热系数Aai为2.38W/(m ? K)，物理模型中的气孔部分的空气 在溫度Tl为350°C(623.15K)时的导热系数Abi为0.03W/(m ? K)。
[0062] (4)用COMSOL Multiphysics有限元软件对物理模型施加边界条件:设物理模型的 一边为热边，热边的热流密度q为5000W/m2;设所述物理模型热边的对边为冷边，冷边的换 热系数k为500W/(m2 ? K)。
[0063] (5)用COMSOL Multiphysics有限元软件对物理模型进行溫度场计算，溫度场计算 结果如图7所示，得到物理模型热边的平均溫度Thi为407.79 °C (680.94K)和物理模型冷边的 平均溫度Tci为359.91°C (633.0服）。
[0064] (6)物理横巧在溫度Tl为350 °C (623.15K)时的导热系数入1
[0065]
...................…
[0066] 公巧Uj :dTi表示热边平均溫度Thi与冷边平均溫度Tci之差，肌1为-47.88K;
[0067] dx表示高侣质耐火材料试样热边与冷边的距离，dx为0.0 lm;
[006引 q表示热边的热流密度;q为5000W/m2。
[0069] 由式(1)
[0070] 入i = 1.04W/(m ? K)
[0071] 步骤屯、根据步骤六(3)-(7)，得到高侣质耐火材料在溫度T2为500°C (773.15K)、T3 为 700°(：(973.151〇^4为9001：(1173.151〇和15为11001：(1373.151〇时对应的导热系数入2为 0.96W/(m ? K)、A3为0.94W/(m ? K)、A4为0.98W/(m ? K)和As为 1.01W/(m ? K)。
[0072] 得到如图8所示的导热系数随溫度变化的曲线图，即得到高侣质耐火材料的导热 系数。
[0073] 实施例2
[0074] -种确定致密定形耐火材料导热系数的方法。本实施例所述方法的具体步骤是：
[0075] 本实施例所述致密定形耐火材料为儀橄揽石耐火材料，所述儀橄揽石耐火材料气 孔率为42.0%。
[0076] 步骤一、按照"耐火材料气孔孔径分布试验方法"（YB/T118-1997)，计算所述儀橄 揽石耐火材料试样的孔径平均值公，孔径平均值度=43;.6nm。
[0077] 步骤二、用显微镜获取所述儀橄揽石耐火材料试样的显微结构图。
[0078] 步骤=、确定儀橄揽石耐火材料试样气孔的分形维数平均值d
[0079] (1)用Image-Pro Plus图像分析软件对所述显微结构图进行二值化处理，得到二 值化处理后的图像。
[0080] (2)用Image-Pro Plus图像分析软件对二值化处理后的图像进行轮廓线提取。
[0081] (3)用Image-Pro Plus图像分析软件测定所提取的轮廓线的分形维数，获得分形 维数平均值为1.165。
[0082] 步骤四、用CAD建模软件构造所述孔径平均值为43.6WI1和所述分形维数平均值为 1.165的近似气孔轮廓。
[0083] 步骤五、假设近似气孔轮廓均匀分布，根据所述儀橄揽石耐火材料试样的气孔率P 为42.0 %与所述的近似气孔轮廓，用CAD建模软件建立儀橄揽石耐火材料试样的物理模型。
[0084] 步骤六、确定儀橄揽石耐火材料试样的物理模型在溫度Tl时的导热系数、
[0085] (1)将所述物理模型导入COMSOL Multiphysics有限元软件中。
[0086] (2)用COMSOL Multiphysics有限元软件对所述物理模型划分网格。
[0087] (3)向COMSOL Multiphysics有限元软件输入儀橄揽石耐火材料的属性，所述儀橄 揽石耐火材料的属性是：设定物理模型的溫度Tl为350°C (623.15K)，物理模型中的固相部 分在溫度Tl为350°C (623.15K)时的导热系数Aai为4.20W/(m ? K)，物理模型中的气孔部分的 空气在溫度Tl为350°C(623.15K)时的导热系数Abi为0.03W/(m ? K)。
[0088] (4)用COMSOL Multiphysics有限元软件对物理模型施加边界条件:设物理模型的 一边为热边，热边的热流密度q为5000W/m2;设所述物理模型热边的对边为冷边，冷边的换 热系数k为500W/(m2 ? K)。
[0089] (5)用COMSOL Multiphysics有限元软件对物理模型进行溫度场计算，得到物理模 型热边的平均溫度Thi为439.70°C (712.85K)和冷边物理模型的平均溫度Tci为364.29°C (637.44K)。
[0090] (R)物巧檀巧在溫度Tl为350 (623.15K) °C时的导热系数入1
[0091]
.......................
