冶金爐渣熱導(dǎo)率測(cè)定的研究現(xiàn)狀

野趙鑫，李萬(wàn)明，李世森，武星研，臧喜民

（遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

爐渣熱導(dǎo)率是爐渣的重要物性參數(shù)［1-2］，準(zhǔn)確測(cè)量熱導(dǎo)率對(duì)提高冶金熱效率［3-4］和數(shù)值模擬［5-7］的準(zhǔn)確性具有重要意義。鋼種冶煉的能源耗散主要集中在熱力轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高熱力轉(zhuǎn)換效率和降低能耗是節(jié)能的重要途徑，而提高熱效率的關(guān)鍵在于熱導(dǎo)率數(shù)值的準(zhǔn)確性；另一方面，爐渣熱導(dǎo)率也是數(shù)值模擬過(guò)程中的重要參數(shù)，直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)爐渣熱導(dǎo)率研究始于上世紀(jì)七十年代，主要采用同心圓筒法［8-10］、激光閃光法［11-14］、水冷管法［15］、熱線法［16-19］等測(cè)試方法。然而，熱導(dǎo)率的測(cè)定較為復(fù)雜，使測(cè)得的熱導(dǎo)率數(shù)值不夠精確，不同學(xué)者測(cè)出的熱導(dǎo)率數(shù)值差異較大［20-22］。目前冶金渣系熱導(dǎo)率的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)仍然非常缺乏，這些都嚴(yán)重影響對(duì)冶金流程傳熱的認(rèn)知。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異性不僅受到溫度及渣系成分影響，還受到實(shí)驗(yàn)方法的影響。文獻(xiàn)［23］中提及不同方法測(cè)定渣系熱導(dǎo)率會(huì)顯示出不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如對(duì)于40%CaO-20%Al2O3-40%SiO2渣系熱導(dǎo)率的測(cè)定，熱線法測(cè)定373～1 673 K渣系的熱導(dǎo)率為0.20～1.50 W/（m·K），激光閃光法測(cè)定373～1 673 K渣系的熱導(dǎo)率為0.70～1.20 W/（m·K），使用量子化學(xué)計(jì)算方法得出1 273～1 673 K渣系的熱導(dǎo)率為1.00～2.00 W/（m·K）。因此，有必要對(duì)爐渣熱導(dǎo)率測(cè)定方法及其準(zhǔn)確度進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)和分析，以期得出提高爐渣熱導(dǎo)率測(cè)定準(zhǔn)確度的方法和途徑。

本文介紹瞬態(tài)熱線法、激光閃光法及水冷管法測(cè)定爐渣熱導(dǎo)率的基本原理，分別闡述影響其準(zhǔn)確度的因素；總結(jié)溫度、堿度、渣系成分、物質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)冶金渣熱導(dǎo)率的影響規(guī)律；展望瞬態(tài)熱線法測(cè)定冶金渣熱導(dǎo)率的發(fā)展趨勢(shì)，這將有利于提升冶金爐渣熱導(dǎo)率的測(cè)量準(zhǔn)確度。

1 測(cè)定爐渣熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)方法及準(zhǔn)確度分析

1.1 瞬態(tài)熱線法

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原理 瞬態(tài)熱線法利用測(cè)量熱絲的電阻來(lái)測(cè)量物質(zhì)熱導(dǎo)率，其理論模型為：在無(wú)限大的均向介質(zhì)中置入直徑無(wú)限小、長(zhǎng)度無(wú)限長(zhǎng)、內(nèi)部溫度均衡的線熱源，初始狀態(tài)下均勻介質(zhì)與線熱源處于熱平衡狀態(tài)，突然給線源施加恒定的熱流加熱一段時(shí)間，線熱源及其周圍介質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生溫升，根據(jù)線熱源的溫升就可以得到物質(zhì)的熱導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給熱線通一恒定電流，以電位計(jì)記錄熱線兩端的電壓降，通過(guò)記錄熱線溫度隨時(shí)間的變化曲線來(lái)計(jì)算熱導(dǎo)率［24-26］。瞬態(tài)熱線法測(cè)定熱導(dǎo)率的理論計(jì)算公式為

