소개
내화물은 철강, 유리, 세라믹, 시멘트, 화학 및 에너지 공학에 사용되는 장비를 극한의 온도, 공격적인 물질 및 기계적 스트레스로부터 보호하기 때문에 고온 공정에 필수적입니다. 예를 들어 용광로, 원자로 및 용융 탱크의 라이닝으로 사용됩니다. 이러한 맥락에서 핵심적인 재료 특성은 열전도도입니다. 열전도율은 주변으로 전달되는 열의 양을 크게 결정하며 공정의 에너지 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 또한 열전도율은 열 응력에 상당한 영향을 미치고 결과적으로 재료의 수명에 영향을 미칩니다.
내화물은 입자가 내장된 매트릭스로 구성된 불균일 재료입니다. 열전도율과 같은 열물리학적 특성을 결정할 때는 다음 사항이 적용됩니다: 샘플이 클수록 대표성이 높습니다.
내화성 물질의 열전도도를 측정하는 것은 많은 측정 시스템에서 어려운 과제입니다. 이는 일반적으로 1000°C를 초과하는 비교적 높은 온도와 재료의 불균일성이라는 두 가지 요인 때문입니다.
방법 및 측정 조건
LFA 707 StratoFlash®Classic 은 고온에서도 최대 직경 25.4 mm의 시료를 분석할 수 있습니다. LFA 방법은 주로 열 확산도(α)를 결정하고 밀도(ρ) 및 비열 용량(비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp)과 함께 다음 공식을 사용하여 열 전도도(λ)를 계산합니다:
LFA 방법에서는 레이저의 짧은 에너지 펄스를 사용하여 시료의 전면 표면을 가열합니다. 그런 다음 적외선(IR) 감지기로 샘플 뒷면의 온도 상승을 감지합니다. 그런 다음 수학적 모델을 사용하여 이 온도 상승을 기반으로 열전도율을 계산합니다.
비열 용량은 시료를 기준 시료와 함께 분석할 때 결정할 수도 있습니다. 고온에서 비열 용량을 측정하는 가장 일반적인 방법은 시차 주사 열량 측정법(DSC)입니다. 그러나 직경 5mm, 두께 1mm의 일반적인 시료 크기는 내화물을 대표하지 않습니다.
large 직경 25.4 mm의 LFA 707 StratoFlash®Classic 샘플을 사용하면 ASTM E 1461에 따른 비교 방법을 사용하여 열 확산도뿐만 아니라 대표 샘플의 비열 용량도 결정할 수 있습니다.
측정 조건은 표 1에 자세히 나와 있습니다.
표 1: 측정 조건
| 재료 | mgO 및 Al2O2 기반의 내화성 물질 2개(두께: 약 3mm) |
| 샘플 홀더 | Ø 25.4 mm, 흑연 |
| 온도 프로그램 | RT - 1400°C, 2번 가열 |
| 시료 크기 | 재료에 해당, Ø 25.4 mm, 두께 ~ 3mm의 시료 1개, 평면 평행면 |
| 코팅 | 흑연 |
| CP에 대한 참조 | POCO 흑연 |
| 분위기 | Ar |
| 가열 속도 | 최대 20K/min까지 가변 |
| 에너지 | 600V; 600μs |
결과 및 토론
그림 1은 실온에서 1400°C까지의 온도에서 두 가지 내화 재료(MgO- 및 Al2O3 기반)의 비열 용량을 보여줍니다. 예상대로 비열 용량은 온도가 상승함에 따라 증가합니다. 첫 번째와 두 번째 가열 사이클 사이에는 큰 차이가 없습니다(±5% 이내). 이는 시료의 화학적 안정성을 강조합니다(온도 범위에 걸쳐 분해 및/또는 가스 방출이 없음).
그림 2는 앞서 언급한 공식을 사용하여 계산한 두 재료의 열전도도를 보여줍니다. 비열 용량과 달리, 첫 번째와 두 번째 가열 주기 사이에는 분명한 차이가 있습니다. 이러한 차이는 시료 내의 구조적 변화(예: 고체-고체 상 전이 및/또는 미세 균열 형성)로 인한 것일 수 있습니다.
요약
LFA 707 StratoFlash®Classic 은 최대 1600°C의 온도 범위와 최대 직경 25.4mm의 large 시료를 수용할 수 있는 용량으로 내화물과 같은 불균일 물질의 열전도도를 측정하는 데 이상적입니다. 또한 이 장치는 비열 용량을 대표적으로 측정할 수 있습니다. 열전도도는 고온 공정용 장비를 설계하고 크기를 조정하는 데 필수적인 요소입니다.