close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

265.Материаловедение неметаллических материалов методические указания к лабораторным работам Сибирский федераль

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ
Методические указания
к лабораторным работам
Красноярск
СФУ
2010
1
УДК 666.7:620.22
ББК 35.41+30.3
М33
М33
Материаловедение неметаллических материалов : метод. указания к лабораторным работам / сост. : А. В. Прошкин, В. А. Востриков,
Е. В. Глушкова, А. Б. Набиулин, И. А. Ярош, А. В. Киселев. – Красноярск : Сибирский федеральный ун-т, 2010. – 68 с.
Изложены краткие теоретические сведения по курсу «Материаловедение
неметаллических материалов», дан порядок выполнения лабораторных работ и
контрольные вопросы. Приведены справочные данные об огнеупорах и теплоизоляционных материалах.
Предназначены для студентов специальности 150103 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей». Могут быть рекомендованы
студентам других специальностей металлургического направления.
УДК 666.7:620.22
ББК 35.41+30.3
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Сибирского федерального университета
Учебно-методическое издание
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ
Методические указания
к лабораторным работам
Составители:
Прошкин Александр Владимирович
Востриков Владимир Александрович
Глушкова Евгения Владимировна
Набиулин Алексей Борисович
Ярош Иван Александрович
Киселев Анатолий Владимирович
Редактор И. Н. Байкина
Корректор Е. Г. Иванова
Компьютерная верстка: Н. Г. Дербенева
Подписано в печать 14.09.10. Печать плоская. Формат 60х84/16
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 3,95. Тираж 100 экз. Заказ № 2244
Редакционно-издательский отдел БИК
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
Отпечатано полиграфическим центром БИК
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а
 Сибирский федеральный
университет, 2010
2
ВВЕДЕНИЕ
При сооружении металлургических печей наряду с обычными строительными материалами – железобетоном, бетоном, строительным кирпичом – широко используются материалы специального назначения: огнеупорные, теплоизоляционные, жаропрочные. Из них наибольшее значение
в металлургии имеют огнеупорные материалы, так как металлы и сплавы в
большинстве случаев получают при высокой температуре, и производительность печей во многом зависит от качества применяемых огнеупоров.
Общепринято огнеупорами называть неметаллические материалы,
способные длительно противостоять различным механическим и физикохимическим разрушающим воздействиям, оказываемым на них в теплотехнических установках при температуре более 1 580 оС. Для правильной
оценки и выбора огнеупорных изделий необходимо иметь представление о
смысле и содержании основных характеристик, приводимых в справочниках, которые подразделяются на рабочие и физические. К физическим
свойствам относятся плотность, пористость, теплоемкость, электропроводность, коэффициент теплопроводности, термический коэффициент линейного расширения.
Под рабочими свойствами огнеупора понимают огнеупорность, газопроницаемость, температуры деформации под нагрузкой, термостойкость, постоянство размеров при нагревании, шлакоустойчивость.
В данных методических указаниях изложены краткие теоретические
сведения по курсу «Материаловедение неметаллических материалов», даны цель и порядок выполнения лабораторных работ, для самопроверки
приведены контрольные вопросы, ответы на которые должен знать студент
после выполнения лабораторной работы.
Целью каждой работы является более глубокое усвоение изучаемого материала, а также приобретение необходимых навыков при проведении измерений, постановке эксперимента и обработке его результатов.
Выполнение каждой работы включает три этапа.
1. Подготовка к работе. На этом этапе студенту следует изучить
краткие теоретические сведения, относящиеся к данной теме. Непосредственно в лаборатории необходимо уяснить устройство экспериментальной
установки и получить чёткое представление о порядке проведения опыта.
На основе имеющегося в методических указаниях образца каждый студент
подготавливает таблицу наблюдений. Окончив подготовку, студент должен уметь сформулировать цель работы, описать устройство установки и
объяснить происходящие в ней процессы, изложить методику проведения
опыта и т. д.
3
После индивидуального опроса преподаватель допускает студента к
работе.
2. Проведение опыта. Пуск установки производится только с разрешения преподавателя и, как правило, в его присутствии. В процессе проведения опыта каждый студент заносит результаты измерений в свою таблицу наблюдений, которую затем подписывает преподаватель. Таблица наблюдений является основным документом, удостоверяющим участие студента в работе, и должна сохраняться до получения зачёта по этой работе.
3. Оформление отчёта. Отчёт по работе оформляется в соответствии
с СТО 4.2–07–2008 «Система менеджмента качества. Общие требования к
построению, изложению и оформлению документов учебной и научной
деятельности». Справочные данные об огнеупорных и теплоизоляционных
материалах имеются в приложении к методическим указаниям.
Отчёт необходимо оформить к ближайшему занятию. При отсутствии отчёта студент к следующей работе не допускается.
Для получения зачета требуется представить отчёт по работе, а также
показать знание техники и методики эксперимента и основных положений
теории, относящихся к изучаемому вопросу.
Лабораторная работа 1
ИССЛЕДОВАНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ОГНЕУПОРНЫХ ПОРОД
Цель работы: изучение керамических свойств, приобретение навыков и приемов обращения с приборами и испытательными машинами при
исследовании материалов.
Краткие теоретические сведения
Теоретические основы производства огнеупорных материалов впервые были изложены академиком А. А. Байковым, который рассматривал
процесс превращения порошкообразной массы в твердый кристаллический
сросток как процесс перекристаллизации огнеупорного материала в жидкой фазе при определенной температуре.
При производстве огнеупорных изделий массу, состоящую из огнеупора определенного химического состава (см. прил. 1) и связующего ве4
щества, подвергают формовке, сушке и обжигу. В процессе формовки изделию придается заданная форма на специальных формовочных прессах.
При сушке удаляется излишняя влага и изделие приобретает некоторую
начальную прочность. Процесс обжига можно разделить на три периода:
во время первого периода температура постепенно повышается до некоторой температуры, определяемой химическим и минералогическим составом массы; во втором периоде, достаточно продолжительном, температура
поддерживается на заданном уровне; в третьем периоде температура снижается до нормальной и обожженные изделия охлаждаются.
Наибольшее значение для качества изделия имеет второй период. В
начале его обжигаемое изделие представляет собой массу, состоящую из
отдельных зерен или крупинок огнеупорного материала, пропитанных и
смоченных небольшим количеством расплава. Эта жидкая фаза образовалась при взаимодействии главного оксида, являющегося наполнителем огнеупорного материала, со всеми примесями, имеющимися в массе. Количество образованного расплава зависит от температуры и содержания примесей, причем чем выше температура обжига во втором периоде и больше
примесей, тем больше образуется расплава. В результате перекристаллизации в расплаве в конце второго периода твердые частицы образуют плотный кристаллический сросток. При этом масса утрачивает свою рыхлость
и приобретает механическую прочность. Такое превращение совершается
при постоянной температуре (которая ниже температуры плавления огнеупора) путем перекристаллизации огнеупорного материала в небольшом
количестве жидкой фазы.
Степень растворения основного оксида в расплаве, а следовательно,
и полнота его перекристаллизации зависят от дисперсного состава исходного материала, так как с уменьшением размера зерен растворимость их
увеличивается. Твердое тело с правильной кристаллической решеткой обладает меньшей растворимостью, чем тело с деформированной решеткой.
Деформация кристаллической решетки может наступить во время обжига
либо вследствие полиморфного превращения, сопровождаемого значительным изменением объема, либо в результате разложения химического
соединения, входящего в состав исходного материала.
А. А. Байковым были сформулированы условия, соблюдение которых необходимо для получения качественных огнеупорных изделий:
– наличие в шихте таких примесей, с которыми огнеупорный материал может давать расплав и растворяться в нем;
– обжиг при температуре, обеспечивающей образование требуемого
количества расплава;
– выдержка при температуре обжига в течение времени, достаточного для завершения процесса перекристаллизации.
5
Таким образом, сырье, поступающее на производство огнеупорных
материалов, должно соответствовать определенным требованиям.
В соответствии с техническими требованиями сырье для производства огнеупорного кирпича подвергается испытаниям. Показателями технологических свойств пород при оценке качества являются: естественная и
формовочная влажность, пластичность, зерновой состав, усадка, спекаемость и прочность обожженного изделия.
В данной лабораторной работе исследуются дообжиговые свойства
формовочных смесей.
Значение формовочной влажности определяет оптимальное количество воды, которое нужно добавить в смесь для придания ей нормальной
консистенции. От количества вводимой воды зависят сроки сушки, внешние показатели изделий, экономические затраты производства.
Под пластичностью понимают способность формовочной смеси
принимать под давлением различную форму без образования трещин и
сохранять ее после снятия нагрузки. Пластичность шихт определяет их
пригодность для производства огнеупорных изделий. Для глинистой породы число пластичности должно быть не менее 7, для горных пород – не
менее 3.
Число пластичности рассчитывается как разность между верхним
пределом пластичности, при котором смесь (шихта) переходит из пластичного состояния в текучее, и нижним пределом, когда смесь переходит из
пластичного состояние в хрупкое:
П = W1 – W2,
где W1 – влажность смеси нижней границы текучести, %; W2 – влажность
смеси верхней границы раскатывания, %; П – число пластичности. В зависимости от числа пластичности выделяют 5 групп сырья (табл. 1).
Таблица 1
Классификация сырья по числу пластичности
Группа сырья
Высокопластичное
Среднепластичное
Число
пластичности
Свыше 25
Свыше 15 до 25
Число
пластичности
Малопластичное Свыше 3 до 7
Непластичное
Не дают пластичного теста
Группа сырья
Умеренно-пластичное Свыше 7 до 15
Зерновой состав сырья обусловливает важные характеристики породы: пластичность, усадку, набухание по составу и др.
Определение воздушной усадки позволяет найти размеры изделия
при формовании, узнать чувствительность породы к сушке.
6
Спекаемость сырья влияет на температуру обжига изделий. Спекаемость обусловливается водопоглощением образцов, обожженных при
температурах 1 000, 1 100, 1 200, 1 300 С. Интервал спекания определяют
температуры, которые дают показатель водопоглощения от 5 до 2 %. Водопоглощение 2 % и менее определяет конец обжига и нормальную спекаемость.
Порядок выполнения работы
1. Определение нормальной формовочной влажности
Из подготовленной средней пробы берут навеску 250 г и добавляют в
2–3 приема воду (18–25 %). При непрерывном помешивании придают
формовочной смеси (ФС) рабочую консистенцию.
Контроль формовочной влажности производится на приборе Вика.
Для этого подготовленную массу помещают в усеченный конус прибора и
проводят испытание по глубине погружения иглы в формовочную смесь.
Нормальная рабочая влажность формовочной смеси соответствует опусканию иглы прибора (d = 1,1 мм) на глубину 4–5 см в течение 5 мин.
Величину формовочной влажности рассчитывают по формуле
Wф 
m1  m2
 100 %,
m1
где m1 – масса влажной навески, г; m2 – масса сухой навески, г.
Результаты определения формовочной влажности на приборе Вика
оформляют в виде табл. 2, 3.
Таблица 2
Результаты испытаний на приборе Вика
Номер
опыта
Количество
сырья, г
Количество воды, %
Отчет по прибору Вика, мм
Таблица 3
Определение формовочной влажности
Номер
Сырье
сухого
бюкса
бюкса
Масса, г
бюкса с навеской
навески
влажной
сухой
влажной
сухой
7
Влажность,
%
Для опред
Д
деления нижней
н
грраницы текучести
т
пробу маассой 100
0–150 г
измелььчают и просеиваю
п
ют через сито, отб
бирают наавеску маассой 50 г и помещаю
ют в фарф
форовую чашку. Затем в см
месь добаавляют вооду (20–30 % от
навескки) до поллучения однородн
о
ной массы
ы. Пласти
ичную масссу равно
омерно
распрееделяют по
п дну чаашки слоеем 10 мм и разрезаают по цеентру шпателем
с накоонечником
м так, чтообы зазорр по дну чашки
ч
бы
ыл 1 мм, в верхней
й части
разрезза зазор 2,5–3,0
2
мм
м. Чашкуу устанавл
ливают на
н верхний диск пр
рибора
(рис. 1)
1 и встрряхивают три разаа (свободн
ное паден
ние стерж
жня с чаш
шкой с
высоты
ы 75 мм)..
5
4
6
3
2
7
8
9
100
1
11
деления плластичности
и сырья (м
метод
Рис. 1. Аппараатура, испоользуемая для опред
А. М.
М Васильевва): 1 – опоррная плита штатива;
ш
2 – винт; 3 – станина пррибора с цил
линдричееским стерж
жнем; 4 – диск-площа
д
адка; 5 – чаашка; 6 – веесы; 7 – стуупа фарфор
ровая;
8 – сито;
с
9 – электрически
ий сушильн
ный шкаф; 10 – шпаттель-трезубеец; 11 – бю
юксы
2 Опредееление плаастичноссти форм
2.
мовочных смесей
После треетьего пад
П
дения стерржня с чаш
шкой обе половинк
п
ки массы в чашке
должн
ны соедини
иться на протяжени
п
ии 10–15 мм
м по дли
ине зазораа (рис. 2, б).
б При
соедин
нении массы до трретьего всстряхиван
ния в форрмовочнуую смесь добавляют 1,0–1,5
1
г сухой
с
смееси, помешивают и опыт поовторяют..
8
Если полоовинки формовочн
Е
ф
ной смеси
и не сопри
икоснутся, то добаавляют
0,5–1,00 мл вод
ды, перем
мешиваютт и опыт повторяют. Прод
должител
льность
испыттаний не более
б
2 ч.. Все изменения в процессее опыта и его резул
льтаты
записы
ывают в журнале.
ж
а
б
Ри
ис. 2. Хараактер расп
пределения: теста в чашке
ч
при определен
нии верхнеего
прредела плаастичности в первонаачальный момент
м
(а);; формовоччной смеси
ив
чаашке при оп
пределении
и верхнего предела
п
плаастичности после испы
ытания (б)
После оккончания испытани
П
ия отбираают навееску массой 25 г и устанавливвают влаж
жность Wф.
Д опрееделения границы раскатыввания поссле опред
Для
деления нижней
н
границ
цы текучеести остаавшуюся в чашке массу
м
смеешивают с сухой глиной
г
и расккатываютт до образования жгута
ж
ди
иаметром до 3 мм (рис. 2).. Опыт
считаеется закон
нченным,, когда жгут
ж
начнеет делитьься поперречными трещит
нами на
н кусочкки длиной
й 3–10 мм
м. От пол
лученныхх кусочкоов отбираают навеску не менее 10 г и определяютт влажноссть W2.
Р
Рассчиты
ывают чиссло пласти
ичности сырья
с
(таабл. 4) дляя двух од
дновременно проводи
имых опы
ытов. Числло пласти
ичности принимае
п
тся как среднее
арифм
метическоое двух даанных.
Таб
блица 4
О
Определени
е пластичн
ности сырьья
Сырьее
Массса, г
ло плаЧисл
Влажностьь, %
Номер
наавески
стич
чности
сухого бюкса с навесской
бюкса
бюкса вллажной суухой влажн
ной сухой W1 = Wф W2 П = W1 – W2
3 Опредееление возздушной усадки
3.
у
Из формоовочной смеси
И
с
с формовоч
ф
чной влаж
жностью Wф отфор
рмовывают пять
п
обраазцов размером 600×30×10 мм.
м На отформоваанных об
бразцах
9
наносят метки по двум диагоналям на расстоянии 50 мм, а затем их сушат
при температуре 110 оС в течение 3 ч.
Линейную усадку, %, вычисляют по формуле
lв 
d1d 2
 100 % ,
d1
где d1 и d2 – расстояние между метками на сырых и сухих образцах соответственно, мм.
Для определения чувствительности смеси к сушке рассчитывают коэффициент чувствительности по формуле
WW
Kч  ф 2 .
W2
По величине Кч сырье делят на три класса: малочувствительное
(К < 1,2); среднечувствительное (К = 1,2–1,8); высокочувствительное
(К > 1,8).
4. Определение спекаемости смесей
Из формовочной смеси нормальной формовочной влажности изготавливают образцы размером 60х30х10 мм. По диагонали наносят штангенциркулем метки на расстоянии 50 мм, затем образцы сушат 24 ч на воздухе и 1 ч в сушильном шкафу до остаточной влажности 3–5 %.
Высушенные образцы обжигают со скоростью 7–10 оС/мин при температурах 950, 1 000, 1 050, 1 100 оС. Выдержка при указанных температурах – 30 мин. На обожженных образцах определяют водопоглощение,
плотность, общую и огневую усадки.
Водопоглощение образца вычисляют по формуле
mm
Wм  2 1  100 % ,
m1
где m1 – масса обожженного образца, г; m2 – масса насыщенного водой образца, г.
Водопоглощение рассчитывают как среднее арифметическое значение результатов определений для трех образцов. Результаты оформляют в
виде табл. 5.
Таблица 5
Определение водопоглощения
Сырье
ТемпераМасса образца, г
Номер
Водопоглоще- Среднее значение вотура об- обожжен- насыщенного
образца
ние образца, % допоглощения, %
ного
водой
жига, С
10
По результатам работы составляют отчет и делают вывод о пригодности исследуемого сырья при производстве огнеупоров в соответствии с
требованиями ГОСТов.
Контрольные вопросы и задания
1. Как определяют абсолютную и относительную влажность материала? Каково значение влажности при разработке технологического процесса?
2. Что такое пластичность и каково ее влияние на сушильные свойства сырья?
3. Расскажите об усадке при сушке и обжиге и ее влиянии на подбор
формующих насадок, прессующих форм и режимов сушки и обжига.
4. Каково влияние спекаемости смесей на экономические показатели
технологического процесса?
5. Как определить спекаемость смесей?
Лабораторная работа 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ОГНЕУПОРНОСТИ
ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы: определение огнеупорности исходных пород и формовочных смесей стандартным методом (с помощью образцов-пироскопов).
Краткие теоретические сведения
Обжиг является завершающей операцией в технологии производства
огнеупорных изделий и осуществляется в окислительной среде при
температуре 1 200–1 400 оС для тугоплавких и огнеупорных глин, при
1 400–1 600 оС – для огнеупорных горных пород.
При обжиге происходит ряд физико-химических превращений, обусловливающих получение искусственного камня. При нагревании высушенных изделий до температуры 100–200 оС удаляется свободная (формовочная) вода. В этот период быстрый перегрев поверхности сырца вызывает одновременно перегрев паров воды, находящихся внутри изделия, и по11
вышение давления этих паров. Последнее может явиться причиной образования трещин и посечек, поэтому температура от 100 до 200 °С должна
подниматься очень медленно; в этом случае большое значение имеют остаточная влажность сырца и толщина изделия.
При температуре 200–400 оС выгорают имеющиеся в смесях органические примеси. Химически связанная вода, находящаяся в соединениях
(например, Fе2О3-nН2О или Al2O3SiO2H2O и т. д.), наиболее интенсивно
удаляется в интервале от 500 до 800 °С (процесс дегидратации глин), и керамическая масса необратимо теряет свои пластические свойства. В этот
температурный период осуществляются модификационные превращения
кристаллического кварца (при температуре 573 оС). Кроме того, происходит диссоциация железосодержащих минералов, например сидерита FеСО3
с выделением СО2 и группы карбонатов (СаСО3, MgCO3).
В восстановительной среде наблюдаются переход оксида железа в
закись с образованием жидкой фазы и диссоциация сульфидов и сульфатов
с выделением SO2.
Начиная с 700 оС щелочные оксиды (Na2O, K2O), находящиеся в смеси, вступают во взаимодействие с другими компонентами, образуя расплав, количество которого возрастает с повышением температуры. В рассматриваемом периоде обжига керамических изделий кристаллическая
решетка глинообразующих минералов не разрушается, поэтому такие физико-механические показатели, как усадка, прочность, пластические деформации, модуль упругости, изменяются незначительно. В этом периоде
нагрева возможен более быстрый подъем температуры, чем в подготовительном.
В интервале температур от 800 до 1 050 оС наблюдается распад продуктов дегидратации на отдельные оксиды (-Al2O3, SiO2, Fe2O3 и др.)
с образованием жидкой фазы. Получившиеся легкоплавкие соединения
растворяют частицы минералов, выделяя из растворов новые, более устойчивые минералообразования, например фаялит 2FeOSiО2 (900 оC), шпинель MgOAl2O3 (1 000 оC), возможно образование силлиманита Аl2О3SiO2
(1 050 оС). Последний при температуре 1 150–1 300 оС переходит в муллит
3Аl2О32SiO2 и т. д.
Минералы, расплавляясь и образуя первичные эвтектические смеси,
заполняют поры и, стягивая частицы основного вещества, вызывают их
сближение и уплотнение. Этот температурный период обжига, связанный с
разрушением кристаллической решетки минералов и значительными
структурными изменениями, с пластическими деформациями, следует вести медленно и осторожно. После кратковременной выдержки изделий при
максимальной температуре обжига начинается процесс охлаждения, который характеризуется медленным понижением температуры до 500 °С. Это
необходимо, чтобы избежать возникновения внутренних напряжений и
12
растрескивания изделий. Дальнейшее охлаждение до 40–50 °С можно осуществлять быстро.
Огнеупорностью называется способность материалов выдерживать
высокие температуры, не деформируясь под действием собственного веса
(см. прил. 2). При нагреве огнеупорный материал вначале размягчается
вследствие плавления его легкоплавкой составляющей. При дальнейшем
нагреве начинает плавиться основная масса и вязкость материала постепенно уменьшается. Процесс плавления огнеупоров выражается в постепенном переходе из твердого состояния в жидкое, причем температурный
интервал от начала размягчения до расплавления иногда достигает нескольких сотен градусов. Поэтому для характеристики огнеупорности
