Détermination de la conductivité thermique des réfractaires - La solution : Analyse d'échantillons Large à l'aide de l'analyse flash laser (LFA)

Introduction

Les réfractaires sont essentiels pour les processus à haute température car ils protègent les équipements utilisés dans l'acier, le verre, la céramique, le ciment, l'ingénierie chimique et énergétique contre les températures extrêmes, les substances agressives et les contraintes mécaniques. Ils sont utilisés, par exemple, comme revêtements dans les fours, les réacteurs et les cuves de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion. La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique est une propriété essentielle des matériaux dans ce contexte. Elle détermine de manière significative la quantité de chaleur transférée à l'environnement, ce qui influe directement sur l'efficacité énergétique du processus. En outre, la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique a un effet significatif sur les contraintes thermiques et, par conséquent, sur la durée de vie des matériaux.

Les réfractaires sont des matériaux inhomogènes constitués d'une matrice dans laquelle sont intégrées des particules. Lors de la détermination des propriétés thermophysiques telles que la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique, les principes suivants s'appliquent : Plus l'échantillon est grand, plus il est représentatif.

La détermination de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique des matériaux réfractaires représente un défi pour de nombreux systèmes de mesure. Cela est dû à deux facteurs : les températures relativement élevées, généralement supérieures à 1000°C, et l'inhomogénéité des matériaux.

Méthode et mesures Conditions

Le LFA 707 StratoFlash^®Classic peut analyser des échantillons d'un diamètre allant jusqu'à 25,4 mm, même à haute température. La méthode LFA détermine principalement la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique (α) et, avec la densité (ρ) et la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique (_{Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp}), la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique (λ) est calculée à l'aide de la formule suivante :

λ = α - _{Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp} - ρ

Dans la méthode LFA, la surface avant d'un échantillon est chauffée à l'aide d'une courte impulsion d'énergie provenant d'un laser. L'augmentation de la température à l'arrière de l'échantillon est ensuite détectée par un détecteur infrarouge (IR). Des modèles mathématiques sont ensuite utilisés pour calculer la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique sur la base de cette augmentation de température.

La Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique peut également être déterminée lorsque l'échantillon est analysé avec un échantillon de référence. La méthode la plus courante pour déterminer la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique à haute température est la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Toutefois, les échantillons typiques, d'un diamètre de 5 mm et d'une épaisseur de 1 mm, ne sont pas représentatifs des réfractaires.

En utilisant les échantillons large du LFA 707 StratoFlash^®Classic , d'un diamètre de 25,4 mm, il est possible de déterminer non seulement la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique, mais aussi la capacité calorifique spécifique sur un échantillon représentatif en utilisant la méthode comparative conformément à la norme ASTM E 1461.

Les conditions de mesure sont détaillées dans le tableau 1.

Tableau 1 : Conditions de mesure

Résultats et discussion

La figure 1 montre la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique de deux matériaux réfractaires (à base de MgO et d'_Al2O3) à des températures allant de la température ambiante à 1400°C. Comme prévu, la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique augmente avec la température. Il n'y a pas de différence significative apparente entre le premier et le deuxième cycle de chauffage (à ±5% près). Cela met en évidence la stabilité chimique de l'échantillon (pas de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition et/ou de dégazage dans la plage de température).

La figure 2 montre la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique des deux matériaux, calculée à l'aide de la formule susmentionnée. Contrairement à la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique, des différences claires sont évidentes entre le premier et le deuxième cycle de chauffage. Ces différences sont probablement dues à des changements structurels au sein de l'échantillon (par exemple, Transitions de phaseLe terme de transition de phase (ou changement de phase) est le plus souvent utilisé pour décrire les transitions entre les états solide, liquide et gazeux.transitions de phase solide-solide et/ou formation de microfissures).

Résumé

Le LFA 707 StratoFlash^®Classic est idéal pour déterminer la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique de matériaux inhomogènes tels que les matériaux réfractaires grâce à sa plage de température allant jusqu'à 1600 °C et à sa capacité à accueillir des échantillons large d'un diamètre allant jusqu'à 25,4 mm. L'appareil peut également déterminer de manière représentative la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique. La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique obtenue est essentielle pour la conception et le dimensionnement de l'équipement pour les processus à haute température.