式中：U為熱線兩端的電壓降，V；I是設(shè)定的通過(guò)熱線的恒定電流，A；θ為熱線的溫度，K；t為記錄熱線溫度數(shù)值的時(shí)刻，s。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)方法及準(zhǔn)確性分析 瞬態(tài)熱線法實(shí)驗(yàn)裝置包括數(shù)據(jù)采集器、恒電流維持裝置、電壓測(cè)定裝置、熱電偶、熱線、坩堝等，保護(hù)氣體為氬氣。計(jì)算流體力學(xué)模擬軟件和冷模實(shí)驗(yàn)被用來(lái)確定最佳的瞬態(tài)熱線法實(shí)驗(yàn)條件［27］。

（1）熱線材料的影響。實(shí)驗(yàn)要求熱線的電阻在加熱過(guò)程中與溫度線性關(guān)系較好，能夠方便獲得溫升曲線，且與樣品不發(fā)生反應(yīng)［28］。熱線越細(xì)，其結(jié)果越接近理論計(jì)算值。因此，要求熱線易于加工、韌性較好、不易斷裂，一般選擇鉑絲、鎢絲等材質(zhì)作為熱線的主要材料。由于熱線較細(xì)且是裸露的，故不適合測(cè)量粘度較高的液體［29］。熱線材料的選取還需考慮耐蝕性及導(dǎo)熱導(dǎo)電迅速性。純鉑絲的耐腐蝕程度較差，在高硅酸鹽爐渣（SiO2含量大于40%）中溶解速度很快，如直徑0.5 mm的純鉑絲會(huì)瞬間溶解。而銠元素的加入可增強(qiáng)金屬絲耐SiO2腐蝕能力，且銠含量越高，其耐SiO2腐蝕的能力越強(qiáng)。但銠元素占比增大會(huì)增加成本，在保證熱線具有耐腐蝕能力和低成本的條件下，銠元素加入30%較為適宜。已有研究表明［24，30］，鉑銠絲是比較合適的實(shí)驗(yàn)材料。

在使用瞬態(tài)熱線法測(cè)定爐渣熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)中，以文獻(xiàn)［31］和文獻(xiàn)［32］的實(shí)驗(yàn)最為經(jīng)典，瞬態(tài)熱線法實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1［31］和圖2所示［32］。文獻(xiàn)［31］的熱線是0.20 mm的Pt-6%Rh。文獻(xiàn)［32］的熱線是0.25 mm的Pt-30%Rh。對(duì)比二者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文獻(xiàn)［32］的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線性關(guān)系略好于文獻(xiàn)［31］。銠元素的含量關(guān)乎熱線的精確性，故文獻(xiàn)［32］中認(rèn)為以Pt-30%Rh作為熱線更為合理。

（2）熱線直徑的影響。冷模實(shí)驗(yàn)［27］與誤差分析［33］發(fā)現(xiàn)，熱線直徑過(guò)小會(huì)使坩堝內(nèi)產(chǎn)生對(duì)流效應(yīng)。研究表明，直徑0.25 mm的熱線比0.35 mm的熱線所測(cè)得的數(shù)值誤差高出1.5倍［27］。然而，熱線直徑大于0.5 mm時(shí)，會(huì)使單位面積的產(chǎn)熱量不足，從而降低測(cè)量的靈敏度。坩堝內(nèi)的對(duì)流效應(yīng)與電流值也有很大關(guān)系，電流較大會(huì)加劇對(duì)流效應(yīng)。因此，確定熱線直徑既要保證測(cè)量的靈敏度又要盡可能減少坩堝內(nèi)的對(duì)流效應(yīng)。在電流為1.5～2.0 A條件下，推薦熱線直徑為0.35～0.40 mm［27，33］。

（3）實(shí)驗(yàn)坩堝的影響。瞬態(tài)熱線法實(shí)驗(yàn)采用的坩堝主要是鉬坩堝和氧化鋁坩堝，兩者都有良好的導(dǎo)熱性和耐腐蝕性。其中，鉬坩堝具有良好的穩(wěn)定性和耐高溫性，適合用作高溫實(shí)驗(yàn)，可長(zhǎng)期在2 273 K左右高溫下工作［34-35］。氧化鋁坩堝不僅可以長(zhǎng)期工作在1 873 K條件下，而且可短時(shí)間工作在2 073 K的條件下［36］?？紤]到氧化鋁坩堝成本比鉬坩堝低，一般冶金爐渣的容器多采用氧化鋁坩堝，當(dāng)溫度超過(guò)1 873 K時(shí)采用鉬坩堝。此外，盡量選用直徑較小的坩堝，從而避免坩堝內(nèi)的對(duì)流效應(yīng)導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差［27］。