пользуются температурой размягчения.
С этой целью при определении огнеупорности материалов используют керамические пироскопы (ПК). Каждому пироскопу соответствует
определенная температура размягчения, т. е. температура, при которой пироскоп размягчается настолько, что вершина его касается подставки.
В маркировке пироскопов указывается его огнеупорность, уменьшенная в
десять раз. Для определения огнеупорности материала из него изготавливают пирамидку по размерам пироскопа. Испытуемый образец вместе с
несколькими пироскопами разных номеров устанавливают на подставке и
помещают в электрическую печь. Испытание на огнеупорность сводится к
наблюдению за размягчением (падением) образцов сравнительно с пироскопами при определенных условиях нагрева. Огнеупорность материала
обозначается номером того пироскопа, с которым образец упал одновременно.
Порядок выполнения работы
1. Определение огнеупорности глин стандартным методом
Огнеупорность характеризуется температурой, при которой образецпироскоп стандартных размеров, размягчаясь и оседая, коснется своей
вершиной подставки, на которой он стоит. Пироскопом называется образец,
представляющий собой трехгранную усеченную пирамиду высотой 60 мм
со стороной нижнего основания 15 мм и верхнего – 5 мм. Под влиянием
высоких температур материал испытуемого образца постепенно размягчается и по мере уменьшения вязкости образуемого расплава деформируется
под действием собственной массы.
Для определения огнеупорности 0,3 кг испытуемого сырья растирают, просеивают через сито № 02 и затворяют водой для получения формовочной массы. Тощие материалы затворяют 10%-м раствором декстрина
или крахмала. Образцы формуют в специальной металлической форме,
13
смазан
нной вазеелином илли маслом
м, для чегго массу плотно н
набивают в форму, иззбыток сррезают, поверхнос
п
сть заглааживают. Для опрределенияя огнеупорноости из высокоогн
в
неупорной
й массы (или
(
каоллина) в см
меси с шаамотом
(1:1 поо массе) формуют
ф
подставкку для обр
разцов. Огнеупорн
О
ность массы для
подстаавки долж
жна быть выше огн
неупорноссти испыттуемого м
материалаа.
Н свежеесформоваанную поодставку наряду
На
н
соо стандартными усстанавливаю
ют по два высушен
нных пирроскопа из
и испытууемого маатериала. Пироскопы
ы располаггают по всему
в
перриметру подставки
п
и так, чтоб
бы испыттуемые
образц
цы стояли
и друг прротив друуга (рис. 3). Подсттавку с об
бразцами
и высуо
шиваю
ют в суши
ильном шкафу
ш
при
и 110–135 С и ввводят в п
печь с темперао
турой 1 400–1 600 С. Контрольь темпер
ратуры оссуществляяют с пом
мощью
термоп
пары ПП (платиноо-платиноородиевой
й). Скороость подъ
ъема темп
ператуо
ры в печи
п
3–5 С/мин. Наблюдаают за состоянием
м пироскоопов, запи
исывая
резулььтаты внаачале каж
ждые 10 мин
м (табл. 6), а с момента начала раззмягчения коонусов – через
ч
каж
ждые 5 ми
ин (рис. 4)).
Рис. 3. Сххема размещ
щения пиро
оскопов на подставкее
Таб
блица 6
О
Определени
е огнеупорн
ности сырьья
Времяя
ч мин
н
Продоллжительноссть
испытан
ния от начаала
ч
мин
Опи
исание хараактера
и последовател
льность
в прооцессе в момент
м
падения падеения пиросскопов,
в т. ч. № 1, 2 и т. д.
испы
ытания
пироскопа
Темпераатура, оС
14
Начало плавленияя соответсствует тем
Н
мпературе, при котторой граани испытуемого обрразца начи
инают оп
плавлятьсся и клон
ниться веррхней часстью к
подстаавке. Огн
неупорноссть матерриала соо
ответствует темперратуре, при
п которой вершины
ы обоих испытуем
и
мых пиросскопов, опускаясь
о
ь, коснутсся подставки
и. Если пи
ироскоп падает
п
неправильн
но или по какой-ли
ибо причи
ине испытание приостановлено, опредееление сл
ледует поввторить н
на новых образцах. Возобновлление испытания с теми же образцам
ми не допуускается.
1
2
3
4
Рис. 4. Определление огнееупорности
и глин: 1 – форма; 2 – выталкиваатель; 3 – сфорс
мироованные исспытуемые конусы (К
КИ); 4 – внеешний вид конусов поосле испыттания
На основвании резуультатов испытания делаю
Н
ют вывод об огнеупорности исследуемоого сырья:
Типы глин
Огнеупорные
Тугооплавкие
Легккоплавкие
Тем
мпература,, оС
1 580 и более
1 580–1 3500
менее
м
1 3500
2 Опредееление огннеупорноссти глин по метод
2.
ду Н. П. Ч
Чижевско
ого
Главной составляяющей огнеупорн
Г
о
ной глины являяется као
олинит
Аl2О32SiO22Н2О. В сооответствии с химич
ческой фоормулой в каолини
ите соится: Аl2О3 – 39,56 %, Si2O – 46,50 %, Н2O – 133,94 %.
держи
П метод
По
ду Н. П. Чижевско
Ч
ого содержание в глине
г
каоолинита опредео
ляетсяя по содерржанию конституц
к
ционной воды,
в
котторая удааляется изз молекул кааолинита при проккаливании
и глины. Следоваттельно, чеем выше содержаниее влаги, теем больше в глине огнеупор
рного каоолинита.
М
Метод
Н.. П. Чижеевского не
н учитыввает влиян
ния отделльных при
имесей
на огн
неупорноссть глины
ы.
У
Удобство
о метода заключаеется в пр
ростоте и достатоочной точ
чности
при орриентироввочных оп
пределениях огнеу
упорности
и больши
инства гли
ин.
Н
Необходи
имо отметтить, чтоо этот меттод не прригоден д
для глин, содержащихх органич
ческие при
имеси и углекислы
у
ые соедин
нения.
Н
Навеску
г
глины
2 г,
г предваррительно доведенн
д
ную до абсолютно сухого
состояяния, прокаливаютт в платин
новом ил
ли фарфооровом ти
игле при темпео
ратурее 800 С до постояянного вееса. Перввое прокааливание длится 30 мин,
15
повторрное – 155 мин. Убыль масссы послее прокали
ивания даает содер
ржание
консти
итуционн
ной воды каолинит
к
та.
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15 Н2О, %
Ри
ис. 5. Диаграмма для определен
ния огнеупоорности гли
ин
Зная прооцентное содержан
с
ние в глин
не консти
итуционноой воды, можно
либо вычислит
в
ь содерж
жание каоллинита, либо
л
непоосредственно определить
огнеуп
порность по диаграамме (ри
ис. 5).
К
Контрол
льные вопросы
в
ы
1. Что таккое огнеуупорностьь?
2 Как под
2.
дразделяю
ются матеериалы по
о огнеупоорности?
3 Что при
3.
идает изд
делиям оггнеупорны
ые свойсттва?
4 Как опрределить огнеупоррность гли
4.
ин по меттоду Чиж
жевского?
16
Лабораторная работа 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ОГНЕУПОРНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Цель работы: определение объемной массы, водопоглощения и
кажущейся пористости огнеупорных материалов.
Краткие теоретические сведения
При изучении физических свойств огнеупорных материалов очень
важно уметь определять объемную массу, водопоглощение и кажущуюся
пористость огнеупорных материалов (см. прил. 2, 3).
Плотность материала – это отношение массы образца к занимаемому им объему за вычетом объема пор.
Объемной массой называется отношение массы высушенного при
о
110 С образца к занимаемому им объему, включая поры.
Водопоглощение – выраженное в процентах отношение массы поглощенной образцом воды к его массе в сухом состоянии.
Пористость. Все огнеупорные изделия пористы. Размер пор, их
структура и количество весьма разнообразны. Отдельные поры либо соединены между собой и с атмосферой, либо представляют собой замкнутые пространства внутри изделия. Отсюда различают пористость открытую, или кажущуюся, при которой поры сообщаются с атмосферой, пористость закрытую, когда поры не имеют выхода наружу, и пористость истинную, или общую, т. е. суммарную.
Кажущаяся пористость – выраженное в процентах отношение объема, занятого в образце сообщающимися между собой и атмосферой порами, к общему объему образца.
Для определения объемной массы ρ, г/см3, водопоглощения Wм, %, и
кажущейся пористости Пк, %, необходимо знать массу Р1 сухого образца,
массу воды Р2, поглощенной образцом, и массу Р3 вытесненной образцом
воды:
ρ=
Р
Р2
Р1
 100 % .
; Wм = 2  100 % , Пк =
Р1
Р3
Р3
17
Поря
ядок вы
ыполне
ения работы
Определеение объеемной масссы, водо
О
опоглощен
ния и каж
жущейся пористости производ
дится на одном
о
обрразце огнееупора.
И
Испытуем
мый обраазец взвеш
шивают на
н технических вессах с точн
ностью
до 0,1 г. Затем образец помещаю
п
т в бачокк с водой с таким ррасчетом, чтобы
вода покрывала
п
а его на 1 см, и кипятят в теечение 1220 мин. П
После чего
о образец охлаждают под водоой в течен
ние 10 мин
н.
П
Перед
взввешивани
ием насыщ
щенного водой об
бразца удаляют с его
е поверхноости избы
ыток воды
ы с помощ
щью сильн
но увлажеенного поолотенца.
П
После
уд
даления с поверхноости обраазца избы
ытка воды
ы его сейчас же
взвеши
ивают с точностью
ю до 0,1 г в возд
духе. Вторрое взвеш
шивание насыщенноого водой образца производ
дят под во
одой на гидростаатических
х весах
(рис. 6),
6 для чеего образеец подвеш
шивают на
н тонкой проволочке к чаш
шке весов. Эттим взвеш
шиванием
м определляют масссу воды, вытесненн
в
ной образзцом.
Рис. 6. Весы
В
для ги
идростатичееского взвеешивания
Пример записи
П
з
реззультатоов
О
Образец:
шамотны
ый кирпич
ч.
М
Масса
суххого обраазца Р1 = 43,7 г;
м
масса
нассыщенногго водой образца
о
в воздухе 47,6 г;
м
масса
вод
ды, поглощенной образцом,
о
, Р2 = 47,66 – 43,7 = 3,9 г;
м
масса
нассыщенногго образца в воде 23,3
2
г;
м
масса
выттесненной
й образцоом воды Р3 = 47,6 – 23,3 = 224,3 г.
О
Объемная
я масса ρ = 43,7 : 24,3
2
= 1,8 г/см3.
В
Водопогл
лощение Wм = (3,9 : 43,7)·10
00 = 8,9 %.
%
К
Кажущая
яся пористтость Пк =(3,9
=
: 24,,3)·100 = 16 %.
18
Для сравнения следует привести литературные данные исследуемых
свойств других огнеупорных материалов.
Контрольные вопросы и задания
1. Что называется плотностью материала?
2. Как изменяется плотность огнеупоров при увлажнении?
3. От чего зависит водопоглощение изделий и на что оно влияет?
4. Что такое пористость? Назовите ее виды.
5. Какое влияние оказывает пористость на другие свойства огнеупоров?
Лабораторная работа 4
ИССЛЕДОВАНИЕ
ТЕРМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ ОГНЕУПОРОВ
Цель работы: ознакомление с аппаратурой и методом определения
термической стойкости различных огнеупоров.
Краткие теоретические сведения
Огнеупорные материалы в печи подвергаются переменному воздействию температуры. Их нагрев и охлаждение проходят с различной скоростью. В результате многократных термических воздействий огнеупор постепенно растрескивается и разрушается.
Термической стойкостью огнеупоров называется их способность
противостоять резким колебаниям температур, не растрескиваясь и не разрушаясь.
Термостойкость материалов определяется числом водяных теплосмен (т. е. последовательных нагревов до 850 °С и охлаждения в проточной холодной воде), выдержанных огнеупором до потери массы 20 % oт
первоначальной.
Термическая стойкость огнеупоров зависит от их свойств и ряда параметров. Так, термостойкость материала повышается с увеличением максимально допустимой деформации, коэффициента теплопроводности и с
19
уменьш
шением теплоемккости, коээффициен
нта термического расширеения и
объемного весаа.
К покаазали оп
Как
пыты, порристость позволяеет увеличчить терм
мостойкость, а полим
морфные превраще
п
ения с изменением
м объема (динас) уменьшают ее. На террмостойккость влияяют такжее размеры
ы и формаа изделий
й.
Описан
ние уст
тановки
и
Печь для определеения терм
П
мической стойкостти (рис. 7)) состоит из металлич
ческого кожуха
к
1, в котороом помещ
щена огнеуупорная ттепловая изоляция 2. Внутри печи
п
у сттенки на огнеупор
рных стерржнях рассполагаеттся нит
части печ
чи размещ
щены вывводы 4 дл
ля подхромовая спирааль 3. В торцевой
ключеения печи к электри
ической сети
с
с нап
пряжениеем 220 В.
1
2
5
8
2
2
7
3
6
7
а
б
9
Рис. 7. Печь для определени
о
ия термичееской стойккости огнеуупоров:
й разрез; б – горизон
нтальный разрез:
р
1 – метала – верртикальный
лическкий кожух;; 2 – теплооизоляцион
нный слой; 3 – нихрромовая
спиралль; 4 – вывооды для поодключенияя печи к эллектросети;; 5 – отверсти
ие для терм
мопары; 6 – отверсти
ие для устаановки киррпичей;
7 – бакк с водой; 8,
8 9 – отверстия для наполнени
ия водой и слива
В печи сд
делано оттверстие 5 для терм
мопары, посредств
п
вом котор
рой замеряеттся температура в печи. Печь им
меет прям
моугольноое отверсстие 6
с площ
щадкой, на
н нее усттанавливааются исп
пытуемые огнеупоорные ки
ирпичи.
Вдоль рабочей стороны
ы печи пом
мещен баак 7, напоолненный
й водой, в который поогружаюттся огнеупорные изделия
и
по
осле нагррева.
Б имеет отверсттие 8 дляя наполнеения его водой
Бак
в
и оотверстиее 9 для
слива воды. Печь устаноовлена наа подставкке.
20
Порядок выполнения работы
1. Образцы, высушенные при температуре не ниже 110 оС до постоянного веса, взвешивают на весах и устанавливают торцом в отверстие печи 6. Образцы Б, В, Г (рис. 7, б) устанавливают в печи так, чтобы концы их
вошли в печное пространство на 50 мм.
Для создания одинаковых условий нагрева образцов крайние из них
защищаются кирпичами, не участвующими в последующих испытаниях, –
холостыми кирпичами А, Д. При разрушении холостых кирпичей их заменяют новыми. Рекомендуется применять холостые кирпичи высокой термической стойкости.
Все зазоры между холодными и испытуемыми образцами, а также
между образцами и стенками загрузочного отверстия печи закладывают
шамотными вкладышами.
2. Образцы нагревают в течение 40 мин при температуре в печи
(850 ±10 оС), автоматически поддерживаемой с помощью терморегулятора.
Измерение температуры производят термопарой, установленной между
испытуемыми образцами и нагревательными элементами печи на расстоянии 10 мм от торца кирпича, находящегося в печи.
3. После нагревания образцы вынимают из печи и ставят нагретым
концом в бак 7 с проточной водой (температура 10–20 оС). Глубина погружения образцов – около 50 мм. Температура выходящей воды должна быть
примерно на 30 оС выше входящей.
Охлаждение в воде продолжается 3 мин. Затем образцы вынимают из
воды и устанавливают на 7 мин на воздухе для удаления влаги. Во время
охлаждения образцов загрузочное отверстие печи должно быть закрыто заслонкой.
4. Охлажденные образцы после отпаривания взвешивают, вновь помещают в печь и проводят следующую теплосмену. Во время опыта фиксируют:
– появление трещин, их направление и приблизительные размеры (в
отчете приводят зарисовку образцов после их испытания);
– начало разрушения образца, величину потери в массе;
– количество теплосмен, когда потеря в массе образца превысит 20 %
первоначальной массы.
В протоколе испытания отмечают количество теплосмен до появления трещин, количество теплосмен до начала потерь в массе и количество
теплосмен до потери 20 % первоначальной массы.
Результаты выражают в целых теплосменах. При протоколировании
необходимо руководствоваться следующими правилами:
– при определении количества выдержанных образцом теплосмен
принимается в расчет и та теплосмена, при которой наступает разрушение.
21
Если разрушение наступает в стадии нагревания образца, то эта теплосмена не учитывается;
– если в течение нескольких теплосмен потеря в массе не наблюдалась, а затем потеря сразу превысила 25 % от первоначальной массы, то за
показатель термической стойкости принимается количество теплосмен на
единицу меньше номера последней теплосмены. Если же при последней
теплосмене потеря в массе лежит в пределах от 20 до 25 %, то ее учитывают.
Так как определение термостойкости для многих огнеупоров требует
значительных затрат времени, то для ознакомления с аппаратурой и методикой этого испытания обычно ограничиваются проведением одной-двух
теплосмен для трех образцов различных огнеупоров. На торцевой части
кирпича со стороны, не подвергающейся нагреву, пишут мелом номер очередной проведенной теплосмены.
Пример записи результатов
Образцы огнеупоров, подвергшиеся испытанию на термическую
стойкость:
Огнеупор
Динас
Шамот
Муллит
Размеры, мм
65×113×230
65×113×230
65×113×230
Масса, г
2 870
3 040
3 550
Испытание на термическую стойкость – результаты заносят в табл. 7.
Выдержка в печи при температуре 850 оС – 40 мин.
Охлаждение в проточной воде – 3 мин.
Таблица 7
Результаты испытания термической стойкости огнеупоров
Огнеупор
1. Динас
2. Шамот
Номер теплосмены
1
2
8
9
3. Муллит
23
24
Изменение образца
Трещины
Одна трещина, пересекающая две кромки
Часть кирпича по трещине откололась, появились новые поперечные трещины
Имевшиеся волосяные трещины увеличились
у одного из углов
Один из углов кирпича отвалился, трещины
несколько увеличились
Имевшиеся незначительные волосяные трещины без изменения
Появилась трещина, пересекающая одну
кромку у торца
22
Потеря в массе
г
%
Нет
–
488
17
Нет
–
213
7
Зарисовка образцов после проведения теплосмен:
1. Динас
2. Шамот
3. Муллит
1-я теплосмена
8-я теплосмена
23-я теплосмена
2-я теплосмена
9-я теплосмена
24-я теплосмена
Контрольные вопросы и задания
1. Что называется термостойкостью огнеупоров?
2. Опишите характер разрушения огнеупоров при разных изменениях
температур.
3. Приведите примеры термической стойкости различных огнеупоров.
Лабораторная работа 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОГНЕУПОРОВ
ПО МЕТОДУ СТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
Цель работы: ознакомление с аппаратурой и определение коэффициентов теплопроводности огнеупорных изделий по методу стационарного
теплового потока.
Краткие теоретические сведения
Теплопроводность – один из видов переноса теплоты, который осуществляется за счет элементарных частиц, составляющих тело.
Теплопроводность огнеупоров определяется тремя основными процессами: переносом теплоты через конденсированные фазы (кристаллическую и аморфную); переносом теплоты через поры и трещины (через газовые полости); теплоотдачей на границах фаз (см. прил. 2, 4).
Эффективный коэффициент теплопроводности определяется суммой
тепловых сопротивлений этих процессов. Коэффициент теплопроводности
конденсированных фаз зависит от кристаллической структуры материала.
Кристаллы с более сложным строением решетки имеют более высокое
рассеивание тепловых упругих волн и, следовательно, более низкое значение коэффициента теплопроводности. Например, шпинель имеет более
23
низкую теплопроводность, чем в отдельности оксиды алюминия и магния.
То же самое можно сказать об аморфных стеклообразных связках (за некоторым исключением) и твердых растворах.
Наибольшее сопротивление переносу теплоты в огнеупорах оказывают контакты между зернами твердой фазы. Суммарная площадь контактов частиц в тысячи раз меньше площади поперечного сечения огнеупора.
Коэффициент эффективной теплопроводности пор и трещин описывается
формулой
λ пор = λ газа + λ кнв + λ изл,
где λпор – общий эффективный коэффициент теплопроводности пор, Вт/(м·К);
λгаза – коэффициент теплопроводности газа в порах, Вт/(мК); λкнв – коэффициент конвективной теплоотдачи от границы поры, Вт/(мК); λизл – коэффициент лучистого переноса теплоты в газе, находящемся в порах, Вт/(м·К).
Коэффициент теплопроводности воздуха в порах при температуре
400 К составляет 0,0306, а при 1 300 К – 0,0788 Вт/(м·К). В порах размером
менее 5 мм конвективным переносом теплоты можно пренебречь. С повышением температуры растет вклад излучения в увеличение теплопроводности. Например, при температурах более 1 200 оС теплопроводность пористых изделий начинает превышать соответствующие значения для более
плотных изделий, т. е. происходит потеря теплоизолирующих свойств.
При температурах менее 500 оС наблюдается обратная картина, и в
этом температурном интервале теплопроводность при фиксированной
температуре меняется более чем на порядок при переходе от особо плотного или высокоплотного к ультрапористому изделию того же химического
состава. Так, у высокоплотного огнеупора из кварцевого стекла теплопроводность при температуре 400 оС приблизительно равна 2,0 Вт/(м·К), а у
отдельных ультрапористых изделий из того же стекла и при той же температуре – менее 0,04 Вт/(м·К). Наибольшую теплопроводность имеют особоплотные карбидокремниевые огнеупоры, у которых при температуре 400 оС
теплопроводность превышает 30 Вт/(м·К); высокую теплопроводность
имеют также особо плотные корундовые (более 12 Вт/(м·К)) и периклазовые (более 16 Вт/(м·К)) огнеупоры.
Химический состав огнеупорного изделия и его пористость влияют
также на характер температурной зависимости теплопроводности. У плотных огнеупоров она либо растет с увеличением температуры (у кремнеземистых, полукислых, шамотных, бадделеитовых, бадделеитокорундовых),
либо уменьшается (у муллитовых, муллитокорундовых, корундовых, периклазовых, периклазохромитовых, периклазошпинелидных, форстеритовых, карбидокремниевых, цирконовых), либо остается неизменной в широком интервале температур (у муллитокремнеземистых). У высокопористых и ультрапористых огнеупоров теплопроводность с ростом температуры, как правило, увеличивается. Влияние пористости на коэффициент эф24
фективной теплопроводности огнеупоров при температурах не выше 800 К
описывается следующей формулой:
λ п = λ o(1 – a·Побщ),
где λп – коэффициент эффективной теплопроводности пористого материала, Вт/(м·К); λо – коэффициент эффективной теплопроводности беспористого материала, Вт/(м·К); Побщ – общая пористость в долях единицы; α –
коэффициент, зависящий от пористости (изменяется от 1,5 до 2,6).
Методы определения теплопроводности в зависимости от используемого теплового режима делятся на две группы: со стационарным и нестационарным тепловым режимом.
Согласно основному закону стационарной теплопроводности (уравнение Фурье) тепловой поток пропорционален градиенту температуры:
Q
t
F,
x
(1)
где Q – тепловой поток, Вт;  – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);
t/x – градиент температуры по толщине стенки, К/м; F – изотермическая
поверхность, м2.
Рассматривая передачу теплоты теплопроводностью через однородную плоскую стенку толщиной  при стационарном тепловом режиме
при граничных условиях I рода (на наружных поверхностях стенки поддерживаются постоянными температуры t1 и t2), из уравнения (1) получим
Q

