烧结矿和球团矿热物性参数试验测量及分析

刘丁赫，周 托，樊保国，孙瑞彬，李泽鹏

（1太原理工大学 电气与动力工程学院 太原 030024；2清华大学能源与动力工程系 北京 100084）

引言

我国钢铁企业烧结工序能耗约占钢铁企业总能耗的15%，仅次于炼铁工序；1 t 烧结矿所携带的余热资源约为0.94～1.02 GJ，占钢铁企业余热资源总量的11%～12%[1]，通过余热回收装置进行余热回收是加强二次能源回收利用的重要措施。烧结矿的热物性参数对于余热回收的特性具有重要影响，近年来随着余热回收工艺的不断发展，对热物性参数的精确测量提出了新的要求。

近年来国内外学者对于烧结矿的热物性进行了一系列研究，Caputa 等[2,3]提出了一维稳态数学模型，对烧结矿的物性参数进行了假设，提出了有效导热系数的概念。Akiyama 等[4]人用改进的激光闪射法测量了致密和多孔性铁矿团的热扩散系数和导热系数，得到温度会对导热系数与热扩散率造成很大影响。Abzalov等[5]人还测定了在一定温度和加热速率范围内，由压缩磁铁矿组成的小圆筒的导热系数。Wang等[6]测得了烧结混合料化学反应动力参数，得到指前因子与活化能及烧结混合料比热随温度变化的规律，但未给出导热系数的测量方法。王景甫[7]测量了某种烧结矿的真密度，空隙率及有效导热系数，得到在一定温度范围内，烧结成品矿固体导热系数与温度呈现一定的线性关系，该温度区间为烧结成品矿冷却温度。由于烧结矿为典型的不规则多孔介质，孔隙结构以及孔隙率等都会对导热性能产生影响，导热系数难以测量，因此在模拟及工程应用时大多都采用经验值。激光闪射法测量热扩散系数由于测定范围广、温度高、速度快、测定过程可以在惰性气体或真空环境下进行目前得到广泛应运；热同步分析仪测量比热容由于测温区间较宽、操作简单、分辨能力与灵敏度高等优点也得到了广泛的应用。

本文运用激光闪射法与热同步分析仪测量了我国某钢铁厂烧结矿和球团矿的热扩散系数以及比热容随温度变化的规律，并通过计算得到了它们的导热系数随温度变化的规律，以期为进一步研究烧结矿和球团矿的传热特性提供参考。

1 试验原理

已知材料的热扩散系数、比热容及体积密度，可由下列公式求出材料的导热系数[8]：

式中：λ——导热系数，W/mK；

α——热扩散系数，m2/s；

CP——比热容，J/kgK；

ρ——体积密度，kg/m3。

本文中采用激光闪射法测量烧结矿和球团矿的热扩散系数[9-11]，在绝热环境下，对一个厚度为L的薄圆形试样正面垂直进行激光脉冲辐射Q，在一维热流条件下测得试样背面温度随时间变化的曲线T(L,t)，计算温度变化到最大值的时间，求出热扩散率。测试原理如图1所示。

图1 激光闪光法测量热扩散率原理模型

热扩散率计算公式为：

式中：α——热扩散系数，m2/s；

L——样品的厚度，m；

t1/2——样品背面温度达到最大值的一般所需时间，s。

本文中采用热同步分析仪，测量烧结矿和球团矿的比热容[12,13]，将待测试样放入热分析仪内，测量在100～800 ℃范围内随着温度变化的热流，并通过与已知比热的蓝宝石样品进行对比，通过计算求出比热容，比热容计算公式为：

