李學(xué)飛 李世芳 張銀銀 許洪峰 戰(zhàn)洪仁 寇麗萍

（沈陽化工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽110142）

0 引言

含硼爐渣是將鐵硼分離后得到的含有硼的高爐渣稱為含硼硼渣。這種高溫下得到的爐渣活性低，不宜作化工原料，導(dǎo)致大量資源被浪費(fèi)。含硼爐渣的導(dǎo)熱系數(shù)是控制含硼爐渣活性的關(guān)鍵參數(shù)。并且，含硼爐渣屬于硅酸鹽體系，通過其導(dǎo)熱系數(shù)的測定,可以提供硅酸鹽體系微觀結(jié)構(gòu)和相互作用的有用信息,有助于了解硅酸鹽體系導(dǎo)熱機(jī)理和發(fā)展硅酸鹽體系理論。

目前，關(guān)于含硼渣導(dǎo)熱系數(shù)熱物性參數(shù)尚沒有報(bào)道。本文根據(jù)線熱源導(dǎo)熱原理設(shè)計(jì)了瞬態(tài)熱線法實(shí)驗(yàn)裝置，并對含硼爐渣導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測試研究，獲得了含硼爐渣導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系，研究了組成對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。為含硼爐渣應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)。

1 測量原理與裝置

1.1 瞬態(tài)熱線法測量原理

瞬態(tài)熱線法的理論基礎(chǔ)是無限大導(dǎo)熱體內(nèi)有一線熱源在徑向的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱[7-8]。將一根具有無限大導(dǎo)熱系數(shù)及熱容量可近似為零的無限長線源，豎直插入試件物體中間。試件和線熱源在初始溫度為T0時(shí)處于熱平衡。然后通電加熱，熱量完全從線源傳遞給試件，在被測試件中形成了以熱導(dǎo)線為軸心的長圓柱體瞬態(tài)溫度場。發(fā)熱線連續(xù)發(fā)熱τ秒后，距離熱線源r處的試件溫升為ΔT(r,τ)，則過余溫度為θ(r,τ)=ΔT(r,τ)=T(r,τ)-T0(r,0)，則試件內(nèi)導(dǎo)熱微分方程為[9]：

其中：a為熱擴(kuò)散率，m2/s；q為發(fā)熱線單位時(shí)間內(nèi)單位長度上的發(fā)熱量，W/m；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；τ為加熱時(shí)間，s。

方程的特解為：

式中，γ是歐拉常數(shù)，其值大小為0.5772…。因此（8）可整理為

此時(shí)，被測材料的溫度與加熱線表面的溫度近似相同，ΔT即為加熱絲在τ時(shí)間內(nèi)的溫升。再對（9）式進(jìn)行l(wèi)nτ微分可得導(dǎo)熱系數(shù)理論計(jì)算公式

l為加熱線的長度；

熱線ΔT溫升根據(jù)四引線法由電壓變化ΔV及恒定電流測定I，

α為加熱絲的電阻溫度系數(shù)，R0為0℃時(shí)加熱絲兩端子間的電阻。則（10）式可表示為：

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 瞬態(tài)熱線法傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor’s structure for transient heat wire method

實(shí)驗(yàn)裝置由測溫傳感器系統(tǒng)和MoSi2高溫電爐組成。為了消除端部效應(yīng)，傳感器采用四線制方法，如圖1所示。圖中1為渣樣，2為直徑φ0.15mm，長度為15mm的Pt-10%Rh加熱線，3為 φ2.0mmPt絲引線，4為剛玉管，5為標(biāo)準(zhǔn)電阻，6為恒流器，7為電壓記錄儀，8為剛玉管，9為φ0.15mmPt絲引線，10為內(nèi)徑35mm，高100mm的剛玉坩堝。

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品的配制

渣樣均用分析純化學(xué)試劑氧化物配制。將分析純均為99%的MgO、SiO2、Al2O3、CaO置于400℃馬福爐中焙燒 4小時(shí)， 將分析純?yōu)?8%的B2O3置于200℃馬福爐中焙燒8小時(shí)后。冷卻后按表1給出的各質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱量，放入制樣機(jī)中磨混，使樣品每組分都經(jīng)充分研細(xì)混合后壓塊，裝入內(nèi)徑為35mm，高為100mm的剛玉坩堝。為了排除樣品內(nèi)的氣泡，并使樣品的組成均勻，將盛有樣品的剛玉坩堝放入MoSi2高溫電爐，加熱至液相線100℃以上30min后，淬冷粉碎待用。表1中R 為堿度，R=CaO/SiO2。

表1 渣樣組成（質(zhì)量份數(shù)）Tab.1 Chemical Compositions of Samples.(Mass fractions)