(t1  t2 ) F .

(2)
Если в уравнении (2) принять, что  = 1 м; t1 – t2 = 1 оС; F = 1 м2, то
Q = , т. е. коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через стенку площадью 1 м2 и
толщиной 1 м при разности температур на поверхностях 1оС. Этот коэффициент является физическим параметром вещества, характеризует его
способность проводить теплоту, зависит от структуры тела и температуры.
Установка для определения коэффициента теплопроводности (рис. 8)
состоит из двух составных частей: печи 1 с карборундовыми нагревателями 4 и водяного калориметра 6 размером 87×215 мм с охранным кольцом.
Печь, подвешенная на блоках с противовесом, может перемещаться в вертикальном направлении. Кожух печи футерован огнеупорным 3 и теплоизоляционным 2 материалами. В огнеупорной кладке расположены карборундовые нагреватели. Питание печи производится от трансформатора 12,
присоединенного к питающей сети напряжением в 220 В.
25
Калоримеетр выполлнен в ви
К
иде полой
й плиты с перегорродками внутри.
в
Охран
нное колььцо установлено для создан
ния больш
шей равн
номерностти тепловогоо потока в кирпич
че. Испы
ытуемый образец
о
– нормалльный кир
рпич –
кладутт сверху на
н калори
иметр.
13
1
1
12
11
1
2
10
3
4
5
6
9
7
Выхход
7
Вхход
вод
ды
вод
ды
8
Рис. 8. Схеема установвки определления коэффициентов теплопроводности оггР
н
неупоров:
1 – электтропечь; 2 – теплои
изоляционн
ный слой; 3 – огнееу
упорный
сллой; 4 – каарборундоввые нагреватели; 5 – испытуемы
ый образец
ц;
6 – водяной
й калоримеетр; 7 – терм
мометры; 8 – мерный сосуд; 9 – термопары
ы;
1 – перекллючатель; 11
10
1 – показы
ывающий милливольт
м
тметр; 12 – трансфор-маторр; 13 – реггулирующи
ий потенциоометр
Температтуру верххней и ни
Т
ижней по
оверхностти кирпи
ича измер
ряют с
помощ
щью хром
мель-алюм
мелевых термопар
р 9 и ми
илливолььтметра Ш4500.
Ш
Термоопары соединены с милливоольтметро
ом 11 переключатеелем 10.
26
Температуру входящей и выходящей из калориметра воды измеряют
с помощью термометров 7. Регулирование заданной температуры в печи осуществляют с помощью автоматического потенциометра 13 типа КВП 1-503.
Определение коэффициента теплопроводности огнеупоров по методу стационарного теплового потока производится следующим образом.
Стандартный огнеупорный кирпич устанавливают на калориметр с
проточной водой. Тепловой поток Q, полученный верхней поверхностью
кирпича излучением от карборундовых нагревателей и свободной конвекцией от нагретого в печи воздуха, передается теплопроводностью внутрь
кирпича на толщину . Далее он воспринимается водой через поверхность
калориметра F. При достижении стационарного теплового режима, соответствующего t1 = cons; t2 = const; Q = const, производят расчет коэффициента теплопроводности по преобразованной формуле:
Q

,
(3)
 t1  t2  F
где  – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); Q – тепловой поток, переданный через кирпич воде калориметра, Вт;  – толщина кирпича, м; F –
площадь калориметра, м2; t1, t2 – соответственно, температура верхней и
нижней поверхности кирпича, оС.
Тепловой поток Q рассчитывают по формуле
Q = qс(tвых – tвх),
(4)
где q – расход воды, кг/с; с – теплоемкость воды, Дж/(кг·К); tвых, tвх – соответственно, температура воды на выходе и входе в калориметр, оС.
Один эксперимент по нагреву при заданной температуре печи позволяет определить одно значение  при средней по толщине образца температуре tср.
Порядок выполнения работы
1. Печь опускают до плотного соприкосновения с нижней частью установки.
2. Производят заполнение водой калориметра и охранного кольца.
Вода из напорного бочка, предназначенного для выравнивания давления в водонапорной сети, проходит через калориметр, затем через охранное кольцо и поступает на слив. Количество воды, протекающей через
калориметр, определяют путем контрольного наполнения мерного сосуда
за минуту. Расход воды устанавливают в пределах 0,6–0,8 л/мин.
3. По достижении заданного расхода воды включают печь в сеть
электрического тока и постепенным повышением напряжения на 10–15 В
27
через 10–20 мин разогревают до заданной температуры (задают три режима нагрева печи).
4. Для соблюдения условий стационарности снятие необходимых показаний по каждому режиму производят через определенные промежутки
времени, указанные в табл. 8.
5. Все показания приборов и расход воды по каждому режиму записывают в табл. 8.
6. Заполняют таблицу обработки экспериментальных данных (табл. 9).
Для каждого режима рассчитывают коэффициент теплопроводности,
определяют среднюю температуру кирпича tср, исходя из tср по формуле (3)
для испытуемого материала вычисляют лит.
7. Результаты эксперимента представляют графически.
В координатах –tcp строят температурные зависимости коэффициента теплопроводности, полученные опытным и расчетным путем.
На том же графике наносят температурные зависимости коэффициентов теплопроводности для других огнеупорных материалов по
указанию преподавателя с различной пористостью (см. прил. 5).
8. Анализируют результаты работы.
Проводят сравнительную оценку значений коэффициентов теплопроводности испытуемого огнеупора, полученных опытным путем и по
литературным данным (см. прил. 5).
Таблица 8
Результаты измерений
Температура, С
Номер Темпера- Номер поверхности
Расход
воды
режи- тура в измереводы g',
образца
ма печи, оС
ний
верх- ниж- на входе на выхо- кг/мин
ней t1 ней t2
tвх
де tвых
1
1
2
3
4
2
1
2
3
4
3
1
2
3
4
Режим
Нестационарный
Стационарный
Нестационарный
Стационарный
Нестационарный
Стационарный
Примечание. Материал огнеупора: (указать). Толщина огнеупора  = 0,065 м.
Площадь калориметра F = 0,0187 м2. Теплоемкость воды с = 4187 Дж/(кг·К).
28
Таблица 9
Обработка экспериментальных данных
Показатель
g, кг/с
Q, Вт
, Вт/(м·К)
tср, оС
лит, Вт/(м·К)
Расчетная формула*
Значения величин в режимах
1
2
3
g = g/ 60
Q = g·с (tвых – tвх)
 = Q / (t1 – t2 )F
tср = 0,5 ( t1 + t2 )
лит = а  btср
* В расчет берут данные стационарного режима.
Сравнивают значения , их температурные зависимости для различных огнеупорных материалов. Отмечают влияние пористости (объемной
массы) и структуры материала на значение .
Общим источником ошибок в любом определении является степень
точности отдельных измерений.
Относительную максимальную погрешность экспериментального
определения  рассчитывают по формуле
 ( ) 
() (t ) (t ) ()



,

tпов tпов

где (t) – погрешность измерения разности температур поверхности, равна 10 оС;  (t) – погрешность измерения разности температур воды, равна 0,05 оС; () – погрешность измерения линейных размеров, () огнеупора равна 0,5 мм; t пов = t1 – t2; tводы = tвх – tвых.
Контрольные вопросы и задания
1. Что называется теплопроводностью? Чем она характеризуется?
2. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности?
3. Что называется стационарным режимом?
4. От чего зависит теплопроводность изделий и материалов?
5. Как изменится назначение и использование огнеупорных материалов и изделий в зависимости от их теплопроводности? Приведите
примеры.
29
Лабораторная работа 6
ПЕРЕДАЧА ТЕПЛОТЫ ЧЕРЕЗ СТЕНЫ
ПРИ СТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ
Цель работы: освоить расчетно-экспериментальную методику определения тепловых потерь через однослойную и двухслойную стенку.
Цель достигается путем экспериментального определения температур по толщине стенок и последующего расчета тепловых потоков через эти стенки.
Краткие теоретические сведения
Задача по определению тепловых потерь через однослойные и многослойные стенки связана с проектированием тепловых устройств или с
анализом их работы. В связи с высокой температурой внутри печей и относительно низкой температурой окружающего воздуха неизбежно возникает тепловой поток, направленный изнутри к воздуху. По толщине кладки
теплота передается за счет теплопроводности, а от наружной поверхности
в окружающую среду – за счет конвективного теплообмена и излучения.
Распределение температуры по толщине однородной стенки описывается уравнением прямой линии
t  tвн
tвн  tнар

х.
(1)
Такое распределение температуры (рис. 9) правомерно при условии
постоянства коэффициента теплопроводности по толщине стенки λ = const.
В реальных условиях λ не является постоянной величиной, поэтому распределение температуры будет нелинейным (пунктирные линии на рис. 9).
Если стенка многослойная, то есть состоит из слоев материалов, обладающих разными коэффициентами теплопроводности, то распределение
температуры по толщине стенки будет иметь вид, представленный на рис. 10.
При совершенном контакте между слоями температура одного и другого
слоя на границе будет одинаковой (tгр), следовательно, линии, описывающие распределение температуры по первому и второму слою, сходятся на
границе.
При граничных условиях первого рода, т. е. когда известны температуры на поверхности стенки, удельный тепловой поток, проходящий через
толщину стенки, в стационарных условиях описывается уравнением
30
q
tвн  tнар


  i  i  1
n
tвн  tнар
1  2  2 
,
(2)
i 1
стей стен
где tвн, tнар – тем
мпературы
ы внутрен
нней и нааружной поверхно
п
нки, оС;
п – кооличествоо слоев сттенки; δ1, δ2, δi – то
олщина пеервого, втторого, т.. е. i-го
слоя многослой
м
йной стен
нки (рис. 10), м; λ1, λ2, λi – коэффи
ициенты теплопровод
дности сллоев, опрееделенны
ые для среедней тем
мпературы
ы каждого
о слоя,
Вт/(м·К).
t
t
tвн
tвн
tгр
tнаар
tнар
δ
δ1
х
δ2
х
Рис. 9. Распределление
температтуры по толлщине
о
однослойн
ой плоской
й стенки
Рис.
Р 10. Расспределени
ие температтуры
по толщи
ине двухслоойной стен
нки
Отношение толщи
О
ины слояя к велич
чине коэф
ффициентта теплоп
проводности этого слооя δ/λ = R называеется тепло
овым или
и термичееским соп
противм данногоо слоя клладки. Такким образзом, теплловой поток через стенку
лением
зависи
ит от сум
ммы терм
мическихх сопроти
ивлений слоев, об
бразующи
их эту
стенкуу. Если сттенка одн
нослойнаяя, то в зн
наменателле (2) стои
ит значен
ние одного термическ
т
кого сопротивлени
ия.
П задаании гран
При
ничных условий
у
третьего
т
р
рода,
т. ее. когда заданы
з
темперратуры срред (t1 и t2), окруж
жающих стенку
с
с обеих
о
стоорон, и условия
теплоообмена между каж
ждой сред
дой и соо
ответствую
ющей повверхностьью, тепловой
й поток, переданн
ный от срреды к ср
реде череез разделяяющую стенку,
с
будет равен
t1  t2
q
(3)
,
n
1
1
   i  i  
1 i 1
2
где α1 и α2 – коэффициен
нты теплооотдачи от
о первой
й среды к внутренн
ней поверхноости стенки и от наружной поверхно
ости ко втторой срееде, Вт/(м2·К).
31
Чаще всего известна температура внутренней поверхности стенки tвн
и температура окружающего стенку воздуха tв тогда
t t
q  n вн в
,
(4)
1
  i  i   
i 1