式中：CP——待测样品在温度T时的比热，J/gK；

CPS——标准样品在温度T时的比热，J/gK；

m,mS——待测样品和标准样品的质量，mg；

Φ，Φs——待测样品和标准样品在温度T时的热流，mW。

2 试验

2.1 试验样品准备

试验所用的试样来自国内某钢铁厂的矿料，图2、3为试验采用的烧结矿和球团矿。

图2 烧结矿

通过水浸法对密度进行多次测量取平均值得到烧结矿的密度为3.4 g/cm3，球团矿的密度为4.3 g/cm3。试验测量前对待测样品进行制样，测量热扩散系数的烧结矿和球团矿试样为薄的正方形状试样，试样厚度为2 mm，试样宽度为10 mm；测量比热的烧结矿和球团矿试样为薄的圆形试样，试样厚度为1.5 mm，试样直径为5 mm。

2.2 试验装置

测量热扩散系数装置主要包括闪射源、立式真空加热炉、信号测量系统、样品支架、温度反应探测器和数据采集系统等组成。

立式真空加热炉为管状结构，将制好的试样固定在试样支架上，放置于真空加热炉内，其中试样支架应与脉冲激光同轴，温度探测器与试样背面中心同轴，当脉冲激光从装置底部发出辐射照射到试样下表面，信号测量系统从试样上方测量温升信号。

信号测量系统采用红外辐射测温的方式测量样品背面温升信号，该方式的优点为不接触试样即可得到温度的变化，避免了接触测温可能破坏样品表面的弊端，为标准样品的测量提供保障。信号测量系统主要包括红外探测器、信号放大器、触发探测器、采集器等。

样品支架以用于固定试样，一般采用立式固定的方法放置于真空加热炉内，防止支架在高温环境下变形而导致试样位置偏移，对最终测量结果造成影响，另外支架采用镂空设计，以减小导热截面积。支架的材料一般选用耐高温的钢玉或则石墨。

本试验测试过程中闪光源采用激光脉冲，其中能量脉冲辐射到式样表面时 能量应特别均匀，避免出现热斑现象对测量结果造成影响，激光脉冲加热原理如图4所示。

图4 激光脉冲加热原理

图4中，激光从激光器内水平射出，经过准直调节器和光斑形状调节器之后入射到半反镜片，大约90%的能量会反射照射样品，对样品进行脉冲加热；10%的能量透过镜片照射到触发探测器上，形成触发信号。其中准直调节器可以调节光斑大小，以满足不同直径样品圆片的需求，光斑形状调节器可以调节不同形状的光斑，以满足不同形状测量样品的需求。

热同步分析仪主要由天平系统、炉体系统、程序控温装置、记录仪等几个部分组成。分析仪测定试样的比热一般需要3 个步骤[14]，首先选择质量相同的两个Pt 坩埚作为样品和对比物放入仪器支架，在测量的温度区间范围内，以一定升温速率进行程序升温，并同时通入恒定流量氦气，可以得到对比端和样品端两者之间热流差和温度的关系，即为测试的基线数据；之后将蓝宝石标样放入样品端空坩埚内，对比端空坩埚保持不变，与基线测量保持一样的程序升温过程和通入恒定流量的氦气，可以得到对比端（空坩埚）和样品端（坩埚+蓝宝石）之间的热流差和温度的关系；最后取出样品端坩埚内蓝宝石，将待测样品（烧结料）放入坩埚内，保持相同的升温过程，测试对比端（空坩埚）和样品端（坩埚+待测样品）之间的热流差和温度的关系。根据公式（3）即可计算出任意测定温度下待测样品的比热数据。

2.3 试验方法

本文测定样品热扩散系数的实验仪器为德国NETZSCH 公司生产的LFA 457型闪射法导热仪，在激光闪射法测量之前，采用非常薄且均匀的石墨对试样的两个面进行处理以提高试样吸收能量的能力。在室温下测量样品厚度，然后试样安装在支架上，试样装入支架后应与脉冲激光同轴，遮光圈和激光束覆盖试样，温度反应探测器应与试样背面中心同轴，之后进行抽真空处理。试验测量热扩散系数的条件为100～800 ℃，每隔100 ℃测定一个热扩散系数。在真空度达到10-3Pa 量级时，设定测试温度，调节激光器能量，对样品进行加热，小的薄片试样受到高强度短时能量脉冲辐射，试样正面吸收脉冲能量使背面温度升高，根据试样厚度及背面温度达到最大值的某一百分率所需时间计算出试样的热扩散系数。