瞬態(tài)熱線法被認(rèn)為是最適合在高溫條件下測(cè)定物質(zhì)熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)方法［23，31-32］。其優(yōu)點(diǎn)在于輻射散熱量較小，對(duì)熱導(dǎo)率影響較小，從而降低測(cè)量誤差；其次，測(cè)量結(jié)果的電壓-時(shí)間曲線會(huì)呈現(xiàn)線性部分和曲線部分，如圖3所示，曲線部分是對(duì)流效應(yīng)導(dǎo)致的誤差，因此常用電壓-時(shí)間曲線的線性部分進(jìn)行熱導(dǎo)率的計(jì)算。

1.2 激光閃光法

激光閃光法［37-38］是通過(guò)測(cè)量材料的熱擴(kuò)散率間接測(cè)量其熱導(dǎo)率的一種方法。該方法最早由Parker［37］提出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示［26］。在一定的溫度制度下，由激光源發(fā)射光脈沖均勻照射在試樣上表面，試樣被均勻加熱，通過(guò)紅外檢測(cè)器連續(xù)測(cè)量試樣背面的溫升，得到溫升Δt與時(shí)間t的關(guān)系曲線，如圖5［26］所示。Parker模型中提出的熱擴(kuò)散率

式中：α為樣品的熱擴(kuò)散率，m2/s；l為樣品的厚度，m；t0.5為樣品背面溫度上升至穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間的一半，s。

在傳熱分析中，熱擴(kuò)散率α與熱導(dǎo)率λ關(guān)系

式中：λ為熱導(dǎo)率，W/（m·K）；ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/（kg·K）。

在Parker的模型中存在多種假設(shè)條件，如一維傳熱，試樣表面無(wú)熱量損失，激光脈沖在試樣正面均勻分布，脈沖作用時(shí)間無(wú)限小，能量的吸收在表面非常薄的層面等。而在實(shí)際的測(cè)量中這些假設(shè)條件都無(wú)法滿足，因此激光閃光法較為理想化，實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)誤差相對(duì)較大。激光閃光法是上世紀(jì)八九十年代測(cè)定冶金渣熱導(dǎo)率的常用方法，但現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)證明，激光閃光法測(cè)量的熱導(dǎo)率數(shù)值比瞬態(tài)熱線法測(cè)量的數(shù)值誤差高出近10倍［39］。

1.3 水冷管法

單層圓筒壁傳熱如圖6所示。設(shè)圓筒壁長(zhǎng)度為l，圓筒壁的長(zhǎng)度要遠(yuǎn)大于圓筒半徑，這樣就可忽略端頭導(dǎo)熱對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，設(shè)圓筒內(nèi)壁和外壁的半徑分別為r1和r2，對(duì)應(yīng)的溫度分別為t1和t2。根據(jù)傅里葉定律，通過(guò)圓筒面上的熱流q為

式中：λ為介質(zhì)的熱導(dǎo)率；dt/dr為溫度梯度。

熱導(dǎo)率λ計(jì)算式

這樣，只要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得q、t1、t2、r1、r2和l，用式（5）便可以計(jì)算出熱導(dǎo)率λ。

Dong等［39］用水冷管法測(cè)定1 923 K的氟渣熱導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。實(shí)驗(yàn)采用氬氣氣氛保護(hù)。水冷銅管外徑10 mm、內(nèi)徑8 mm，內(nèi)部插入外徑6 mm、內(nèi)徑4 mm的氧化鋁管，構(gòu)成雙管結(jié)構(gòu)。冷卻水流量使用水位恒定的水槽控制最大流量壓力脈動(dòng)，通過(guò)閥門和流量計(jì)配合保證水位與銅管內(nèi)的渣池一致［39-41］。在石墨坩堝中熔化實(shí)驗(yàn)用渣，水冷銅管浸沒于熔渣中。實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)測(cè)定冷卻水的溫度升高反映渣系內(nèi)的溫度變化。實(shí)驗(yàn)采用三組熱電偶測(cè)渣的溫度，以提高熱導(dǎo)率測(cè)定的準(zhǔn)確度，但由此產(chǎn)生更大的輻射傳熱，使測(cè)得的熱導(dǎo)率數(shù)值偏大。水冷管法的優(yōu)點(diǎn)在于它不受爐渣電性能的影響，適合對(duì)導(dǎo)電性能強(qiáng)的渣系進(jìn)行熱導(dǎo)率的測(cè)量。但水冷管法由于傳導(dǎo)和輻射傳熱的共同影響，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的偏差。因此，水冷管法對(duì)熔渣熱導(dǎo)率的測(cè)量準(zhǔn)確度相對(duì)于瞬態(tài)熱線法較低。

