Въведение
Огнеупорите са от съществено значение за високотемпературните процеси, тъй като предпазват оборудването, използвано в стоманодобива, стъкларството, керамиката, циментопроизводството, химическата промишленост и енергетиката, от екстремни температури, агресивни вещества и механични натоварвания. Те се използват например като облицовка на пещи, реактори и резервоари за топене. Ключово свойство на материала в този контекст е топлопроводимостта. Тя определя в значителна степен количеството топлина, което се предава на околната среда, като оказва пряко влияние върху енергийната ефективност на процеса. Освен това топлопроводимостта оказва значително влияние върху термичните напрежения и съответно върху експлоатационния живот на материалите.
Огнеупорите са нехомогенни материали, състоящи се от матрица с вградени частици. При определяне на термофизичните свойства, като например топлопроводимостта, се прилага следното: Колкото по-голяма е пробата, толкова по-представителна е тя.
Определянето на коефициента на топлопроводност на огнеупорните материали представлява предизвикателство за много измервателни системи. Това се дължи на два фактора: сравнително високите температури, които обикновено надвишават 1000 °C, и нееднородността на материалите.
Метод и условия на измерване
LFA 707 StratoFlash®Classic може да анализира проби с диаметър до 25,4 mm, дори при високи температури. Методът LFA определя преди всичко топлинната дифузия (α), а заедно с плътността (ρ) и специфичния топлинен капацитет (Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp) се изчислява и коефициентът на топлопроводност (λ) по следната формула:
При метода LFA предната повърхност на образеца се нагрява с помощта на кратък енергиен импулс от лазер. След това повишаването на температурата на задната страна на образеца се засича с инфрачервен (IR) детектор. След това се използват математически модели за изчисляване на топлопроводимостта въз основа на това увеличение на температурата.
Специфичният топлинен капацитет също може да бъде определен, когато пробата се анализира заедно с референтна проба. Най-разпространеният метод за определяне на специфичния топлинен капацитет при високи температури е диференциалната сканираща калориметрия (ДСК). Типичните размери на пробите с диаметър 5 mm и дебелина 1 mm обаче не са представителни за огнеупорите.
С помощта на образците large на LFA 707 StratoFlash®Classic , с диаметър 25,4 mm, е възможно не само да се определи термичната дифузия, но и специфичният топлинен капацитет на представителен образец, като се използва сравнителният метод в съответствие с ASTM E 1461.
Условията за измерване са описани подробно в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване
| Материал | 2 огнеупорни материала на основата на MgO- и Al2O2-(дебелина: приблизително 3 mm) |
| Държач на пробата | Ø 25,4 mm, графит |
| Температурна програма | RT - 1400°C с 2 нагрявания |
| Размер на пробата | Съответстващ на материала, една проба с Ø 25,4 mm и дебелина ~ 3 mm, равнинни повърхности |
| Покритие | Графит |
| Справка за Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp | POCO графит |
| Атмосфера | Ar |
| Скорост на нагряване | променлива до 20 K/min |
| Енергия | 600 V; 600 μs |
Резултати и обсъждане
На фигура 1 е показан специфичният топлинен капацитет на два огнеупорни материала (на основата на MgO и Al2O3) при температури от стайна температура до 1400°C. Както се очакваше, специфичният топлинен капацитет се увеличава с повишаването на температурата. Не се забелязва значителна разлика между първия и втория цикъл на нагряване (в рамките на ±5%). Това подчертава химическата стабилност на образеца (без разлагане и/или изпускане на газове в целия температурен диапазон).
Фигура 2 показва коефициента на топлопроводност на двата материала, изчислен по гореспоменатата формула. За разлика от специфичния топлинен капацитет, между първия и втория цикъл на нагряване се наблюдават ясни разлики. Тези разлики вероятно се дължат на структурни промени в образеца (напр. фазови преходи твърдо тяло-твърдо тяло и/или образуване на микропукнатини).
Резюме
LFA 707 StratoFlash®Classic е идеален за определяне на топлопроводимостта на нехомогенни материали, като например огнеупорни материали, благодарение на температурния си обхват до 1600 °C и способността си да побира проби large с диаметър до 25,4 mm. Устройството може също така да определя представително специфичния топлинен капацитет. Получената топлопроводимост е от съществено значение за проектирането и оразмеряването на оборудване за високотемпературни процеси.