本文测定样品比热容的实验仪器为德国某公司生产的STA 449 F3 型同步热分析仪，温度范围为-150 ℃～1000 ℃，吹扫气体为高纯度氦气，流速设定为60 mL/min。样品先在30 ℃下恒温25 min，之后对样品进行加热升温，升温速率为20 ℃/min，最终设定温度为800 ℃，到达设定温度后再恒温25 min，用氮气作为保护气进行冷却，同时对同一样品进行下一次测试，取平均值作为结果。

3 结果与讨论

3.1 温度对热扩散系数的影响

温度100～800 ℃（每隔100 ℃）烧结矿和球团矿的热扩散系数见表1，温度对热扩散系数的影响如图5所示。

表1 不同温度下烧结矿和球团矿的热扩散系数

图5 温度对烧结矿和球团矿热扩散系数的影响

由图5 可知，烧结矿和球团矿的热扩散系数随着温度的升高均呈现逐渐下降的趋势，其中球团矿的热扩散系数相比于烧结矿下降趋势更为明显，其原因为球团矿为典型的密度团矿，热扩散能力更强，而烧结矿为不规则的多孔介质，孔径大小以及孔隙率都会对热扩散率产生影响[15]。在100～500 ℃范围内，烧结矿的热扩散系数明显低于球团矿，随着温度的不断升高，烧结矿和球团矿的热扩散系数越来越接近，当温度大于700 ℃时，烧结矿的热扩散系数大于球团矿的热扩散系数。

3.2 温度对比热容的影响

温度100～800 ℃两种烧结料的比热容如表2所列，温度对比热容的影响如图6所示。

表2 不同温度下烧结矿和球团矿的比热容

图6 温度对烧结矿和球团矿比热容的影响

由图6 可知，烧结矿和球团矿的比热容随温度变化的趋势基本一致。烧结矿和球团矿的比热容首先逐渐升高，在温度达到650～700 ℃时达到最大值，分别为1.06 J/gK 和0.99 J/gK；随着温度的进一步升高，两种矿料的比热容开始降低。造成比热容降低的原因是在600 ℃和700 ℃的温度区间范围内，烧结矿和球团矿内部发生部分熔融相变，导致比热容的减小[16-18]。

3.3 温度对导热系数的影响

通过水浸法测量烧结矿和球团矿的密度分别为3.4 g/cm3和4.3 g/cm3，利用公式（1）计算了温度100～800 ℃内烧结矿和球团矿的导热系数如表3所列，温度对导热系数的影响如图7所示：

表3 不同温度下烧结矿和球团矿的导热系数

图7 温度对烧结矿和球团矿导热系数的影响

由图7 可知，两种烧结料的导热系数随温度的升高而下降，由于热扩散系数随着温度的升高逐渐降低，其根本原因还是烧结料会发生熔融现象，导致部分相变，导热系数下降[16-18]。随着温度的升高，球团矿的导热系数随温度变化下降的更快，烧结矿的导热系数下降趋势较为平缓，100～600 ℃范围内，球团矿的导热系数远大于烧结矿，导热性能优于烧结矿。

4 结论

通过试验测量了烧结矿和球团矿的热扩散系数以及比热容，计算了两种烧结料的导热系数，研究了以上三个热物性参数与温度的关系，得出如下结论：

（1）烧结矿和球团矿的热扩散系数随着温度的升高而降低，在同一温度下，球团矿的热扩散系数大于烧结矿。

（2）烧结矿和球团矿的比热容随着温度的升高先呈现上升趋势，在650～700 ℃达到最大值，随着温度进一步升高，其内部发生部分熔融相变，比热容降低。

（3）烧结矿和球团矿的导热系数随着温度的升高而减小，同一温度下球团矿的导热性能优于烧结矿。