где αΣ =(αк + αл) – коэффициент суммарной теплоотдачи от стенки к воздуху, Вт/(м2·К); 1/ αΣ – тепловое сопротивление воздуха, м2·К/Вт.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией αк может быть определен из
критерия Нуссельта Nu, характеризующего теплообмен на границе среда –
поверхность:
l
Nu  к ,
(5)
в
где l – характерный размер (при горизонтальном расположении плоской
стенки – это меньший ее размер, при вертикальном – высота), м; λв – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) при tв.
При расположении стенки теплоотдающей поверхностью вверх найденное по выражению (5) αк необходимо увеличить на 30 %.
В свою очередь критерий Нуссельта при свободной конвекции может
быть найден из критериальной зависимости
Nu  c(Gr  Pr)n ,
(6)
где Pr – критерий Прандтля, характеризующий теплофизические свойства
воздуха (см. прил. 7); Gr – критерий Грасгофа, характеризующий подъемную силу, возникающую в среде за счет разницы плотностей (разницы
температур) в этой среде; с, n – коэффициент и показатель степени, определяемые в зависимости от произведения (Gr·Pr) (табл. 10).
Таблица 10
Значение c и п в уравнении (6)
1·10–3–5·102
1,18
0,125
Gr·Pr
c
n
5·102– 2·107
0,54
0,25
>2·107
0,135
0,33
Критерий Грасгофа
Gr 
gl 3 (tнар  tв )
vв2 (tв  273)
,
(7)
где g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с; tв – средняя температура
воздуха в пограничном слое, tв = 0,5·(tнар + tв), оС; vв – коэффициент вязкости воздуха, м2/с при tв.
32
Коэффициент теплоотдачи излучением αл можно определить по выражению
4
 Т нар
Т в4 

