浙江父子岭特种耐火有限公司 浙江省湖州市 313100
摘要：在现阶段的工程中，耐火材料的应用越来越广泛。导热系数（k）是设计和优化耐火材料内衬并制定加热和冷却制度的重要参数。预测耐火材料导热系数的数学模型，通常被简化为方程，重点是将k与密度、氧化铝含量或温度联系起来。本研究讨论了Al2O3－SiO2和Al2O3－CaO基耐火材料的k预测的一般表达式的发展，作为物理（密度、气孔率）和化学（氧化物含量）参数与温度的函数关系。并联热线法测定了绝热、致密和低水泥（LCC）材料在25～1000℃之间的导热系数。根据结果，k与样品密度（表观、体积或几何）和温度相关的最合适的数学模型是几何模型（r2=97．1%）。当考虑到多线性模型和更多参数（氧化物含量、密度、温度）的组合时，得到了低r2值（74．1%～75．5%），表明这种更复杂和包容的表达式会导致对导热系数值的不太准确的预测。
关键词：导热系数；耐火材料；回归模型；物理性能
引言
耐火材料结构主要由固相与气孔两部分构成。它们之间的相对数量关系及其分布和结合状态构成了耐火材料的显微结构。显微结构的组成包括气孔、颗粒、晶粒、晶界与相界、晶粒取向等。耐火材料从显微结构可粗略分为两大部分：骨料与基质。气孔作为显微结构的重要组成部分，主要产生于基质中，但针对当前高温工业对耐火材料耐火性能及保温性能的要求，近年来许多学者在耐火材料骨料中引入气孔，不仅提高了材料的保温性能，并且实现了材料的轻量化。同时，气孔本身具有非常复杂的结构，它在很大程度上影响材料的力学性能和热学性能。
1耐火材料消耗
耐火材料用于高温环境，如炉、窑、焚烧炉衬和反应器的内衬。坩埚是在高温下使用的特殊形状的产品。在任何可能的情况下，单位产品的耐火材料消耗量都在减少，特别是在利润率较低的钢铁行业，这是通过以下渠道获得的。（1）尽可能少地更换衬里（在安全和有效范围内）；（2）扩大分区使用耐火材料，在炉子磨损最严重的区域使用更换率较低的优质耐火材料；（3）与定型耐火材料相比，更多地使用不定形耐火材料；不定形耐火材料的使用减少了炉衬更换次数，提高内衬砌筑速度，从而减少了炉子停工时间；（4）在需要低性能产品的熔炉区域重复利用优质耐火材料。到目前为止，这是小规模的，主要局限于欧洲。
2材料和模拟
绝热材料具有高孔隙度（总孔隙度＞35%）和低导热系数（1000℃下k＜1W/mK）；而致密耐火材料在1000℃时总孔隙度为15%～40%，k为1．2～4．2W/mK。另一方面，低水泥耐火材料的CaO含量低于1．82%。浇注料和砖样品以前是在T≥1000℃温度下进行导热系数测量的。表1列出了所评价的耐火材料的总体化学成分（通过X射线荧光技术获得的数据），与每个氧化物组分相关的平均值（
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）、最低值（Min）和最高值（Max）。产品含有许多原材料，包括粗骨料（直径＜20mm）和细组分（直径＞100μm）。利用并联热线法测定样品（230mm×114mm×64mm）在25℃、200℃、400℃、600℃、800℃和1000℃下的导热系数（k）。对于每个评估的耐火材料组成共使用3块砖进行导热试验，并在每个分析温度下进行5次k值测量。此外，根据ASTMC－830，对烧成耐火材料的几何（ρg）、体积（ρv）、表观（ρa）和理论（ρth）密度、表观气孔率（AP）和总孔隙度（TP）进行了分析，对每种材料额外进行了5个样品（直径50mm，高50mm）分析。采用最小二乘法进行进一步模拟，建立了最合适模型的a、b和c参数值。下一步是将这些系数（a、b和c）的表达式替换为先前数学表达式中的温度（T）函数（相关导热系数和耐火材料的物理性能），用于确定k的方程，其中考虑了两个实际变量［k=f（ρg，T），k=f（ρv，T）、k=f（ρa，T）、k=f（ρth，T）、k=f（AP，T）、k=f（TP，T）］。预测导热系数的另一个重要方面是这些材料的化学成分，因为其成分在高温下的热机械行为中发挥着重要作用。