2 爐渣熱導(dǎo)率的影響因素

2.1 溫度對(duì)熱導(dǎo)率的影響

溫度會(huì)影響爐渣的熔化和溶質(zhì)溶解狀態(tài)。當(dāng)溫度不足以使?fàn)t渣熔化時(shí)，溫度升高會(huì)促使固態(tài)爐渣粒子活性提高，熱運(yùn)動(dòng)速率增大，使得固態(tài)爐渣的熱導(dǎo)率也增大［31］；當(dāng)爐渣處于固-液共存狀態(tài)，部分液態(tài)爐渣的導(dǎo)熱性能大大減弱，致使熱導(dǎo)率有下降趨勢(shì)，但這種下降趨勢(shì)并不明顯，這是由于部分高熔點(diǎn)粒子會(huì)在一定程度上提高爐渣的熱導(dǎo)率［32］；當(dāng)爐渣完全處于液態(tài)時(shí)，熔渣的熱導(dǎo)率也相應(yīng)降到最小。因此，爐渣受溫度的影響分為兩個(gè)階段，固態(tài)時(shí)，爐渣熱導(dǎo)率會(huì)隨著溫度升高而增大；而固液共存及液態(tài)時(shí)，熔渣熱導(dǎo)率會(huì)隨著溫度升高而降低。純液態(tài)渣的熱導(dǎo)率低于固態(tài)渣。

CaO-Al2O3-SiO2渣系對(duì)溫度的依賴性如圖8所示［23］。在1 573～1 623 K溫度范圍內(nèi)，渣系處于固液共存狀態(tài)，熱導(dǎo)率隨溫度的升高有減小趨勢(shì)，但下降幅度較小；在1 623～1 873 K時(shí)，渣系［23］處于液態(tài)，熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而明顯減小。戰(zhàn)洪仁等［42］測(cè)定CaO-SiO2-FeOx渣系在1 573～1 873 K范圍內(nèi)的熱導(dǎo)率時(shí)也得出相同結(jié)論，認(rèn)為不論何種爐渣成分，CaO-SiO2-FeOx熔體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而減小，且從初晶溫度到1 873 K，熱導(dǎo)率隨溫度的升高急劇下降。這是由于固液共存狀態(tài)下液相熔渣的熱導(dǎo)率較小，但液相中固相顆粒的存在會(huì)提高熱導(dǎo)率，但熱導(dǎo)率隨溫度的變化比較平緩［32］，當(dāng)渣系完全處于液態(tài)的情況下熱導(dǎo)率較小，渣系熱導(dǎo)率隨溫度的變化幅度較大。

2.2 渣系組分對(duì)熱導(dǎo)率的影響

渣系組分是影響爐渣熱導(dǎo)率的重要因素，其中影響較大的組分是CaF2、CaO、SiO2和FeOx。

（1）CaF2對(duì)熱導(dǎo)率的影響。渣系中的CaF2含量變化對(duì)熱導(dǎo)率的影響規(guī)律如圖9所示［24］，圖9中高氟二元渣為70%CaF2-30%Al2O3，低氟四元渣為20%CaF2-50%Al2O3-20%CaO-10%MgO，無(wú)氟三元渣為48%CaO-48%Al2O3-4%MgO。在相同溫度下，渣系的熱導(dǎo)率隨渣中CaF2含量的增多而增大，含CaF2較多的渣系熱導(dǎo)率隨溫度的升高更為明顯。這是由于CaF2的加入會(huì)降低渣系的熔點(diǎn)和黏度，從而增加了渣系對(duì)溫度的敏感性［24，39］。Dong等［39］研究CaF2-Al2O3-CaO渣系中CaF2含量對(duì)熱導(dǎo)率的影響，結(jié)果如圖10所示，渣系的熱導(dǎo)率隨著渣系中CaF2含量的增多而增大，且在CaF2含量為45%～65%時(shí)，隨著溫度升高渣系熱導(dǎo)率增大趨勢(shì)更為顯著，進(jìn)而驗(yàn)證了CaF2的存在會(huì)擴(kuò)大渣系對(duì)溫度的敏感性。