co    

gл
 100 100 
,
л 

tнар  tв
tнар  tв
(8)
где gл – плотность потока, излучаемого поверхностью стенки, Вт/м2; со –
коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/(м2·К4);
ε – степень черноты излучающей поверхности; Тнар, Тв – абсолютные температуры наружной поверхности стенки и воздуха, К.
С наружной поверхности стенки во внешнюю среду теплота уходит
за счет конвекции qк и излучения qл. Этот тепловой поток называется суммарным:
qΣ = qΣ + qл = αΣ(tнар – tв).
(9)
В стационарных условиях, т. е. когда температура в любой точке
кладки не изменяется во времени, тепловой поток, проходящий только по
толщине стенки (2), проходящий от внутренней поверхности стенки к воздуху (4) и уходящий с наружной поверхности стенки (9), должен быть
одинаковым.
Описание установки
Опытная установка (рис. 11) состоит из печи 1 с карборундовыми
нагревателями 2, верх печи выполнен в виде плоской стенки, часть которой однослойная 3 (из огнеупорною кирпича), другая часть двухслойная 4
(из огнеупорного и теплоизоляционного кирпичей). По толщине кирпичей
вмонтированы хромель-алюмелевые термопары 5, которые подключены к
самопишущему потенциометру 6, каждая под своим номером. Потенциометр КСП-4 снабжен диаграммной лентой 7, на которой через определенные промежутки времени фиксируются температуры по толщине стенки.
Температура окружающего воздуха замеряется термометром 8.
Питание печи осуществляется от сети – через автотрансформатор 9.
Последовательность проведения эксперимента
Ввиду значительных затрат времени выхода на режим печь заранее
включает лаборант.
33
Студенты
С
ы включаают потен
нциометр
р, начинается автооматическкая запись температу
т
ур по толщ
щине одн
но- и двух
хслойной стенки. Н
На диаграаммной
ленте температтура кажд
дой точки
и фиксиру
уется под своим ноомером.
6
7
5
4
3
8
2
1
9
Ри
ис. 11. Схеема экспери
иментальной установвки: 1 – пеечь; 2 – каррборундовы
ый
наагреватель;; 3 – односслойный сввод; 4 – дввухслойный
й свод; 5 – термопар
ра;
6 – потеенциометр; 7 – лента;; 8 – термом
метр; 9 – аввтотрансфоорматор
Запись теемператуур ведут до дости
З
ижения сттационарного теп
плового
режим
ма, затем отключаю
ют потен
нциометр,, вынимаают диагрраммную
ю ленту
из поттенциометтра и запи
исывают температу
т
уру окруж
жающегоо воздуха tв.
О
Обработ
тка резу
ультато
ов экспеериментта
На диагрраммной ленте
Н
л
по номерам
м, соотвеетствующ
щим показзаниям
термоп
пар, и по
п цене деления
д
диаграмм
мной лен
нты (ширрина лентты соответсствует шккале потен
нциометрра) записы
ывают тем
мпературуу каждой точки.
П получ
По
ченным данным
д
сттроят граафики расспределен
ния темп
ператур
по толлщине одн
но- и двуухслойной
й стенки (примеррный вид графиковв показан на рис. 12).
П оси оррдинат отткладываю
По
ют темпер
ратуру, поо оси абсцисс – то
олщину
стенки
и (слоев) и расстояяния от вн
нутренней
й поверхн
ности стен
нки, на ко
оторые
заглуб
блены сооответствую
ющие террмопары.
34
По графи
П
икам опрределяют значени
ия темперратур внуутренней и наружноой поверххностей длля одно- и двухсло
ойной стеенки путеем продол
лжения
на графике лин
ний распределенияя температтур до перресеченияя с ордин
натами,
соотвеетствующ
щими толщине стеенок. На границе двух сслоев отм
мечают
темперратуру грраницы tгр.
t, oC
t, oC
δ, 10–3 м
δ, 10–3 м
а
б
Р 12. Сххема эксперриментальн
Рис.
ной установвки. Распрееделение теемпературы
ы
по толщине однослойн
ной (а) и двухслойно
д
ой (б) стенкки
Проводятт расчет удельных
П
у
тепловых
х потоковв и делаю
ют выводы
ы.
Д защи
Для
иты работты исполььзуют маттериалы лекций,
л
д
дополнитеельную
литераатуру; саамопроверрку провоодят по нижепри
иведенным
м контро
ольным
вопроссам.
Контр
рольныее вопро
осы и заадания
1. Что явлляется прризнаком стационаарного теп
плового ррежима?
2 Каким или каки
2.
ими споссобами пеередаетсяя теплота внутри стенок,
с
от пооверхностти стенокк к возд
духу? Напишите выражения для соответстввующих тепловых
т
потоков. В каком отношен
нии наход
дятся меж
жду собой этти потоки при стац
ционарныхх условияях?
3 Как рааспределяяются теемператур
3.
ры по толлщине од
дно- или многослойноой стенки
и?
4 От чегоо зависитт тепловоое сопроти
4.
ивление стенки;
с
срреды, окр
ружающей сттенку?
5 Что хаарактеризуют криттерии, применяемы
5.
ые в расччетах, каккие величины в них входят?
в
35
Лабораторная работа 7
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛО –
И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ОГНЕУПОРНЫХ
И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ ВСПЫШКИ
Цель работы: ознакомление с оборудованием и определением коэффициентов температуропроводности и теплопроводности огнеупорных и
теплоизоляционных материалов методом лазерной вспышки.
Краткие теоретические сведения
Знание теплофизических свойств материалов имеет решающее значение при разработке материалов и конструировании в любой отрасли
(см. прил. 7). Для точного и объективного измерения этих свойств требуется самое современное оборудование.
Коэффициенты температуро- и теплопроводности являются одними
из наиболее важных параметров веществ и материалов, поскольку позволяют описать процесс переноса теплоты в них.
Одним из широко распространенных методов определения теплопроводности является измерение:
– температуропроводности а;
– удельной теплоемкости ср;
– плотности ρ как функции температуры;
– последующий расчет теплопроводности λ из этих данных.
Температуропроводность – способность тела сопротивляться выравниванию температур.
Теплопроводность материалов λ, Вт/(м·К), характеризует их способность переносить тепло от более нагретых участков к менее нагретым с
помощью элементарных частиц.
Теплоемкостью ср называется количество тепла, необходимое для
нагрева тела на один градус.
36
Эти велич
Э
чины часто опредееляют с помощью
п
импульсного мето
ода лазерной
й вспышкки. Метод
д лазерной
й вспышкки (LFA) дает возм
можностьь быстро и точно проводить иззмеренияя температтуропровводности рразличны
ых объмпературо
о- и теплоопроводн
ности в ми
ировой
ектов. Около 800 % измеррений тем
ике провоодятся наа таком оборудова
о
ании. Прееимущесттвами это
ого мепракти
тода по
п сравнен
нию с пряямым меттодом изм
мерения коэффици
к
иента теп
плопроводноссти являю
ются просстые и мааленькие размеры
р
проб, болльшой ди
иапазон
измереений, выссокая точ
чность и воспроиззводимостть. В резуультате при
п небольш
ших интеррвалах вреемени отд
дельных измерени
ий возмож
жно за неесколько часов перекррыть болььшой диап
пазон тем
мператур.
С
Сущност
ть мето
ода лазе
ерной вспышк
в
ки
Нижняя сторона
Н
с
п
плоскопар
раллельно
ого образц
ца нагреввается кор
ротким
лазерн
ным импуульсом. Полученн
П
ное тепло
о распросстраняетсяя по обр
разцу и
вызыввает повы
ышение теемпературры его пр
ротивополложной вверхней поверхп
ности (рис. 13)..
Сигнаал температтуры
п времени
по
Лазеррная вспыш
шка
Рис. 133. Принцип
п работы усстановки LFA
L
457
Этот ростт темпераатуры со временем
Э
м измеряяется с поомощью инфраи
красноого детекктора. Исспользуя данную зависимоость, мож
жно расссчитать
темперратуропрооводностть α, а таккже во мн
ногих слуучаях уделльную теп
плоемкость ср матери
иала. Еслли известн
на плотно
ость ρ, тоо можно определи
ить и λ
как фуункцию температу
т
уры с послледующи
им расчеттом теплоопроводно
ости из
этих данных,
д
т.. е.
λ = α(Т
Т) · ср(Т) · ρ(Т).
37
На нижн
Н
ней сторооне тести
ируемого образца измеряеттся повы
ышение
темперратуры каак функция времен
ни. Матем
матическкий анали
из этой фу
ункции
темперратура/врремя позвволяет опрределить температтуропровоодность. Расчет
коэфф
фициента температтуропровоодности для
д адиабатических условий
й а определяяется по уравнению
у
ю
d2
а  0,1388 
,
t1/ 2
где d – диаметрр образца, см; t – время
в
под
дъема тем
мпературы
ы на 50 %,
% измеряетсяя на задан
нной повеерхности тестируем
т
мого обраазца, с.
d2
а  0,13888 
t1/ 2
Рис. 14. Расч
чет коэффи
ициента тем
мпературоп
проводностти
Вышеопи
В
исанный метод
м
зам
менит тру
удоемкое измерени
ие термических
парамеетров, тааких как подъем абсолютн
а
ной темпеературы и
или коли
ичества
теплотты на боллее точноое, прямоее и быстр
рое измеррение вреемени и относио
тельноого повыш
шения тем
мпературы
ы (рис. 14
4).
Описан
ние уст
тановки
и
На рис. 15–17
Н
1
покказаны об
бщий вид
д и компооненты усстановки по определеению коээффициен
нтов темп
пературоп
проводноссти и теп
плопровод
дности
огнеуп
порных и теплоизол
т
ляционны
ых материаалов метод
дом лазеррной вспыш
шки.
38
1
3
2
4
5
6
7
Рис. 155. Компонеенты прибоора LFA 45
57: 1 – измерительнаяя часть;
2 – ТА
А-контролллер; 3 – коомпьютер; 4 – принтеер; 5 – цирккуляционный термостатт; 6 – блоок питанияя лазера; 7 – блок пи
итания
установки
и
Рис. 16. Компоненты
К
ы прибора LFA 457.
4
Общий
й вид измерительн
ной части установки
у
«
«Лазерная
вспышка» LFA 457
39
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Рис. 17. Компоненты прибора LFA 457. Схема измерительной части установки «Лазерная вспышка» LFA 457: 1 – заливная горловина детектора; 2 – ИК-детектор; 3 – диафрагма; 4 – печь; 5 – держатель
образца; 6 – подъемный механизм печи; 7 – электроника; 8 – лазер;
9 – зеркало
40
Возможности установки:
– точная коррекция длины импульса;
– коррекция тепловых потерь, учитывается во всех заложенных математических моделях;
– нелинейная регрессия для экстраполяции по математической модели «Кована»;
– усовершенствованная математическая модель «Кейп-Лимана»
(с учетом мультиразмерной потери тепла и нелинейной регрессией);
– коррекция излучения для полупрозрачных образцов;
– двух- или трехслойные системы: анализ подразумевает нелинейную регрессию и рассмотрение тепловых потерь;
– определение контактного сопротивления в многослойных системах;
– определение теплоемкости, подразумевает сравнительный метод с
эталонными образцами;
– встроенная база данных.
Характеристики установки:
– температурный диапазон: от 20 до 1 100 оС;
– скорости нагревания и охлаждения: от 0,01 до 50 К/мин;
– мощность лазера 15 Дж/импульс (регулируемая мощность);
– бесконтактное измерение повышения температуры с помощью
ИК-детектора;
– диапазон измерений теплопроводности: от 0,1 до 2 000 Вт/м·К;
– диапазон измерений температуропроводности: от 0,01 до 1 000 мм2/с;
– размеры образцов: от 10 до 25,4 мм в диаметре (8×8 и 10×10 мм для
квадратных образцов) и толщиной от 0,1 до 6 мм;
– прободержатель: SiС, графит;
– атмосфера: инертная, окислительная, восстановительная, статическая, динамическая;
– вакуум-плотная конструкция до 10–2 мбар (1 Па).
Порядок выполнения работы
1. Подготовка образцов
Образцы для исследований подготавливают в лаборатории, специально оборудованной для работ по изучению механических и теплофизических свойств огнеупорных материалов.
Наполнитель, связующие вещества и дополнительные компоненты
для приготовления сырьевой смеси взвешиваются на высокоточных электронных весах ВЛТЭ–500, массовый состав компонентов раствора фиксируется в журнале проведения исследований. Все взвешенные компоненты
смешиваются в специальной чаше до однородной массы. Из полученной
41
массы при пом
мощи форм
мовочногго тигля изготавлливают ообразцы опредео
ленногго диаметтра (для установки
у
и LFA–457 диаметрр образцоов составл
ляет 10
или 166 мм, в заависимоссти от исп
пользуемого держ
жателя) и высоты (5
( мм).
Поверхности образцов
о
д
должны
б
быть
пло
оскопаралллельные, шлифованные.
На рисс. 18 покаазан тигелль для изгготовлени
ия образцов d =10 м
мм.
П
Полученн
ные образзцы просуушиваютт в печи. В каждом
м случае режим
сушки
и индивид
дуальный
й. После чего изм
меряют ди
иаметр, ттолщину, массу,
плотноость обраазцов с пооследующ
щим занессением даанных в ж
журнал пр
роведения экксперимен
нтов.
Д улуч
Для
чшения пооглощени
ия лазерн
ной вспыш
шки поверрхностью
ю материала его покры
ывают тоонким слооем графи
ита в видее спрея (ррис. 19), тем
т самым увеличива
у
ая степеньь черноты
ы поверхн
ности, макксимальн
но прибли
ижая ее
к степени чернооты абсоллютно черрного тел
ла.
Рис. 18. Ти
игель для формования
ф
я образцовв
Рис. 19. Сп
прей графи
итовый
2 Подгот
2.
товка и вкключениее установки LFA-457
Образец закладыв
О
з
ается в сп
пециальн
ный пробоодержателль (рис. 20,
2 21),
накры
ывается кррышечкой
й с кругглым отвверстием посереди
ине. Держ
жатель
ставиттся в касссету на 1–3
1 образзца, котор
рая закры
ывается п
поднимаю
ющейся
печью
ю.
З 20 мин
За
н до началла провед
дения эксспериментта необхоодимо вкл
лючить
питани
ие основн
ных блокоов устаноовки (рис. 15): 5 – термостат
т
т Julabo®
® FP 40,
6 – бллок питан
ния лазерн
ной вспышки Netzzsch Laserr power uunit 6.257.1-70.0,
7 – бллок питан
ния контроллера Netzsch
N
power unitt® 1.851.008. Такжее необходим
мо залитьь жидкий
й азот, исспользуем
мый для охлаждеения приеемного
датчикка – инфрракрасногго детектоора. На контроллеере термостата высставляется температу
т
ура охлаж
ждаемой жидкости
ж
25 оС.
42
Перед заапуском эксперим
П
э
мента в рабочем
р
п
пространс
стве печи
и надо
создатть инертн
ную атмоссферу. Этто достигаается путтем создан
ния разряяжения
в эксп
периментаальной зоне устаноовки с помощью вакуумногго насоса и продувани
ия инертн
ным газоом – аргооном со скоростью
с
ю 100 млл/мин. Сккорость
продуввки измен
няется с помощью
п
ротаметр
ра (рис. 22).
Р 20. Пррободержаттель для од
Рис.
дного образзца LFA 457
Рис. 21. Пррободержатель для тр
рех образцоов LFA 4577
Запускаем
З
м на ком
мпьютере (рис. 15, поз. 3), к котороому подкключен
контрооллер усттановки, специальн
с
ную прогграмму Netzsch®
N
L
LFA aniliee. Вводим исходные данные для
д измеррений: ти
ип пробод
держателяя, тип атм
мосферы, сккорость продувки,
п
, тип обрразцов, паараметры
ы образцоов, модель для
43
вычисления фи
изическихх величин
н, эталон для сраввнения, наастройки лазерной всспышки (коэффиц
(
циент уси
иления, пропускна
п
ая способ
бность фи
ильтра,
напряж
жение лаззера), врремя считтывания сигнала,
с
т
температу
урные сеггменты
измереений, колличество лазерных
л
х «выстреелов» в каждый
к
образец наа определенн
ных сегмеентах, скорость наагрева/охлажденияя и др. Поосле ввод
да всех
необхоодимых значений
з
проверяеем прави
ильность выполнен
ния всех вышеизложенных деействий и безопассность пр
роведени
ия испытааний, запу
ускаем
эксперримент.
В ходе проведени
п
ия экспери
имента необходим
н
мо визуалльно набл
людать
за раб
ботающим
м оборудоованием, с период
дичностью
ю в 2 ч пополнятть уровень жидкого
ж
а
азота
в деетекторе (рис. 23),, который
й испаряеется при охлажо
дении детекторра.
ис. 22. Ротааметр
Ри
V
V-100
by Voogtlin
Рис. 233. Пополнен
ние уровняя азота в деетекторе LF
FA–457
После заввершенияя измерен
П
ний питан
ние печи
и отключаается и с помощью продувки
п
печь с об
бразцами охлаждаается. При
и охлаждеении до 450 оС
можноо отключаать продуувку инерртным газзом, так как
к исклю
ючается во
озможность возгоран
ния графи
итового напылени
н
ия при попадании кислород
