Determinazione della conduttività termica dei refrattari - La soluzione: Indagine sui campioni di Large con l'analisi laser flash (LFA)

Introduzione

I refrattari sono essenziali per i processi ad alta temperatura, in quanto proteggono le apparecchiature utilizzate nei settori dell'acciaio, del vetro, della ceramica, del cemento, dell'ingegneria chimica ed energetica da temperature estreme, sostanze aggressive e sollecitazioni meccaniche. Sono utilizzati, ad esempio, come rivestimenti di forni, reattori e vasche di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione. Una proprietà fondamentale del materiale in questo contesto è la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica. Essa determina in modo significativo la quantità di calore trasferita all'ambiente circostante, influenzando direttamente l'efficienza energetica del processo. Inoltre, la conducibilità termica ha un effetto significativo sulle sollecitazioni termiche e di conseguenza sulla durata dei materiali.

I refrattari sono materiali disomogenei costituiti da una matrice con particelle incorporate. Quando si determinano le proprietà termofisiche, come la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica, vale quanto segue: Più grande è il campione, più è rappresentativo.

La determinazione della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica dei materiali refrattari rappresenta una sfida per molti sistemi di misura. Ciò è dovuto a due fattori: le temperature relativamente elevate, in genere superiori a 1000°C, e la disomogeneità dei materiali.

Metodo e misure Condizioni

L'LFA 707 StratoFlash^® Classic può analizzare campioni con un diametro fino a 25,4 mm, anche ad alte temperature. Il metodo LFA determina principalmente la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica (α) e, insieme alla densità (ρ) e alla Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (_{Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp}), la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica (λ) viene calcolata con la seguente formula:

λ = α - _{Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp} - ρ

Nel metodo LFA, la superficie anteriore del campione viene riscaldata con un breve impulso di energia da un laser. L'aumento di temperatura sul retro del campione viene rilevato da un rilevatore a infrarossi (IR). I modelli matematici vengono quindi utilizzati per calcolare la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica in base all'aumento di temperatura.

La Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica può essere determinata anche analizzando il campione insieme a un campione di riferimento. Il metodo più comune per determinare la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica ad alte temperature è la calorimetria differenziale a scansione (DSC). Tuttavia, le dimensioni tipiche dei campioni, con un diametro di 5 mm e uno spessore di 1 mm, non sono rappresentative dei refrattari.

Utilizzando i campioni large dell'LFA 707 StratoFlash^® Classic , con diametro di 25,4 mm, è possibile determinare non solo la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, ma anche la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica su un campione rappresentativo utilizzando il metodo comparativo in conformità alla norma ASTM E 1461.

Le condizioni di misurazione sono riportate nella tabella 1.

Tabella 1: Condizioni di misura

Risultati e discussione

La Figura 1 mostra la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica di due materiali refrattari (a base di MgO e _Al2O3) a temperature comprese tra la temperatura ambiente e i 1400°C. Come previsto, la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica aumenta all'aumentare della temperatura. Non si notano differenze significative tra il primo e il secondo ciclo di riscaldamento (entro il ±5%). Ciò evidenzia la stabilità chimica del campione (nessuna Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione e/o degassamento in tutto l'intervallo di temperatura).

La Figura 2 mostra la conducibilità termica dei due materiali, calcolata con la formula sopra citata. A differenza della Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica, sono evidenti chiare differenze tra il primo e il secondo ciclo di riscaldamento. Queste differenze sono probabilmente dovute a cambiamenti strutturali all'interno del campione (ad esempio, Transizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso.transizioni di fase solido-solido e/o formazione di microcricche).

Sintesi

L'LFA 707 StratoFlash^® Classic è ideale per determinare la conducibilità termica di materiali disomogenei come i materiali refrattari, grazie al suo intervallo di temperatura fino a 1600 °C e alla sua capacità di accogliere campioni large con un diametro fino a 25,4 mm. Il dispositivo può anche determinare in modo rappresentativo la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica. La conducibilità termica risultante è essenziale per la progettazione e il dimensionamento di apparecchiature per processi ad alta temperatura.