（2）CaO對(duì)熱導(dǎo)率的影響。CaO對(duì)渣系熱導(dǎo)率的影響如圖11所示［31］。渣系熱導(dǎo)率會(huì)隨著CaO含量的增多而減小，在1 773 K時(shí)，CaO含量的增加對(duì)渣系熱導(dǎo)率影響尤為突出。1 873 K時(shí)，測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果吻合較好；隨著溫度降低，測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果之間的偏差逐漸增大，在1 573 K時(shí)偏差最大，達(dá)到18%。這是由于熔渣本身是由團(tuán)聚硅氧和鋁氧三面體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的連續(xù)骨架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)上的硅基伴有微孔，微孔會(huì)隨著溫度升高而逐漸縮小，從而導(dǎo)致無(wú)孔結(jié)構(gòu)熔渣的模擬值在高溫下更趨近于實(shí)驗(yàn)值。

（3）SiO2對(duì)熱導(dǎo)率的影響。SiO2影響渣系的熱導(dǎo)率分兩種情況討論。對(duì)于單一SiO2含量的渣系，渣系的熱導(dǎo)率會(huì)隨著SiO2含量的增加而增大；對(duì)于含SiO2且含有堿性成分的渣系，就要從二元堿度或者多元堿度的角度進(jìn)行分析。Na2O-SiO2渣系中，由于SiO2含量較高的硅酸鹽溶體結(jié)構(gòu)對(duì)溫度更為敏感，其熱導(dǎo)率會(huì)隨著SiO2含量的增加而增大［23］。在常見的渣系中，SiO2與堿性成分渣同時(shí)存在，因此，還要考慮各組分的共同作用。例如在CaO-SiO2-Al2O3熔渣中，CaO/SiO2含量上升時(shí)，CaO含量的增加會(huì)促進(jìn)Al2O3對(duì)熔渣結(jié)構(gòu)的影響，使熱導(dǎo)率有下降趨勢(shì)。故高堿度渣系熱導(dǎo)率的變化要取決于SiO2/Al2O3質(zhì)量比和CaO2/Al2O3質(zhì)量比［31］。

（4）FeOx對(duì)熱導(dǎo)率的影響。在CaO-SiO2-FeOx渣系中，在恒定的溫度和堿度條件下，隨著FeOx含量的增加，CaO-SiO2-FeOx熔體的熱導(dǎo)率顯著降低［43-45］。這可能是由于FeO1.5/FeO的比值對(duì)熱導(dǎo)率的影響足夠大，可以在一定程度上補(bǔ)償CaO/SiO2的影響。

2.3 堿度對(duì)熱導(dǎo)率的影響

堿度對(duì)渣系熱導(dǎo)率的影響要按照渣系成分從二元堿度或多元堿度的角度進(jìn)行分析。成分為w（CaF2）=30%，w（CaO+SiO2）=70%的渣系，堿度對(duì)熱導(dǎo)率的影響要分階段討論。當(dāng)堿度小于1時(shí)，渣系熱導(dǎo)率隨堿度的升高而增大；當(dāng)堿度大于1時(shí)，渣系熱導(dǎo)率隨堿度的升高而減小；當(dāng)堿度為1時(shí)，渣系熱導(dǎo)率取得最大值，約為1.53 W/（m·K）［46］。在CaO-Al2O3-SiO2渣系［23，42，47］中，渣系的熱導(dǎo)率隨著CaO/SiO2比值的增加而減小，且當(dāng)堿度大于1.1時(shí)，高堿度使溶體中共價(jià)鍵的數(shù)量減少，促使熱導(dǎo)率顯著下降。

堿度對(duì)渣系熱導(dǎo)率的影響是多方面的。堿度的影響會(huì)因渣系成分中不同元素的加入而改變其影響趨勢(shì)。CaO/SiO2含量對(duì)熔渣熱導(dǎo)率的影響如圖12所示［23］。在CaO-SiO2-Al2O3渣系中，熔體的熱導(dǎo)率隨CaO/SiO2比值的增加而降低［25］。CaOSiO2-Al2O3-MgO-Na2O渣系是在CaO-SiO2-Al2O3渣系的基礎(chǔ)上加入MgO與Na2O成分，從二元堿度提升到多元堿度后，CaO-SiO2-Al2O3-MgO-Na2O熔體的熱導(dǎo)率隨CaO/SiO2比值的增大而增大，隨Al2O3/SiO2比值的增大而減?。–aO/SiO2=0.25）。Al2O3/SiO2比值和CaO/SiO2比值對(duì)熔渣熱導(dǎo)率的影響如圖13所示［25］，在Al2O3/SiO2（A/S）比值一定時(shí)，渣系的熱導(dǎo)率隨著CaO/SiO2比值的增加而增大；當(dāng)CaO/SiO2（C/S）比為0.25時(shí)，渣系的熱導(dǎo)率隨著Al2O3/SiO2比值的增加而減?。划?dāng)CaO/SiO2比分別為0.43和0.67時(shí)，隨著Al2O3/SiO2比的增加，熱導(dǎo)率呈現(xiàn)先減后增的情況。

2.4 物質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響

Wang等［31］在五元渣系SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3-MgO的熱導(dǎo)率測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，為探討CaO的質(zhì)量比從5%增至25%對(duì)熔渣熱導(dǎo)率的影響，使用MD（Molecular dynamics）方法模擬爐渣的微觀結(jié)構(gòu)分布信息，如圖14所示。CaO改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要途徑是通過(guò)Si—O—Si和Si—O—Al的斷裂生成Si—O—Ca和Al—O—Ca兩個(gè)四面體結(jié)構(gòu)之間的連接，Ca離子的增加促進(jìn)非橋氧的形成和橋氧的分解，且大量的硅都以［SiO4］3-的形式存在，以硅氧四面體取代鋁氧四面體形成的非橋氧會(huì)縮短Si（Al）—O鍵的鍵長(zhǎng)，由于堿金屬對(duì)氧的吸引力比硅對(duì)氧的吸引力要弱得多，所以當(dāng)金屬陽(yáng)離子介入形成橋氧與非橋氧的混合四面體時(shí)，Si—O鍵的強(qiáng)度受到影響，從而縮短了Si和O之間的原子間距離，進(jìn)而影響了渣系的熱導(dǎo)率。由于Ca在微觀結(jié)構(gòu)上對(duì)化學(xué)鍵的作用，在本質(zhì)上改變了成分的結(jié)構(gòu)形態(tài)，也會(huì)影響熱導(dǎo)率。

文獻(xiàn)［48-52］從微觀角度解釋了Al2O3的主要作用形式。Al2O3作為兩性氧化物，其作用分為兩個(gè)階段。當(dāng)Al2O3含量小于20%時(shí)，熱導(dǎo)率隨著Al2O3含量的增加而增加，熱導(dǎo)率的最大值出現(xiàn)在Al2O3質(zhì)量比為15%～20%范圍內(nèi)；進(jìn)一步添加Al2O3則會(huì)降低熱導(dǎo)率。在硅酸鹽熔體中，Al2O3又以兩種不同的形式存在，在堿性熔體中，以［AlO4］5-離子形式存在，呈現(xiàn)出由4個(gè)配位的氧形成的四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；在酸性熔體中，分解為O2-和Al3+，作為網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑破壞了硅的共價(jià)鍵，從而影響熱導(dǎo)率的變化。目前，從分子或離子角度等層面解釋固態(tài)渣系組分結(jié)構(gòu)對(duì)熱導(dǎo)率的影響還未見報(bào)道。

3 結(jié)論

準(zhǔn)確測(cè)量熔渣熱導(dǎo)率對(duì)提高冶金過(guò)程的熱效率和傳熱計(jì)算有重要意義。本文總結(jié)了熔渣熱導(dǎo)率的測(cè)定方法，并分析了各種方法的準(zhǔn)確度，總結(jié)了溫度、堿度、渣系成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)熔渣熱導(dǎo)率的影響。

瞬態(tài)熱線法比水冷管法、激光閃光法對(duì)熔渣熱導(dǎo)率的測(cè)定準(zhǔn)確度要高，是目前測(cè)定熔渣熱導(dǎo)率的主要方法。影響瞬態(tài)熱線法測(cè)量熔渣熱導(dǎo)率的準(zhǔn)確度的主要因素有：熱線材質(zhì)、熱線直徑、坩堝直徑及熱線的精確位置；影響渣系熱導(dǎo)率的主要成分為CaF2、CaO、SiO2、FeOx。固態(tài)渣系的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而增大，而液態(tài)熔渣的熱導(dǎo)率會(huì)隨著溫度的升高而減??；二元堿度渣系熱導(dǎo)率隨著CaO/SiO2比值的增大而減小。

瞬態(tài)熱線法通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)使實(shí)驗(yàn)方法更精確化、智能化。例如熱線的位置可以通過(guò)PLC編程進(jìn)行精確控制；鉑銠絲的保護(hù)管通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使保護(hù)管與坩堝配合，實(shí)現(xiàn)熱線的精準(zhǔn)定位；提高數(shù)據(jù)采集器對(duì)溫度信號(hào)反應(yīng)的靈敏度等。