дсодержащей
й атмосфееры в раб
бочее проостранствво печи. При
П темп
пературе 160 оС
можноо отключаать питан
ние основн
ных блокков устаноовки.
3 Обрабоотка резуультатовв эксперим
3.
мента
Для обрааботки поолученныхх результтатов неообходимо запуститть проД
грамму Proteuss LFA Annalysis®, в которой
й проводи
ится аналлиз получ
ченных
44
данны
ых методоом сравнеения с этаалонным материаллом по зад
данной матемам
тическкой моделли:
– расчет температу
т
урной заввисимости
и удельноой теплоеемкости ср(Т);
– расчет температу
т
урной заввисимости
и теплопрроводностти λ(Т).
В полученные результаты
Все
р
ы можно представвить в вид
де графикков зависимости тепллофизичесских вели
ичин либо
о в виде таблиц
т
знаачений.
Т как определен
Так
о
ние коэфф
фициентаа темпераатуро- и ттеплопро
оводности длля большоого диапаазона температур требует
т
значительных затраат времени, то для ознакомле
о
ения с ап
ппаратуро
ой и метоодикой эттого испы
ытания
обычн
но огранич
чиваютсяя определлением зн
начений теемператууро- и теп
плопроводноссти одной
й-двух точ
чках.
Рис. 24. Пример
П
преедставлени
ия результаатов опредееления темп
пературои теплопровоодности в виде
в
графи
ика
Ниже при
Н
иведен прример преедставлен
ния получ
ченных даанных.
В резулььтате обрработки полученн
п
ных данн
ных комп
пьютернаяя программа графичеески пред
дставляет обработаанные реззультаты (рис. 24)..
45
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое температуропроводность?
2. Что такое теплоемкость?
3. Что такое теплопроводность?
4. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности?
5. Охарактеризуйте сущность метода лазерной вспышки (LFA).
6. От чего зависит теплопроводность изделий и материалов?
7. Как изменится назначение и использование огнеупорных материалов и изделий от их теплопроводности? Приведите примеры.
Лабораторная работа 8
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ
ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИЗГИБ
ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Цель работы: ознакомление с оборудованием и методом определения прочности на изгиб при высоких температурах.
Краткие теоретические сведения
Прочность при изгибе при высоких температурах определяется как
максимальное напряжение перед разрушением, возникающее в призмообразном испытуемом образце с определенными размерами в трехточечной
модели опыта.
Измерение модуля разрыва при повышенных температурах нашло
широкое распространение для оценки пригодности материалов к использованию при выбранных температурах. Многие потребительские компании
имеют спецификации, основанные на тестах этого типа. Вместе с другими
термофизическими свойствами этот очень важный параметр дает информацию о поведении огнеупорных материалов, применяемых для футеровки
печей.
Определение модуля разрыва при повышенных температурах стандартизовано в следующих международных стандартах: ISO 5013, EN 993-7,
DIN 51048.
46
Модуль разрыва определяется как максимальное усилие, которое
может выдержать прямоугольный образец заданных размеров, когда он
подвергается изгибу на трехточечном изгибающем устройстве.
Модуль разрыва представляет собой отношение изгибающего момента в точке разрушения (Mmax) к моменту сопротивления (W) и рассчитывается по следующему уравнению, вытекающему из закона Гука для упругих материалов:
MOR 
М max
F L
 1,5  max 2 s , [Н/мм2],
W
b  hs
где Fmax [Н] – максимальная сила в ньютонах при разрушении образца;
Ls [мм] – расстояние между опорами; b [мм] – ширина пробы; h [мм] –
высота пробы.
Модуль упругости (модуль Юнга) при разрушении определяется по
формуле
L3s  F
E
, [Н/мм 2 ],
3
4  f  b  hs
где F [Н] – нагрузка; Ls [мм] – расстояние от опоры изгибающего устройства; h [мм] – толщина пробы (равна высоте пробы); b [мм] – ширина пробы; f [мкм] – деформация.
Коэффициент эпсилон (деформация, %) характеризует сопротивление растяжению/сжатию материала при разрушении:
6h f
Epsilon 
100 %,
L2s
где Ls [мм] – расстояние от опоры изгибающего устройства; h [мм] – толщина пробы (равна высоте пробы); f [мкм] – деформация.
Выбор скорости увеличения нагрузки
По стандарту ISO 5013 (DIN 51048) предусмотрено увеличение изгибающего усилия на 0,15 Н/(мм2·с) +/– 10 % для материалов с пористостью
< 45 %. Для материалов с пористостью > 45 % (изоляционные материалы)
предусмотрено увеличение изгибающего усилия на 0,05 Н/(мм2·с) +/– 10 %.
Описание установки для определения прочности на изгиб (HMOR)
HMOR 422 сконструирован для непрерывного испытания с использованием трехточечного устройства изгиба с нагрузкой до 5 000 Н (60 Н/мм2)
и температурой до 1 500 оС (рис. 25).
47
Измеритеель изгиб
И
бающего усилия при
п высоккой темпеературе модели
м
HMOR
R 422 слуужит для определеения моду
уля разры
ыва при иззгибе огн
неупорных материало
м
ов для заданных температу
т
ур. Прибор позволяет проводить
непреррывное теестирован
ние образзцов (25×
×25×150 мм)
м под ллинейно возрасв
тающеей нагрузккой.
Рис. 25. Общий
О
вид
д установки
и HMOR 42
22 для опрееделения п
прочности
на изгиб по меж
ждународн
ным стандаартам
Установкка состоитт из измеерительно
У
ого и конттрольногоо блоков.
В состав измеритеельного блока
б
вхо
одят: изги
ибающее уустройствво (А);
печь (B
B); блок зоны
з
пред
дварителььного наггревания (C) и юсттировочно
ое устройствво (D) (ри
ис. 26).
Н
Наиболее
е сложнаяя и ответсственная часть
ч
изм
мерительн
ного блокка – изгибаю
ющее устройство, в состав кооторого входят:
в
– весы с коромысл
к
лом;
– скользяящий грузз, управляяемый шааговым дввигателем
м.
И
Изгибающ
щее устроойство рааботает в диапазон
нах измеррения 0 ... 500,
... 1 2550, ... 2 5000 ... 5 0000 Н, имееет 4-ступ
пенчатую скоростьь изменен
ния нагрузки
и: 12,5–8,0–4,5–2,00 Н/с, оди
инаковое изгибающ
щее усиллие во всеех диапазонаах нагруззки, спосообно генеерироватьь непреры
ывную наагрузку до
д максималььного знаачения в 5 000 Н. Кроме то
ого, в усттройстве осуществвляется
индикация нагррузки в ли
инейной шкале.
ш
П
Печь
(B) представвляет соб
бой специ
иальную камерную
ю печь для
д непреры
ывного тесстировани
ия. В ней
й имеетсяя зона преедварителльного наагревания и контейнеер для оттходов, в который
й собираю
ют разбиттые куски
и огнеп
шести н
нагреватеельных
упоровв. Нагреввание осуществляяется с помощью
48
элементов из SiC. В печи имеется устройство для перемещения пробы с
контролем положения единичного измерения. Контроль температуры ведется с помощью термопары типа S, автоматически производится запись
температуры.
1
2
Рис. 26. Общий вид установки HMOR 422:
1 – измерительный блок; 2 – контрольный блок
Увеличение нагрузки автоматически прекращается, когда тестируемый образец разрушается или когда достигается предварительно выбранная нагрузка.
Устройство нагрузки (рис. 27) работает как двойное коромысло. Два
главных подшипника установлены на двух стойках. Сила генерируется
перемещением управляемого шпинделем скользящего груза (1).
Продвижение скользящего груза происходит в четыре стадии. Во
всех областях измерения происходит постоянное увеличение изгибающего
усилия.
С помощью коннектора (2) область измерения может быть установлена между: 0 ... 500, ... 1 250, ... 2 500, ... 5 000 Н.
Указатель скользящего груза (3) (рис. 28) показывает нагрузку при
разрушении в линейной шкале.
Заданная нагрузка может быть выбрана предварительно с помощью
указателя селектора (4) (рис. 29).
Скользящий груз автоматически останавливается, когда достигается
предварительно выбранное значение.
При разрушении пробы балансир скользящего груза изгибается в направлении остановки при разрушении (5) и одновременно вызывает окон-
49
чательное выключение (6) (рис. 30). Мотор, движущий скользящий груз,
выключается, и груз немедленно останавливается.
2
2
11
Рис. 27. Устройство для наложения нагрузки: 1 – груз; 2 – коннектор
3
3
Рис. 28. Указатель (3) скользящего груза
4
4
Рис. 29. Указатель выбора (4)
50
Юстировочное усттройство (рис. 31)) предназзначено д
Ю
для определения
и конттроля полложения пробы
п
прри измереении. Если проба н
находитсяя в положен
нии измеррения (лежащей на гибкой опоре), сигнал
с
пеередаетсяя через
стержн
ни давлен
ния. Проб
ба готова для разру
ушения.
1
2
3
66
4
5
55
Рис. 30.
3 Остановка при раззрушении (5)
(
и конечн
ная остановвка (6)
6
Ри
ис. 31. Юсстировочноое устройсттво:
1 – датчик; 2 – направляяющая штаанга;
3 – защита нагревателей
н
й; 4 – нагр
ревател
льный элем
мент; 5 – ю
юстировочн
ный
мееханизм; 6 – рукояткка фиксато
ора
Пробы вставляют
П
в
тся в печ
чь через зону прредварительного нагрева
н
(рис. 32) с поомощью устройств
у
ва трансп
портировкки образца. Устройство
управлляется ручным коллесом.
1
preheatting zo
2specime
en tra
device
Ри
ис. 32. Зон
на предвари
ительного нан
гррева: 1 – зона предварительноого
наагрева; 2 – устройсттво транспоорти
ировки обрразца; 3 – руучное колеесо
3
ha
and wheel
Контролььный блокк установвки HMOR
К
R 422 (см
м. рис. 26)) позволяяет вести прооцесс исслледования прочности огнеу
упорных материал
м
ов при вы
ысоких
51
температурах. Он состоит из нескольких встроенных модулей, каждый из
которых выполняет только ему свойственную задачу (рис. 33).
load
5000N
+5
0
0
-5
1
2
3
safety
load rate
N/s
4.2
2
sample position
219
220
8
12.5
loading device
PGM
release
maximum load
N max.
1250 2500
500
5000
4
start
0
ENTER
breakage maximum
stop
power
return
5
Рис. 33. Встроенные модули контрольного блока
В табл. 11 приведена расшифровка модулей контрольного блока.
Таблица 11
Обозначения встроенного модуля контрольного блока
Номер
Назначение модуля
модуля
1
Добавочный модуль основной электроники для записи нагрузки образца с
помощью устройства измерения нагрузки
2
Добавочный модуль основной электроники для записи изгиба образца с помощью системы сканирования с индуктивным датчиком смещения
3
Встроенный драйвер для предварительной установки заданных скоростей
деформации с помощью блока драйвера, скорости деформации 10, 20, 50,
100, 500, 1 000, 2 000 µ/мин
4
Встроенный основной процессор с электроникой драйвера для шагового
двигателя изгибающего устройства
5
Встроенный процессор температуры с программируемой максимальной
температурой и дисплей максимального и текущего значений
52
На рис. 34 представлена схема основного встроенного блока, а в
табл. 12 – основные функции им выполняемые.
load rate
N/s
4.2
2
sample position
8
12.5
loading device
release
0
breakage
maximum
maximum load
N max.
1250
500
2500
5000
start
stop
return
Рис. 34. Передняя панель встроенного основного модуля
Таблица 12
Обозначения передней панели встроенного основного модуля
Обозначение
Функция
Комментарии
Скорость наПереключатель: увеличение изгигрузки (Н/с)
бающего усилия
Максимальная
Переключатель: максимальная на- Выбрать диапазон нагрузнагрузка Nmax
грузка
ки вручную, изменяя соединительные звенья
Положение
Светодиод загорается, если проба
пробы
находится в положении измерения
Нагрузочное
Светодиод показывает текущее поустройство
ложение груза
Старт
При нажатии кнопки начинается Если нагрузка поставлена
движение груза
в положение 0, нажимайте
При однократном нажатии груз пе- кнопку, пока нагрузка не
редвигается в положение 0
переместится в конечное
положение
Стоп
Нажатием кнопки движение груза
можно остановить
Вернуться
При нажатии кнопки груз перемес(return)
тится назад в нерабочее положение
53
Рис. 35 и табл. 13 раскрывают основные функции модуля предварительной установки заданных скоростей деформации.
Рис. 35. Передняя панель встроенного модуля
для предварительной установки заданных скоростей деформации
Таблица 13
Функции передней панели встроенного модуля
для предварительной установки заданных скоростей деформации
Обозначение
/мин
Постоянная деформация (constant
deformation)
Разгрузка (relief)
Стоп
Нагрузка (load)
Функция
Переключатель: скорость деформации
Положение светодиодов
Нажатием кнопки деформация снимается
Нажатием кнопки деформация прекращается
Нажатием кнопки деформация активируется
Рис. 36 и табл. 14 показывают функции и вид модуля контроля температуры.
На рис. 37 и 38 приведены схемы модулей записи нагрузки пробы и
записи изгиба пробы.
54
safety
219
220
ENTER
PGM
power
Рис. 36. Передняя панель встроенного модуля контроля температуры
Таблица 14
Обозначения панели встроенного модуля контроля температуры
Обозначение
Безопасность (safety)
Питание
Функция
Блок контроля температуры (отдельная инструкция)
Выключатель на блоке питания on/off
load
5000N
+5
0
0
-5
Рис. 37. Передняя панель
встроенного модуля
для записи нагрузки пробы
Рис. 38. Передняя панель
встроенного модуля
для записи изгиба пробы
55
Характеристики установки
Температурный диапазон – RT от 25 до 1 500 оС.
Нагревательный элемент – SiC.
Скорость нагрева – < 5 К/мин.
Опорная стойка изгиба – SiC.
Интервал нагрузок – от 1до 5 000 Н (в 4 скоростях 1,25…125 Н/с).
Интервал измерения изгиба – 1 000 μм.
Измерения температуры – Pt-PtRo термопары.
Размеры образца – 150×25×25 мм.
Система изгиба – трехточечный.
Атмосфера – воздух.
Постоянная деформация – от 10 до 2 000 μм/мин.
Порядок выполнения работы
Одновременно в печь можно поместить до 30 проб, для которых следует задать набор параметров до того, как они помещены в печь. В большинстве случаев единичные измерения делаются для одного и того же наименования или группы материалов.
Перед испытанием каждый образец измеряется электронным штангельциркулем подключенным к компьютеру. Информация о размерах образцов передается в программное обеспечение и фиксируется. Далее задаются параметры измерения (температура, нагрузка, скорость нагрузки) для
каждого образца в отдельности. При помощи механизма транспортировки
образец помещается на «рабочее» место и фиксируется при помощи датчиков юстирующего устройства на передней панели встроенного основного
модуля. После этого нужно дождаться выполнения заданных параметров
испытания (заданной температуры). После выполнения всех требований
заданного режима запускают измерения. Нагрузка на образец (рис. 39)
увеличивается с заданной скоростью до разрушения или заданной нагрузки образца. Увеличение нагрузки автоматически прекращается, когда тестируемый образец разрушается или когда достигается предварительно выбранная нагрузка.
Результаты измерения автоматически записываются и предоставляются в виде графика (рис. 40).
Ниже приведены примеры расчета результатов.
Пример 1
Проба: (Ш×В×Д) 25×25×150 мм.
Материал: пористость < 45 %.
56
Увеличен
У
ние изгиб
бающего усилия
у
(п
по стандаарту ISO): 0,15 Н/((мм2·с)
± 10 %.
%
М
Максимал
льная наггрузка: 5000 Н.
1
3
4
Рис. 39.
3 Принци
ип приложеения нагруззки
(метод
д трех точ
чек): 1 – нагружающ
н
щий
инструумент; 2 – термопарра; 3 – исп
пытуемы
ый образец;; 4 – рабочеее «место»
Рис. 40.. Пример прредставлен
ния результтатов опред
деления пррочности
н изгиб при
на
и разных теемператураах
Р
Расчет
трребуемой скорости
и увеличен
ния нагруузки вклю
ючает:
3F  L
2
  max 2 s , Н/мм
Н
;
2b  h
57
2

