一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置及方法，解决了一般快速测试透明/半透明介质高温条件下辐射传热对导热系数测量的影响问题，并且实现了对冶金熔渣不同温度下导热系数的快捷测试，可以在短时间内一次性测量材料在55℃‑1300℃温度范围内的不同温度条件下导热系数情况，并得到温度‑导热系数曲线；本方法在测试过程中可对真空度进行控制，同时利用高分辨率红外测温系统以及内置热电偶对实验过程中的温度情况进行原位记录并存储；该方法具有测试范围广，测试速度快，待测试样制备方便等特点，为测试和研究材料的物理性能提供了一种更快捷、实用的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置及方法
本专利技术属于材料热物理性能测试
，尤其涉及一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置及方法。
技术介绍
材料是人类社会发展的基础，影响着人类社会能源、环保、生物、医学、航空航天等方方面面，材料科学的发展往往意味着人类社会的发展。材料的热物理性能研究是材料科学研究的重要组成，其中主要包括对材料的导热系数研究、热扩散系数研究、热容研究等等。本专利技术即是针对材料导热系数研究的一种方法。材料的导热系数通常以希腊字母λ表示，其标准单位为瓦特/米·开(W/(m·K))。材料的导热系数是材料的一种本质属性，与材料的形状、大小无关，而只与其本身组织结构，温度等因素有关。一些常见材料20℃下导热系数情况如下表1-1所示：表1-1常见工程材料的导热系数目前，材料导热系数的测量主要有物理测试与计算机仿真模拟测量两种方法，其中计算机仿真模拟测量由于需要待测材料的大量物性参数以及测量准确性不高等原因导致其发展较为缓慢；而物理测试的方法相对于计算机仿真模拟测量有着便捷、直观和较为准确的特点，被广泛应用于科学研究。物理测试材料导热系数有稳态导热系数测试方法和非稳态(瞬态)导热系数测试方法两种，根据待测试样形状的不同可以分为平板法，棒状法，热线法，圆柱法、圆球法等，而根据测试过程中热量在待测试样的传导方向的不同，又可以将测试分为纵向法和横向法。本专利技术的一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置及方法按照以上的分类方式及属于一种稳态热流圆柱体纵向导热系数测试方法。Stalhane和Pyk在1931年率先实现了基于瞬态热线法对材料导热系数的测量，被认为是该领域的先驱；Haarman于1971年提出通过惠更斯电桥实现双热线法的应用；随后Gustafsson等人与HuangLihan等人先后推出瞬态平板法，该测试方法对材料的适用性较好，但是瞬态平板法对测试探头的要求极高，另外非稳态方法的测试结果的波动也普遍较大，测试结果的重复性也不如稳态法；ASTM(美国材料实验协会)早期提出过一种热流计法，该方法测试过程便捷，计算简单，但是对样品形状、状态的要求较多，且对实验设备的制造精度要求极高；Mahanta等率先提出解决针对辐射传热对导热系数影响的材料导热系数测量的双端热流计法，一定程度上解决了对透明介质导热系数(特别是高温导热系数)测量误差较大的问题，但其采用的灰体辐射传热模型计算得到传热结果不够准确，测试导热系数的测试结果还有进一步提升的空；在国内，杨家健等和聂潜超等对热流计法也分别进行了改良，减少了测试过程中的热流损失，并充分考虑到了接触热阻对测试结果精度的影响。总体来说，到目前为止材料导热系数的测量已经有了很大的发展，主要存在的问题有：a.材料高温导热系数的测定(>800℃)；b.对透明/半透明材料导热系数测量的准确性；c.多温度条件导热系数测试较为复杂。
技术实现思路