3硬化行为与耐火浇注料行为的测定新技术
我国在这方面还没有一个统一的标准，只能阐述一些较为常用的检测方法：主要包含以下三种：第一，随着时间的不断变化；第二，测定耐火材料自身的流动值；第三，采用建材行业在水泥检测过程中的水泥凝结时间的办法；靠手感按压。这几类方法在应用的过程中存在着一定的不足之处。首先，耐火材料在生产过程中，温度的控制是比较严格的，而直接以水泥凝结的时间来进行测定，并不具备科学性，因为温度的变化对初凝影响是比较大的。其次，建筑行业中所使用的维卡仪法在浆体中较为适用，但是用在耐火材料的检测过程中，检验办法是不匹配的。抽样检测的可操作性比较差。测定流动值的方法在以上几类方法中的准确性是比较高的，但是由于检测过程所需要的时间比较长，在检测成本上的投入也比较大，因此在实际执行时，很少有厂家会这么做。最后，手感按压法的准确度因人而异，具有不确定性。随着近些年来检测手段的不断发展，人们转向通过测定电导率，水化放热以及超声波表征来确定浇注料的初凝和终凝等方法。其中，测定电导率的原理是当浇筑料处于初凝状态时，自身的离子的电子迁移速度会明显的减缓，直接表现为电导率的降低，我们可以通过测定电导率的数值变化情况，来确定凝结是否发生；水化放热标志着初凝的开始，可以通过测定热量的变化数值来确定耐火材料的工作时间，当检测到最大放热量时，则标志着初凝已经全部完成；处于不同状态的耐火材料对于声波的反射程度是不同的。在监测的过程中发现超声波的变化程度在减缓时则代表处在初凝状态，对现场环境的温湿度进行测定，并进行数值的记录，能够监测出耐火材料在不同温度湿度条件下的性能表现。
结语
综上所述，耐火材料作为高温工业发展的基础，对于它的研究具有重要的意义。目前对于耐火材料的发展主要集中在降低成本、轻量化，而耐火材料轻量化的过程中必然会引入气孔，但关于气孔特性与耐火材料性能相关的研究较少，处于一种起步阶段，为了能够更加深入的研究二者之间的关系，需要做到以下几个方面：气孔具有非常复杂的结构，在实际研究中很难做到对气孔特性的全面描述。为了对气孔特性进行更为准确、更为全面的表征，需要通过借鉴其他学科的知识，通过学科交叉实现这一目的。虽然指数模型可用于模拟耐火材料的表观或总孔隙度与导热系数和温度的关系，但统计分析认为所得到的表达式并不重要。（3）当将k预测的一般表达式作为样品表观密度和温度的函数时，得到了一个非常好的拟合（r2=97．10%）。然而，当考虑到多线性模型并结合更多参数（氧化物含量、密度、温度）时，得到的r2值较低，表明这种更复杂和包容各方面的公式（用式14～式16替换式10）导致了对k值的预测不太准确。
参考文献：
[1]姜大伟，高山娇，贾子涛.浅谈我国耐火材料发展现状及发展趋势[J].辽宁建材，2010（09）：33-34.
[2]李春燕，李丽萍，毛利民.我国熔铸耐火材料的现状及其发展方向[J].中国建材科技，2004（04）：78-81.
[3]赵正民.我国陶瓷工业用耐火材料的现状、差距与发展方向[J].中国建材科技，2016，02（05）：29-36.
[4]虞炳泉.我国耐火材料的发展现状、前景及思考[J].冶金信息导刊，2016（6）：15-19.