3Fmax  125
, Н/мм 2 ;
2
2  25  25
 1,5 F  125

, Н/(мм 2  c) ;
2
2
S 25  (25)  s
0,15  0,012
F
;
S
F 0,15

12,5, Н/c .
S 0,012
Выбрать скорость увеличения нагрузки 12,5 Н/с.
Пример 2
Если выбрана скорость увеличения нагрузки 8 Н/с, изгибающее усилие увеличивается следующим образом:
 1,5F  125

, Н/(мм 2  c) ;
2
S 25  (25)  S
 1,5  8  125

;
S 25  (25)2  S

 0,096, Н/(мм 2  c)
S
Пример 3
Проба: (Ш×В×Д) 25×20×150 мм.
Материал: пористость < 45 %.
Увеличение изгибающего усилия (по стандарту ISO): 0,15 Н/(мм2·с)
± 10 %.
Максимальная нагрузка: 500 Н.
Расчет требуемой скорости увеличения нагрузки выполняют по следующим формулам:
3F  L
  max 2 s , Н/мм2;
2b  h

1,5F  125
,

S 25  (20) 2  S
F
0,15  0,019  ,
S
F
0,15

 8 , Н/с.
S 0,019
Выбрать скорость увеличения нагрузки 8 Н/с.
58
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое прочность на изгиб?
2. Что такое модуль разрыва?
3. Каков принцип работы установки HMOR 422?
4. Приведите требования к подготовке образцов для испытания.
5. В каких международных стандартах стандартизировано определение модуля разрыва?
59
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Теплотехника металлургического производства : учеб. пособие для
вузов : в 2 т. / под ред. В. А. Кривандина. – М. : МИСиС, 2002. – Т. 1. – 608 с.
2. Теплотехника металлургического производства : учеб. пособие для
вузов / под ред. В. А. Кривандина. – М. : МИСиС, 2002. – Т. 2. – 736 с.
3. Юрков, А. Л. Огнеупоры и углеродистые катодные материалы для
алюминиевой промышленности / А. Л. Юрков. – Красноярск : Бона компании, 2005. – 258 с.
4. Теплотехника металлургического производства : учеб. пособие /
А. В. Прошкин, С. М. Тинькова. – Красноярск, 2007. – 144 с.
5. Огнеупоры для нагревательных и термических печей : справочник /
под ред. И. Д. Кащеева. – М. : Теплоэнергетик, 2002. – 240 с.
6. Ливийский, Ю. Е. Неформованные огнеупоры : справ. издание :
в 2 т. Т. 1. Кн. 1. Общие вопросы технологии / Ю. Е. Ливийский. – М. : Теплоэнергетик, 2003. – 448 с.
7. Огнеупоры: материалы, изделия, свойства и применение. Каталогсправочник : в 2 кн. / под ред. И. Д. Кащеева. – М. : Теплоэнергетик, 2003. –
336 с.
8. Кащеев, И. Д. Неформованные огнеупоры : Справ. издание : в 2 т.
Т. 2. Свойства и применение неформованных огнеупоров / И. Д. Кащеев,
М. Г. Ладыгичев, В. Л. Гусовский. – М. : Теплоэнергетик, 2003. – 406 с.
9. Новый справочник химика и технолога. Т. 3. Сырье и продукты
промышленности органических и неорганических веществ. – СПб. : Профессионал, 2002. – 988 с.
10. Кащеев, И. Д. Свойства и применение огнеупоров : справ. издание / И. Д. Кащеев. – М. : Теплотехник, 2004. – 352 с.
11. Жуковская, А. Е. Сравнение зарубежных и российских стандартов на методы испытания огнеупоров : справ. издание / А. Е. Жуковская,
И. Ю. Хлебников. – М. : Теплотехник, 2005. – 208 с.
12. Лисиенко, В. Г. Сооружение промышленных печей : справ. издание : в 3 т. Т. 1. Кн. 1, 2. Проектирование плавильных комплексов /
В. Г. Лисиенко, Я. М. Щелоков, М. Г. Ладыгичев. – М. : Теплотехник,
2006–2007.
13. Лисиенко, В. Г. Плавильные агрегаты: теплотехника, управление
и экология : справ. издание : в 4 кн. / В. Г. Лисиенко, Я. М. Щелоков,
М. Г. Ладыгичев. – М. : Теплотехник, 2005.
14. Симаков, Д. А. Тесты на стойкость к криолиту: методики и сравнение результатов / Д. А. Симаков, А. В. Прошкин, П. В. Поляков // Новые
огнеупоры. – № 2. – 2004. – С. 44.
60
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Классификация огнеупоров по химико-минералогическому составу
Типы
Группы
Кремнезёмистые
Из кварцитового стекла
Динасовые
Динасовые с добавками
Кварцитовые (бетонные и безобжиговые)
Алюмосиликатные
Полусиликатные
Шамотные
Муллитокремнизёмистые
Муллитовые
Муллитокорундовые
Глинозёмистые
Глинозёмоизвестковые
Магнезиальные
Магнезиальноизвестковые
Корундовые
Алюминаткальциевые
Известковые
Магнезиальношпинелидные
Известковые
Переклазохромитовые
Периклазовые (магнезитовые)
Периклазоизвестковые
Периклазоизвестковые
стабилизированные
Известковопереклазовые
(доломитовые)
Хромитопереклазовые
Хромитовые
Периклазошпинелидные
Периклазошпинельные
Шпинельные
61
Массовая доля определяющих химических
компонентов на прокаленное вещество, %
SiO2  97
SiO2  93
80  SiO2  97
SiO2  85
SiO2 < 85; Al2O3 < 28
28  Al2O3  45
< Al2O3  62
62 < Al2O3  72
72 < Al2O3  90
Al2O3 > 90
Al2O3 > 65
10 < CaO < 35
MgО  85
50 < MgО < 85
10 < CaO < 45
35< MgО  75
CaO: SiO2  2
15 < CaO  40
10 < MgО  50
45  CaO  85
CaO  85
MgО  85
5  Cr2O3  20
40  MgО < 60
15 < Cr2O3< 35
MgО < 40
Cr2O3 > 30
50  MgО  85
5  Cr2O3  20
Al2O3  25
MgО > 40
5  Al2O3  55
25  MgО  40
55 < Al2O3 < 70
Типы
Магнезиальносиликатные
Группы
Периклазофорстеритовые
Форстеритохромитовые
Хромистые
Цирконистые
Хромоксидные
Бадделитовые
Бадделитокорундовые
Цирконовые
Оксидные
Углеродистые
Карбидкремниевые
Бескислородные
Специальные из огнеупорных оксидов:
BeO; MgO; CaO; Al2O3; Cr2O3; V2O3; Sc2O3;
SiO2; SnO2; ZrO2; HfO2; ThO2; UO2; CsO2
и др.
Графитированные
Угольные
Углесодержащие
Карбидкремниевые
Карбидкремнийсодержащие
Из нитридов, боридов, карбидов, силицидов и других бескислородных соединений
(кроме углеродистых)
62
Массовая доля определяющих химических компонентов на
прокаленное вещество, %
65 < MgО < 85
SiO2  7
50  MgО  65
25 SiO2  40
45  MgО  60
20  SiO2  30
5  Cr2O3  15
Cr2O3  90
ZrO2 >90
20  ZrO2  90
Al2O3  65
ZrO2 >50
SiO2 >25
Содержание перечисленных оксидов не
ниже 98 % по сухой
массе
С > 98
С > 85
8  С  82
SiС > 70
15 < С  70
Максимально достижимое содержание
бескислородных соединений
Группы
,
кг/м3
Кремни- Динасовые
1 840–1 970
земистые
Алюмо- Шамотные
1 830–1 950
силикатные Муллито2 340–2 520
вые
Глинозё- Корундовые
2 890–3 120
мистые
Магнези- Периклазо2 600–2 800
альные вые
Магнези- Смолодоально- ломитовые
2 680–2 800
извест- безобжиговые
ковые
Магнези- Переклазоально- хромитовые 2 950–3 040
шпине- Хромитолидные периклазо- 2 900–3 150
вые
Хромито3 000–3 200
вые
Типы
Тн.р,
о
С
,
Вт/(м·оС)
С,
кДж/(кг·оС)
63
–
15
–
0,6–0,8
1–1,2
1,2–1,4
0,7–1,4
0,5–1,6
Т106, Е10–5,
о –1
С
МПа
1,08–1,15
(20–1 000 оС)
1 700
0,4
–
0,85–0,9
8,5–10
( 1 700 оС)
0,93–0,98
8–10,7
(500–1 100 оС)
0,67 + 4,810–4
0,93–1110–5Т
9–12 0,2–0,3
3
–2 1 650–1 700
(100–1 500 оС)
Т + 2,8310 Т
1 850–2 050 1 400–1 600 1,28+4110–5Т 0,84 + 2910–5Т 1 650–1 700
1 920–2 000 1 450–1 530 2,04–38,410–5Т
1 500–1 690 2,58–7010-5Т
0,68 + 28,210–5Т
1 300–1 400
(1 000–1 900 оС)
1 800–1 900 1 410–1 450 3,5–10810–5Т
2 000
1,05 + 2910–5Т
2 200–2 400 1 500–1 700 4,7–18010–5Т
1 950–2 000 1 750–1 800 2,1+1,9010–5Т 0,79 + 42,110–5Т
1 800–1 600 1 510–1600 1,12+44,410–5Т 0,84 + 25,110–5Т
1 580–1 750 1 300–1 400 0,84+5810–5Т 0,88 + 2310–5Т

