Introducción
Los refractarios son esenciales para los procesos a altas temperaturas, ya que protegen de las temperaturas extremas, las sustancias agresivas y las tensiones mecánicas a los equipos utilizados en la ingeniería del acero, el vidrio, la cerámica, el cemento, la química y la energía. Se utilizan, por ejemplo, como revestimiento en hornos, reactores y tanques de fusión. Una propiedad clave de los materiales en este contexto es la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica. Determina en gran medida cuánto calor se transfiere al entorno, lo que influye directamente en la eficiencia energética del proceso. Además, la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica tiene un efecto significativo en las tensiones térmicas y, en consecuencia, en la vida útil de los materiales.
Los refractarios son materiales no homogéneos formados por una matriz con partículas incrustadas. Para determinar las propiedades termofísicas, como la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica, se aplica lo siguiente: Cuanto mayor sea la muestra, más representativa será.
La determinación de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de los materiales refractarios supone un reto para muchos sistemas de medición. Esto se debe a dos factores: las temperaturas relativamente altas, que suelen superar los 1.000 °C, y la falta de homogeneidad de los materiales.
Método y condiciones de medición
El LFA 707 StratoFlash® Classic puede analizar muestras con un diámetro de hasta 25,4 mm, incluso a altas temperaturas. El método LFA determina principalmente la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica (α) y, junto con la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad (ρ) y la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp), se calcula la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica (λ) mediante la siguiente fórmula:
En el método LFA, la superficie frontal de una muestra se calienta utilizando un breve pulso de energía de un láser. A continuación, se detecta el aumento de temperatura en la parte posterior de la muestra mediante un detector de infrarrojos (IR). A continuación, se utilizan modelos matemáticos para calcular la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica en función de este aumento de temperatura.
La Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica también puede determinarse cuando la muestra se analiza junto con una muestra de referencia. El método más común para determinar la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica a altas temperaturas es la calorimetría diferencial de barrido (DSC). Sin embargo, los tamaños de muestra típicos, con un diámetro de 5 mm y un grosor de 1 mm, no son representativos de los refractarios.
Utilizando las muestras large del LFA 707 StratoFlash® Classic , con diámetros de 25,4 mm, no sólo es posible determinar la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica, sino también la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica en una muestra representativa utilizando el método comparativo de acuerdo con ASTM E 1461.
Las condiciones de medición se detallan en el cuadro 1.
Cuadro 1: Condiciones de medición
| Material | 2 materiales refractarios a base de MgO- y Al2O2-(espesor: aprox. 3 mm) |
| Portamuestras | Ø 25,4 mm, grafito |
| Programa de temperatura | RT - 1400°C con 2 calentamientos |
| Tamaño de la muestra | Correspondiente al material, una muestra con Ø 25,4 mm y un grosor de ~3 mm, caras planoparalelas |
| Recubrimiento | Grafito |
| Referencia para Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp | Grafito POCO |
| Atmósfera | Ar |
| Velocidad de calentamiento | variable hasta 20 K/min |
| Energía | 600 V; 600 μs |
Resultados y debate
La figura 1 muestra la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica de dos materiales refractarios (a base de MgO y Al2O3) a temperaturas comprendidas entre la temperatura ambiente y 1400°C. Como era de esperar, la capacidad calorífica específica aumenta con el incremento de la temperatura. No se aprecian diferencias significativas entre el primer y el segundo ciclo de calentamiento (dentro de un margen de ±5%). Esto pone de manifiesto la estabilidad química de la muestra (sin Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición ni desgasificación en todo el intervalo de temperaturas).
La figura 2 muestra la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de los dos materiales, calculada mediante la fórmula mencionada. A diferencia de la capacidad calorífica específica, se aprecian claras diferencias entre el primer y el segundo ciclo de calentamiento. Estas diferencias se deben probablemente a cambios estructurales dentro de la muestra (por ejemplo, Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase sólido-sólido y/o formación de microfisuras).
Resumen
El LFA 707 StratoFlash® Classic es ideal para determinar la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de materiales no homogéneos, como los materiales refractarios, gracias a su rango de temperatura de hasta 1600 °C y a su capacidad para alojar muestras large con un diámetro de hasta 25,4 mm. El dispositivo también puede determinar de forma representativa la capacidad calorífica específica. La Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica resultante es esencial para diseñar y dimensionar equipos para procesos de alta temperatura.