介尺度下轻量化炉衬材料的导热系数和气孔特性的相关性研究

Considering the new demands for refractoriness and heat-insulating property of linings in high temperature industries especially ferrous metallurgy, a novel multiscale numerical simulation computational method based on mesoscopic structures will be established for aiming at the correlation analysis between the thermal conductivity of linings with a certain porosity and pore characteristics including the type, size, shape and their distribution at different temperatures. According to pore characteristics, the coupling relationship as well as the finite element model with multi-scale and pore features will be founded. Through optimizing the measured thermal conductivity of typical materials, the numerical computing platform could be provided for all lightweight linings including traditional refractories and insulations. This method would not only solve the main fundamental involved in thermal conductivity of mesoscopic lightweight linings and pore characteristics, but also provide theoretical basis for the heat-insulation and reducing pollution in high energy-consuming fields, which could promote the progress of technology in metallurgical industries. Furthermore, the investigation for refractories based on mesoscopic science will be guidedby the achievement of this project, which has important theoretical significance for the development of materials science.

结合当前高温过程工业特别是钢铁冶金工业对炉衬材料耐火性能及保温性能的新需求，针对具有一定孔隙的炉衬材料导热系数在不同温度下和材料气孔特性包括气孔种类、气孔大小及分布、气孔形状及分布之间的相关性，项目借鉴介尺度科学，建立一种新的基于介尺度结构的多尺度描述型数值模拟计算方法。项目研究材料内部的气孔特性，建立材料多尺度结构的耦合关系，搭建多尺度下具有气孔特性的有限元数值模拟计算模型，通过典型材料的导热系数测试结果进行优化，最后建立数值计算平台，为所有轻量化炉衬材料（包括传统耐火材料及保温材料）的导热系数提供数值计算平台。该方法不仅可有效解决现有轻量化炉衬材料的导热系数和材料气孔特性及结构之间面临的最主要科学问题与技术难题，为高能耗行业的保温、减少热污染提供理论依据，推动冶金行业技术进步；而且该方法将指导耐火材料的介尺度科学研究，对材料科学的发展具有十分重要的理论和指导意义。

高温过程工业对炉衬材料的耐火及保温性能要求越来越高，具有孔隙的炉衬材料中气孔特征参数包括气孔种类、气孔大小及分布、气孔形状及分布等。项目以熔盐介质法制备镁橄榄石（包括不同熔盐加入量和烧成温度）、氮化物结合铝碳材料、刚玉浇注料、多孔氧化铝材料、高铝砖LZ-48和LZ-65及直接结合镁铬砖7个系列烧成和不定形的炉衬材料为研究对象，研究具有不同气孔特性的炉衬材料制备技术，制备的相关炉衬材料的闭口气孔率和显气孔率分别介于0.8~5.1%和10~60%之间，获得了不同气孔特性炉衬材料的关键制备技术。通过表征不同气孔特征炉衬材料的物理性能和显微结构及气孔特征参数，发现气孔形状用分形维数描述，具有耦合性。制备的炉衬材料中气孔具有多尺度的双重分形维数，不同材料该分形维数对应不同孔径。材料重新高温处理或服役过程中促进结构更加细化，气孔分形维数有少量变化。获得了不同气孔特性材料的多尺度结构耦合关系和调控机制，为项目研究及其他涉及耐火材料微结构研究提供介尺度科学研究方法。采用灰色关联理论研究发现，材料的导热系数和气孔特征参数之间存在较高相关性，特别是气孔的孔径大小和孔容以及小孔径占比，阐明不同材料的导热系数和气孔特性之间的相关性。搭建了基于传热学和有限元分析的多尺度描述型方法的导热系数数值模拟计算平台。研究发现材料耐压强度和抗折强度主要与气孔率和气孔的分形维数及气孔数量相关，弹性模量和气孔的分形维数和孔含量密切相关。相关成果为耐火材料的导热系数和力学性能等研究提供理论基础和数值计算平台。项目发表期刊论文60篇，会议论文19篇，申请和授权国家发明专利15项，同时关于材料制备技术、气孔结构特征与物理性能等成果和团队其他成果一起分别获得2018年省部级科技进步二等奖2项。培养湖北省“楚天学者计划”之“楚天学子”1人，已毕业研究生7人。