0,82–1510–5Т
16–20
(400–1 500 оС)
0,95–2410–5Т
2,5–8
1 200–1 400
(< 2 000 К)
0,7–1610–5Т
1 600–1 650
4,6–5,8
(400–1400 оС)
0,7–2310-5Т
1 650–1 800
6–8
(200–1 600 оС)
0,4–0,6
1 650–1 700
11–14
(600–1 600 оС)
Т рабмакс, С
1 690–1 720 1 640–1 660 1,23+7010–5Т 0,837 + 7010–5Т 1 650–1 700
Тогн,
о
С
Свойства огнеупоров, наиболее широко используемых в печах
Приложение 2
Форстеритовые
Магнезиальносиликатные
Хромистые
Цирконистые
Карбид- Карбидкремкремниениевые вые
Цирконовые
Углеро- Графитодистые вые
Коксовые
Бакор-41
Тогн,
о
С
Тн.р,
о
С
,
Вт/(м·оС)
С,
кДж/(кг·оС)
Т рабмакс, С
1830
1750
2000
2500
1350–1600
2350–2540
2000
1600–1650
1700–1800
1900
1900
1600–1800
–
–
–
–
4,5–6,4
6
5–7
2,5
1,38
1,25
1,5
7,5–8,5 0,2–0,4
10,7
Т106, Е10–5,
о –1
С
МПа
0,4–0,5
5,9–8,7
(1 300–1 900 К)
0,7–0,85
–

64
32,6–13,910–5Т
0,22+10,910–5Т
–5
1800–2000
4,5–5,2 1,5–2,2
0,963+14,610 Т
(1 200–3 000 К)
( 1 300 оС)
162,8 –
0,89 + 41,910–5Т 1450–1570 0,57+9,510–5Т 2,6–6,7 0,6–0,9
407010-5Т
0,93 – 0,9
23,2+3 50010–5Т 1,42 + 1910–5Т
1950–2000
3,7–5,8 1–1,5
( 400 оС)
(< 1 000 С)
( 400 оС)
0,63 + 1310–5Т 1900–2000
1800
1750
0,54 + 1310–5Т 2000–2300
0,78 (25 оС)
0,65 + 23,310–5Т
(500–1 900 К)
2,2–4,2
0,64 + 22,510–5Т
(500–1 900 К) (500–1 900 К)
1,63+2,9110–5Т
3480–3830 2000–2300 1500–1650 1,3+6410–5Т
3600–3800
1740
1650–1700 1,3 + 6410–5Т
2500
1810
1750–1780
2000
4,07–71,510–5Т
( 500 С)
2620–2820 1830–1920 1550–1680 3,5–18610–5Т 0,89 + 41,910–5Т 1450–1570
,
кг/м3
Хромок4400–4500
сидные
Бадделито5100–5630
вые
Бакор-353
3400–3500
Группы
Типы
Приложение 3
Свойства легковесных огнеупорных материалов и изделий
Тип и марка
изделия
ПлотТеплоемкость
Теплопроводность ,
С,
ность ,
Вт/(м·К)
кДж/(кг К)
кг/м3
1,19 (300–1 700 К)
1 120–1 200
0,58+37,510–5Т
Динасовые ДЛ-1,2
Шамотные и полукислые:
ШЛА-1,3
1 250–1 300
ШЛ-1,3
1 260–1 300
ШКЛ-1,0
1 000
ШЛ-0,9
800–900
ШТЛ-0,6
540–600
ШТЛ-0,4
300–400
Муллитокремнезёмистые:
МКРЛ-1,0
950–1 000
МКРЛ-0,5
450–500
Корундовые КЛ-1,1 1 050–1 100
Муллитовые
1 240–1 260
МЛЛ-1,3
Маты каолиновые
150
МТК
Плиты из каоли200
новой ваты
Плиты из муллитокремнезёмистой
350
ваты МКРВ-350
Ткань из кварцевого волокна тол- 0,34 кг/м2
щиной 0,4 мм
Графитовый уг40–120
леродистый войлок
0,47+13,810–5Т
0,47+13,710–5Т
0,33+29,710–5Т
0,291+20,410–5Т
0,1+11,910–5Т
0,058+14,310–5Т
1,16 (300–1700 К)
1,19 (300–1700 К)
1,17 (300–1700 К)
1,17 (300–1700 К)
1,17 (300–1700 К)
1,17 (300–1700 К)
Трабмакс,
К
1 800
1 650
1 550
1 650
1 450
1 400
1 400
0,35–0,4 (600–900 К)
0,55 (600–900 К)
1,064 + 74,210-5Т
( 1800 К)
То же
1,14 + 55,9710–5Т
0,5–0,6 (600–900 К)
0,84 + 21,610–5Т
1 800
0,18–0,34 (900–1 300 К)
1,22
1 350
0,14+83,110–12Т
( 2 300 К)
1,22
1 350
0,2–0,4 (900–1 300 К)
1,05–1,1
(350–1 300 К)
1 400
0,6–0,65 (600–900 К)
1 700
1 550
1 800
01,2–0,29 (500–1 300 К) 0,88 + 14,810–5Т 1 300–1 400
0,4–1,5 (1 300–2 300 К) 0,8 + 125,710–5Т
65
2450
Приложение 4
Некоторые виды волокнистых огнеупорных материалов и их основные свойства
Наименование и марка
материала
или изделия
Вата МКВР
Рулонный
материал
МКРР-130
Плиты на органической
связке МКРП-340
Войлок МКРВ-200
Плиты на основе ваты
и глинистой связки
ШВП-350
Температура приТеплопроводность, Вт/(м·оС),
менения, оС, в ка- Объпри средней температуре
честве
ёмная
рабочего тепло- масса,
огнеупо- изоля- г/см3 200 400 600 800 1 000 1 200
ра
ции
–
1 150
0,1 0,08 0,12 0,17 0,29 0,47 0,79
–
1 150
0,13
0,14 0,17 0,22 0,31 0,50 0,79
600
1 150
0,34
0,15 0,19 0,23 0,29 0,40 0,53
850
1 150
0,20
0,09 0,12 0,14 0,20 0,33 0,58
1 200
1 200
0,35
0,15 0,17 0,19 0,23 0,29 0,43
Приложение 5
Свойства теплоизоляционных материалов и изделий
ПлотТеплопроводТеплоемкость
ность
Наименование и марка
ность , Вт/(м· К) С, кДж/(кг К)
, кг/м3
Асбест хризотиловый распушенный
0,82–0,85
150 0,039+12,410–5Т
0,85–0,85
400–500 0,106+12,410–5Т
–5
Вата стеклянная в набивке
130–170 0,04+2110 Т 1,48+37,6810–5Т
Маты из штапельного стеклово0,84
80
0,042+21,910–5Т
локна МРТ-50
Маты прошивные из минеральной
150–200 0,049+13,310–5Т
0,92
ваты ВФ-75
Пенодиатомитовые изделия ПД-400 365–420 0,078+16,510–5Т
0,84
–5
Перлит вспученный
150 0,054+13,910 Т
–
Перлитокерамические
изделия
–
250 0,061+13,510–5Т
марки 250
Перлитофосфогелиевые
изделия
марок:
200
200 0,064+10,910–5Т
–
–5
300
300 0,087+10,910 Т
–
Плиты минераловатные на битумной связке марок:
200
200
0,82
0,92
300
300
0,93
0,92
Полуцилиндры минераловатные на
–5
150 0,078+16,510 Т
0,92
синтетическом связующем
Войлок технический грубошерстный 170 0,054+13,910–5Т
1,88
–5
Торфяные плиты
2,1
150 0,061+13,510 Т
66
Трабмакс,
К
900
900
750
800
900
1 200
1 200
1 200
900
900
350
350
700
400
400
Приложение 6
Теплофизические характеристики огнеупорных и теплоизоляционных материалов
Наименование
материалов
Плотность ρ,
кг/см3
Строительный (красный) кирпич
Шамотный кирпич
Динасовый кирпич
Магнезитовый кирпич
Термостойкий хромомагнезитовый кирпич
Диатомитовый кирпич
Корундовые (алундовые) изделия
Графитовые изделия
Пеношамот
Пеношамот
Динасовый пенолегковес
1 400–1 600
1 800–1 900
1 900–1 950
2 600–2 800
Удельная тепло- Коэффициент теплоемкость с, 103
проводности λ,
Дж/(кг·К)
Вт/(м·К)
0,92
0,814 + 0,465·10–3t
0,879 + 0,230·10–3t 0,837 + 0,582·10–3t
0,837 + 0,251·10–3t 0,930 + 0,698·10–3t
1,047 + 0,293·10–3t 4,650 - 1,745·10–3t
2 750–2 850
–
4,070 - 1,105·10–3t
600
0,92
0,145 + 0,300·10–3t
2 600–2 900 0,795 + 0,419·10–3t 2,090 + 1,861·10–3t
1 600
1,256
162,7 - 40,70·10–3t
950
0,867 + 0,420·10–3t 0,279 + 0,233·10–3t
600
0,867 + 0,420·10–3t 0,1047 + 0,1454·10–3t
1 200
–
0,547 + 0,299·10–3t
Примечание: в расчетных выражениях для с и λ температура t дается в оС.
Приложение 7
Физические параметры сухого воздуха при 101,3 кН/м2 (760 мм рт. ст.)
t, 0C
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
120
140
160
180
200
250
300
350
400
ρ, кг/м3
1,293
1,247
1,205
1,165
1,128
1,093
1,060
1,029
1,000
0,972
0,946
0,898
0,854
0,815
0,779
0,746
0,674
0,615
0,566
0,524
с, 103Дж/(м3·К)
1,298
1,298
1,298
1,298
1,298
1,298
1,298
1,302
1,302
1,302
1,302
1,302
1,302
1,304
1,304
1,306
1,310
1,315
1,321
1,327
λ, Вт/(м·К)
2,44
2,54
2,59
2,67
2,76
2,83
2,90
2,97
3,05
3,13
3,21
3,34
3,49
3,64
3,78
3,93
4,27
4,61
4,91
5,81
67
α, 10–6м2/с
19,8
20,1
21,4
22,9
24,3
25,7
27,2
28,6
30,2
31,9
33,6
36,8
40,3
43,9
47,5
51,4
61,0
71,6
81,9
93,1
v, 10–6м2/с
13,28
14,16
15,06
16,00
16,96
17,95
18,97
20,02
21,09
22,10
23,13
25,45
27,80
30,09
32,49
34,85
40,61
48,88
55,46
63,09
Pr
0,707
0,705
0,703
0,701
0,699
0,698
0,696
0,694
0,692
0,690
0,688
0,686
0,684
0,682
0,681
0,680
0,677
0,674
0,676
0,678
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………….
Лабораторная работа 1. Исследование керамических свойств
огнеупорных пород……………………
Лабораторная работа 2. Исследование огнеупорности
огнеупорных материалов…………….
Лабораторная работа 3. Исследование физических свойств
огнеупорных изделий…………………
Лабораторная работа 4. Исследование термической
стойкости огнеупоров…………………
Лабораторная работа 5. Определение коэффициентов
теплопроводности огнеупоров
по методу стационарного
теплового потока………………………
Лабораторная работа 6. Передача теплоты через стены
при стационарных условиях………….
Лабораторная работа 7. Исследование теплои температуропроводности
огнеупорных и теплоизоляционных
материалов методом лазерной
вспышки ………………………….……..
Лабораторная работа 8. Исследование прочности
огнеупорных материалов на изгиб
при высоких температурах…………..
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………………..
ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………….
Приложение 1…………………………………………………………
Приложение 2…………………………………………………………
Приложение 3…………………………………………………………
Приложение 4…………………………………………………………
Приложение 5…………………………………………………………
Приложение 6…………………………………………………………
Приложение 7…………………………………………………………
68
3
4
11
17
19
23
30
36
46
60
61
61
63
65
66
66
67
67
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа