Introduktion
Ildfaste materialer er afgørende for højtemperaturprocesser, da de beskytter udstyr, der bruges i stål, glas, keramik, cement, kemi og energiteknik, mod ekstreme temperaturer, aggressive stoffer og mekanisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning. De bruges f.eks. som foring i ovne, reaktorer og smeltetanke. En vigtig materialeegenskab i denne sammenhæng er varmeledningsevnen. Den bestemmer i høj grad, hvor meget varme der overføres til omgivelserne, hvilket har direkte indflydelse på processens energieffektivitet. Desuden har varmeledningsevnen en betydelig effekt på termiske spændinger og dermed på materialernes levetid.
Ildfaste materialer er inhomogene materialer, der består af en matrix med indlejrede partikler. Ved bestemmelse af termofysiske egenskaber som f.eks. Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne gælder følgende: Jo større prøven er, jo mere repræsentativ er den.
Bestemmelse af varmeledningsevnen i ildfaste materialer er en udfordring for mange målesystemer. Det skyldes to faktorer: de relativt høje temperaturer, typisk over 1000 °C, og materialernes inhomogenitet.
Metode og målebetingelser
LFA 707 StratoFlash®Classic kan analysere prøver med en diameter på op til 25,4 mm, selv ved høje temperaturer. LFA-metoden bestemmer primært den termiske diffusivitet (α), og sammen med densiteten (ρ) og den specifikke varmekapacitet (Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp) beregnes den termiske ledningsevne (λ) ved hjælp af følgende formel:
I LFA-metoden opvarmes den forreste overflade af en prøve ved hjælp af en kort energipuls fra en laser. Temperaturstigningen på bagsiden af prøven registreres derefter af en infrarød (IR) detektor. Matematiske modeller bruges derefter til at beregne varmeledningsevnen baseret på denne temperaturstigning.
Den specifikke varmekapacitet kan også bestemmes, når prøven analyseres sammen med en referenceprøve. Den mest almindelige metode til at bestemme den specifikke varmekapacitet ved høje temperaturer er differential scanning calorimetry (DSC). Men typiske prøvestørrelser med en diameter på 5 mm og en tykkelse på 1 mm er ikke repræsentative for ildfaste materialer.
Ved hjælp af large -prøverne fra LFA 707 StratoFlash®Classic med en diameter på 25,4 mm er det ikke kun muligt at bestemme den termiske diffusivitet, men også den specifikke varmekapacitet på en repræsentativ prøve ved hjælp af den komparative metode i overensstemmelse med ASTM E 1461.
Målebetingelserne er beskrevet i tabel 1.
Tabel 1: Målebetingelser
| Materiale | 2 ildfaste materialer på MgO- og Al2O2-basis(tykkelse: ca. 3 mm) |
| Prøveholder | Ø 25,4 mm, grafit |
| Temperaturprogram | RT - 1400°C med 2 opvarmninger |
| Størrelse på prøve | Svarende til materialet, en prøve med Ø 25,4 mm og en tykkelse på ~3 mm, planparallelle flader |
| Belægning | Grafit |
| Reference for Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp | POCO-grafit |
| Atmosfære | Ar |
| Opvarmningshastighed | variabel op til 20 K/min |
| Energi | 600 V; 600 μs |
Resultater og diskussion
Figur 1 viser den specifikke varmekapacitet for to ildfaste materialer (MgO- og Al2O3-baserede) ved temperaturer fra stuetemperatur til 1400 °C. Som forventet stiger den specifikke varmekapacitet med stigende temperaturer. Der er ingen signifikant forskel mellem den første og den anden opvarmningscyklus (inden for ±5 %). Dette understreger prøvens kemiske stabilitet (ingen NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning og/eller afgasning i hele temperaturområdet).
Figur 2 viser varmeledningsevnen for de to materialer, beregnet ved hjælp af den førnævnte formel. I modsætning til den specifikke varmekapacitet er der tydelige forskelle mellem den første og den anden opvarmningscyklus. Disse forskelle skyldes sandsynligvis strukturelle ændringer i prøven (f.eks. faste-faste FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange og/eller dannelse af mikrorevner).
Sammenfatning
LFA 707 StratoFlash®Classic er ideel til bestemmelse af varmeledningsevnen i inhomogene materialer som f.eks. ildfaste materialer på grund af dens temperaturområde på op til 1600 °C og dens kapacitet til at rumme large prøver med en diameter på op til 25,4 mm. Apparatet kan også repræsentativt bestemme den specifikke varmekapacitet. Den resulterende Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne er afgørende for design og dimensionering af udstyr til højtemperaturprocesser.