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的目的之一在于提供一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置及方法。该方法和装置解决了一般快速测试介质高温条件下辐射传热对导热系数测量的影响问题，并且实现了对透明/不透明固体材料不同温度下导热系数的快捷测试，具有测试范围广，测试速度快，待测试样制备方便等特点，为测试和研究材料的物理性能提供了一种更快捷、实用的方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置，包括：密闭加热腔；抽真空系统，用于将密闭加热腔内的空气排空；相对设置在密闭加热腔内的水冷铜模和均热片，所述水冷铜模和均热片之间夹持有待测试样，所述均热片内设有第一热电偶，所述水冷铜模内沿水冷铜模和均热片连线方向间隔设置至少三根第二热电偶；加热源，与均热片直接接触从而对待测试样进行加热；还包括对水冷铜模进行冷却的冷却装置、用于对待测试样进行实时温度测量的红外测温仪和与第一热电偶和第二热电偶连接的温度数据采集系统，所述温度数据采集系统、抽真空系统和红外测温仪与控制系统连接。进一步的，所述密闭加热腔内设有电动升降台，所述水冷铜模固定在电动升降台的台面上。进一步的，所述冷却装置包括供水装置和布置在电动升降台内的冷却水循环回路，所述冷却水循环回路的进水口和回水口分别与所述供水装置的出水口和进水口连通。进一步的，在加热腔的侧壁上设有红外窗口，所述红外测温仪通过所述红外窗口对所述待测试样进行测温。进一步的，各所述第二热电偶的测温头均位于水冷铜模的中轴线上。进一步的，所述加热腔的内壁上设有石墨红外吸收层。进一步的，所述红外测温仪的接收波长范围为7.5-14μm，测温范围为-30℃-1650℃，热灵敏度为50mK，空间分辨率为0.68mrad，测温频率为1Hz。进一步的，所述第一热电偶和第二热电偶的直径为0.5mm，测温范围为-30℃-1335℃，热灵敏度为10mK，温度数据采集系统接收热电偶测温数据的最高频率为60Hz。一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的方法，采用上述装置，包括如下步骤：S1、将准备好的待测试样放置于水冷铜模上表面，启动电动升降台施加载荷，将均热片、待测试样和水冷铜模三者压紧，并且实时调节压紧压力，保证测试全程均热片与待测试样间的压紧压力保持稳定；S2、在控制系统中输入所需的测试温度或测试温度范围与升温速率，随后控制系统自动生成一条测试升温曲线，人工确认无误后应用测试升温曲线；S3、控制系统控制开启抽真空系统对密闭加热腔进行抽真空作业；S4、抽真空作业完毕后，冷却装置对水冷铜模进行冷却，随后控制系统开启红外测温仪与温度数据采集系统并执行测试程序；S5、测试程序首先对待测试样的表面发射率进行校准，随后自动执行测试升温曲线，测试程序执行过程中的检测数据由温度数据采集系统实时传输回控制系统，并由控制系统进行处理与计算最终得到待测试样的温度-导热系数曲线；S6、测试程序执行完毕后，停止抽真空和关闭冷却装置，取出测试样品，测试完成。进一步的，S5步骤中具体计算过程如下：根据傅里叶公式可知通过样水冷铜模上表面的热流密度qm为：其中：m为热电偶的数量，k为水冷铜模的综合导热系数，可通过查表得到；Ti为第i根第二热电偶测得的温度数据；将第二热电偶从上而下顺次编号，其中d1、d2、….di分别为第1根第二热电偶到水冷铜模上表面的距离、第2根第二热电偶与第1根第二热电偶之间的距离、第i根第二热电偶与第i-1根第二热电偶之间的距离；qr与qc分别为通过测试试样内部的辐射传热热流密度以及传导传热热流密度；1).求解样品中的辐射强度：根据辐射边界条件：待测试样上表面：待测试样下表面：其中：μ＝cosθ,i＝1,2；θ为辐射传播方向与垂直向上方向向量的夹角；ρ为待测样品反射率，εcp、εm和εi分别为均热片、水冷铜模和待测试样的表面发射率，ncp、nm和ni分别为均热片、水冷铜模和待测试样的表面反射系数，均由测量仪或通过查找材料手册得到；C0为Stefan-Boltzmann常数，取5.670×10-8W/m2K4；Tcp、Tm和T分别为红外测温仪所测量得到的均热片底面温度、水冷铜模上表面温度和待测试样温度；将辐射边界条件带入辐射传输方程，解辐射传输方程得到辐射强度I；其中：黑体辐射强度光学本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置，其特征在于，包括：密闭加热腔；抽真空系统，用于将密闭加热腔内的空气排空；相对设置在密闭加热腔内的水冷铜模和均热片，所述水冷铜模和均热片之间夹持有待测试样，所述均热片内设有第一热电偶，所述水冷铜模内沿水冷铜模和均热片连线方向间隔设置至少三根第二热电偶；加热源，与均热片直接接触从而对待测试样进行加热；还包括对水冷铜模进行冷却的冷却装置、用于对待测试样进行实时温度测量的红外测温仪和与第一热电偶和第二热电偶连接的温度数据采集系统，所述温度数据采集系统、抽真空系统和红外测温仪与控制系统连接。