[0092] 公式（1):肌1表示热边平均溫度Thi与冷边平均溫度Tci之差，肌1为-75.4化；
[0093] dx表示儀橄揽石耐火材料试样热边与冷边的距离，dx为0.0 lm;
[0094] q表示热边的热流密度;q为5000W/m2。
[0095] 由式(1)
[0096] 入i = 〇.663W/(m ? K)
[0097] 步骤屯、根据步骤六（3)-(7 )，得到儀橄揽石耐火材料在溫度T2为400°C (673.151〇^3为500。(：（773.151〇^4为600。(：（873.151〇^5为700。(：（973.151〇^6为800。[ (1073.1510^7为900。(：（1173.1510^8为1000。[(1273.1510^9为1100。[(1373.1510和1'10为 1200°C(1473.15K)时对应的导热系数A2为0.684W/Xm ? K)、A3为0.712W/Xm ? K)、人4为 0.748W/Xm ? K)、人5为0.784W/Xm ? K)、人6为0.810W/Xm ? K)、人7为0.831W/Xm ? K)、入8为 0.853W/(m ? K)、A9为0.87抓Am ? K)和Aio为0.907W/(m ? K)。
[0098] 得到如图9所示的导热系数随溫度变化的曲线图，即得到儀橄揽石耐火材料的导 热系数。
[0099] 本【具体实施方式】与现有技术相比具有如下积极效果：
[0100] 首先，本【具体实施方式】只需要通过显微镜获取致密定形耐火材料试样的显微结构 图，根据所述显微结构图的特点，在计算机上模拟致密定形耐火材料气孔轮廓并根据气孔 率P建立物理模型，确定其导热系数。而热线法的测量是将试样在炉内加热至规定溫度并保 溫，再用沿试样长度方向埋在试样中的线状电导体进行局部加热，热电偶便开始测量溫升 随时间的变化，此溫升随时间的函数就是被测试样的导热系数。本【具体实施方式】相比于热 线法操作更加简单且成本更低。
[0101] 其次，本【具体实施方式】为代替真实的气孔轮廓，利用分形维数来表示气孔轮廓的 复杂程度。然后用分形维数和孔径大小来构造近似气孔轮廓，再用近似气孔轮廓建立不同 气孔率P的致密定形耐火材料试样的物理模型，对各种气孔率P的致密定形耐火材料均适 用。相比于其他方法:平板法的适用溫度范围不高，一般热面的溫度维持在IOOCTC左右;激 光法是为测定致密材料的导热系数而建立起来的一种方法，多用于测定致密材料的导热系 数;故本【具体实施方式】的方法适用性更广。
[0102] 对于气孔率在45% W下的耐火材料，本【具体实施方式】确定的导热系数与试验测得 的导热系数如图10和图11所示，两者的结果基本接近。
[0103] 因此，本【具体实施方式】具有操作简单、成本低、适用性广和基本接近实际的特点。
【主权项】
1. 一种确定致密定形耐火材料导热系数的方法，其特征在于所述方法的具体步骤是： 步骤一、按照YB/T118-1997的"耐火材料气孔孔径分布试验方法"，计算致密定形耐火 材料试样的孔径平均值办； 步骤二、用显微镜获取所述致密定形耐火材料试样的显微结构图； 步骤三、确定致密定形耐火材料试样气孔的分形维数平均值d (1) 用Image-Pro Plus图像分析软件对所述显微结构图进行二值化处理，得到二值化 处理后的图像； (2) 用Image-Pro Plus图像分析软件对二值化处理后的图像进行轮廓线提取； (3) 用Image-Pro Plus图像分析软件测定所提取的轮廓线的分形维数，获得分形维数 平均值d; 步骤四、用CAD建模软件构造所述孔径平均值β和所述分形维数平均值d的近似气孔轮 廓； 步骤五、假设所述近似气孔轮廓均匀分布，根据所述致密定形耐火材料试样的气孔率P 和所述近似气孔轮廓，用CAD建模软件建立致密定形耐火材料试样的物理模型； 步骤六、确定致密定形耐火材料试样的物理模型在温度h时的导热系数Μ (1) 将所述物理模型导入COMSOL Multiphysics有限元软件中； (2) 用COMSOL Mu 11 iphys i cs有限元软件对所述物理模型划分网格； (3) 向COMSOL Multiphysics有限元软件输入致密定形耐火材料的属性，所述致密定形 耐火材料的属性是:设定物理模型的温度h，物理模型中的固相部分在温度时的导热系数 A al，物理模型中的气孔部分的空气在温度时的导热系数Abl; (4) 用COMSOL Multiphysics有限元软件对物理模型施加边界条件:设物理模型的一边 为热边，热边的热流密度为q;设所述物理模型热边的对边为冷边，冷边的换热系数为k; (5) 用COMSOL Multiphysics有限元软件对物理模型进行温度场计算，得到物理模型热 边的平均温度THl和物理模型冷边的平均温度T Cl; (6) 物理模型在温度!^时的导热系数Μ公式（1): dh表示热边平均温度1^与冷边平均温度之差，Κ， dx表示致密定形耐火材料试样热边与冷边的距离，m， q表示热边的热流密度，W/m2， i表示1……η的自然数，η为5~10中任一自然数； 步骤七、根据步骤六(3)-(6)，得到致密定形耐火材料在温度!^.!^.?ν··Τη时对应的导热 系数 λ?.λ2.λ3···λη; 绘制致密定形耐火材料导热系数随温度变化的曲线。2. 根据权利要求1所述确定致密定形耐火材料导热系数的方法，其特征在于所述致密 定形耐火材料为真气孔率小于45%的定形耐火材料。
【文档编号】G06F17/50GK105956284SQ201610296546
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】王兴东, 涂琪瑞, 黄骏, 邓承继, 李远兵
【申请人】武汉科技大学