1.4 實(shí)驗(yàn)測定

將盛有試樣的剛玉坩堝放入MoSi2高溫電爐加熱至熔融后，將傳感器測量裝置垂直放入熔融的試樣中央后開始測量。通過調(diào)整恒流器的電壓，控制通過加熱線的電流給Pt-10%Rh加熱線加熱，Pt-10%Rh加熱線兼作測溫元件。再用記錄儀記錄加熱線兩端電壓隨時(shí)間的變化曲線，則可應(yīng)用式[2，5，7]計(jì)算求得導(dǎo)熱系數(shù)λ。Q為發(fā)熱線單位時(shí)間內(nèi)單位長度上的發(fā)熱量，W/m；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；τ為加熱時(shí)間；加熱絲的溫度變化ΔT可由加熱絲兩點(diǎn)間電壓差通過四端子法測定。測量中每隔100℃降溫測量一次，直至700℃。為了保證爐渣溫度均勻，在同一溫度點(diǎn)保溫20min。然后用同樣的步驟再升溫至1600℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對熱導(dǎo)率的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖2、3所示。在本次實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，所研究組成的各渣系導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高先增加而后再急劇減少。熔渣導(dǎo)熱系數(shù)與單位體積聲子熱容、聲子平均速度、聲子的平均自由行程成正比[5]。在低溫區(qū)導(dǎo)熱行為主要由聲子的行為決定，而聲子導(dǎo)熱隨溫度的變化由聲子熱容隨溫度變化的規(guī)律決定[9]。在低溫區(qū)玻璃熱容是隨溫度的升高增大的，所以玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)也相應(yīng)地升高。在高溫區(qū)熱導(dǎo)率隨溫度的升高而急劇下降。這可以解釋為在高溫區(qū)，由于熱容基本不變，聲子運(yùn)動(dòng)平均速度主要與彈性模量和密度有關(guān)，而彈性模量和密度均隨溫度的升高而減小，所以聲子運(yùn)動(dòng)平均速度隨溫度的升高而減小[9]。

2.2 富硼渣組成對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖2 不同堿度時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between thermal conductivity and temperature on different alkalinity R=CaO/SiO2

圖3 堿度R=0.4，不同的MgO含量時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)與的溫度關(guān)系Fig.3 Relationship between thermal conductivity and temperature on different MgO content(alkalinity R=0.4)

由圖2可以觀察到，渣樣1、2、3的導(dǎo)熱系數(shù)隨著堿度R=CaO/SiO2的增加而減少。這是由于從網(wǎng)格形成的角度說，Si4+等陽離子是網(wǎng)格的形成者，而Ca2+、Mg2+等金屬離子是網(wǎng)格的破壞者，也稱網(wǎng)格修飾子。隨著熔體中SiO2的增加，其中的橋氧增多，使由四面體形成的網(wǎng)格連接更加緊密,使導(dǎo)熱系數(shù)增加，而將Ca2+引入熔體，則使網(wǎng)格的連接更加松散，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)降低。

雖然Mg2+金屬離子是網(wǎng)格的破壞者，但由圖3可以觀察到，渣樣2、6、7在堿度R=0.4保持不變時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨著MgO含量的增加反而增加。這是因?yàn)樵诒敬窝芯康慕M成范圍內(nèi)，隨著MgO含量的增加，導(dǎo)致熔渣黏度的增加[15]，從而使導(dǎo)熱系數(shù)的增加[16]。

由以上的結(jié)論看出，在所研究的含硼爐渣的成分范圍內(nèi)，渣樣的導(dǎo)熱系數(shù)主要受到渣中Si4+、Ca2+、Mg2+含量的影響。通過改變渣中Ca2+、Si4+、Mg2+的含量，可以改善熔渣的導(dǎo)熱系數(shù)，為提高含硼爐的活性提供數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

應(yīng)用瞬態(tài)熱線法在700-1600℃溫度區(qū)間內(nèi)，首次測量了MgOB2O3-SiO2-Al2O3-CaO五元系富硼渣導(dǎo)熱系數(shù)。并得到了含硼爐渣導(dǎo)熱系數(shù)與溫度關(guān)系，及在本實(shí)驗(yàn)研究的含硼爐渣組成范圍內(nèi)，組成對含硼爐渣導(dǎo)熱系數(shù)的影響。為含硼爐改散含硼爐渣的活性提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（1）在700-1600℃實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，在低溫區(qū)富硼渣導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高呈直線形式略有增加；在高溫區(qū)熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而迅速降低。

（2）在所研究的渣系組成范圍內(nèi)，隨著堿度R=CaO/SiO2的增加，使網(wǎng)絡(luò)連接強(qiáng)度下降，導(dǎo)致網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)紊亂，從而使聲子的平均自由行程變短,導(dǎo)致富硼渣導(dǎo)熱系數(shù)降低。

（3）在所研究的渣系組成范圍內(nèi)，R=0.4保持不變時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨著MgO含量的增加，導(dǎo)致熔渣黏度的增加，使聲子傳播比較容易，從而使導(dǎo)熱系數(shù)隨之增加。

（4）由于B2O3既是網(wǎng)絡(luò)形成體，同時(shí)也是助熔劑，使其結(jié)構(gòu)組成比較復(fù)雜，在本實(shí)驗(yàn)研究的富硼渣組成范圍內(nèi)，以及所研究的溫度區(qū)間，隨著B2O3含量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)變化呈現(xiàn)出不規(guī)則的變化。

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