【技术特征摘要】
1.一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置，其特征在于，包括：密闭加热腔；抽真空系统，用于将密闭加热腔内的空气排空；相对设置在密闭加热腔内的水冷铜模和均热片，所述水冷铜模和均热片之间夹持有待测试样，所述均热片内设有第一热电偶，所述水冷铜模内沿水冷铜模和均热片连线方向间隔设置至少三根第二热电偶；加热源，与均热片直接接触从而对待测试样进行加热；还包括对水冷铜模进行冷却的冷却装置、用于对待测试样进行实时温度测量的红外测温仪和与第一热电偶和第二热电偶连接的温度数据采集系统，所述温度数据采集系统、抽真空系统和红外测温仪与控制系统连接。2.根据权利要求1所述的快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置，其特征在于：所述密闭加热腔内设有电动升降台，所述水冷铜模固定在电动升降台的台面上。3.根据权利要求2所述的快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置，其特征在于：所述冷却装置包括供水装置和布置在电动升降台内的冷却水循环回路，所述冷却水循环回路的进水口和回水口分别与所述供水装置的出水口和进水口连通。4.根据权利要求2所述的快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置，其特征在于：在加热腔的侧壁上设有红外窗口，所述红外测温仪通过所述红外窗口对所述待测试样进行测温。5.根据权利要求2所述的快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置，其特征在于：各所述第二热电偶的测温头均位于水冷铜模的中轴线上。6.根据权利要求2所述的快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置，其特征在于：所述加热腔的内壁上设有石墨红外吸收层。7.根据权利要求2所述的快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置，其特征在于：所述红外测温仪的接收波长范围为7.5-14μm，测温范围为-30℃-1650℃，热灵敏度为50mK，空间分辨率为0.68mrad，测温频率为1Hz。8.根据权利要求2所述的快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置，其特征在于：所述第一热电偶和第二热电偶的直径为0.5mm，测温范围为-30℃-1335℃，热灵敏度为10mK，温度数据采集系统接收热电偶测温数据的最高频率为60Hz。9.一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的方法，其特征在于，采用权利要求2-8任一项所述的装置，包括如下步骤：S1、将准备好的待测试样放置于水冷铜模上表面，启动电动升降台，将均热片、待测试样和水冷铜模三者压紧，并且实时调节压紧压力，保证测试全程均热片与待测试样间的压紧压力保持稳定；S2、在控制系统中输入所需的测试温度或测试温度范围与升温速率，随后控制系统自动生成一条测试升温曲线，人工确认无误后应用测试升温曲线；S3、控制系统控制开启抽真空系统对密闭加热腔进行抽真空作业；S4、抽真空作业完毕后，冷却装置对水冷铜模进行冷却，随后控制系统开启红外测温仪与温度数据采集系统并执行测试程序；S5、测试程序首先对待测试样的表面发射率进行校准，随后自动执行测试升温曲线，测试程序执行过程中的检测数据由...

【专利技术属性】
技术研发人员：王万林，张海辉，张凯旋，吕培生，路程，余杰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43