Określanie przewodności cieplnej materiałów ogniotrwałych - Rozwiązanie: Badanie próbek Large za pomocą laserowej analizy błyskowej (LFA)

Wprowadzenie

Materiały ogniotrwałe są niezbędne w procesach wysokotemperaturowych, ponieważ chronią sprzęt używany w przemyśle stalowym, szklarskim, ceramicznym, cementowym, chemicznym i energetycznym przed ekstremalnymi temperaturami, agresywnymi substancjami i naprężeniami mechanicznymi. Stosuje się je na przykład jako wykładziny w piecach, reaktorach i zbiornikach do topienia. Kluczową właściwością materiału w tym kontekście jest Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna. W znacznym stopniu determinuje ona ilość ciepła przekazywanego do otoczenia, bezpośrednio wpływając na efektywność energetyczną procesu. Ponadto Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna ma znaczący wpływ na naprężenia termiczne, a w konsekwencji na żywotność materiałów.

Materiały ogniotrwałe są niejednorodnymi materiałami składającymi się z matrycy z osadzonymi cząstkami. Podczas określania właściwości termofizycznych, takich jak Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna, stosuje się następujące zasady: Im większa próbka, tym bardziej reprezentatywna.

Określenie przewodności cieplnej materiałów ogniotrwałych stanowi wyzwanie dla wielu systemów pomiarowych. Wynika to z dwóch czynników: stosunkowo wysokich temperatur, zazwyczaj przekraczających 1000°C, oraz niejednorodności materiałów.

Metoda i warunki pomiarów

LFA 707 StratoFlash^®Classic może analizować próbki o średnicy do 25,4 mm, nawet w wysokich temperaturach. Metoda LFA określa przede wszystkim dyfuzyjność cieplną (α), a wraz z gęstością (ρ) i właściwą pojemnością cieplną (_{Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp}), Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna (λ) jest obliczana za pomocą następującego wzoru:

λ = α - _{Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp} - ρ

W metodzie LFA przednia powierzchnia próbki jest podgrzewana za pomocą krótkiego impulsu energii z lasera. Wzrost temperatury na tylnej powierzchni próbki jest następnie wykrywany przez detektor podczerwieni (IR). Modele matematyczne są następnie wykorzystywane do obliczania przewodności cieplnej na podstawie tego wzrostu temperatury.

Pojemność cieplną właściwą można również określić, gdy próbka jest analizowana wraz z próbką referencyjną. Najpopularniejszą metodą określania pojemności cieplnej właściwej w wysokich temperaturach jest różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC). Jednak typowe rozmiary próbek, o średnicy 5 mm i grubości 1 mm, nie są reprezentatywne dla materiałów ogniotrwałych.

Używając próbek large z LFA 707 StratoFlash^®Classic , o średnicy 25,4 mm, możliwe jest nie tylko określenie dyfuzyjności cieplnej, ale także pojemności cieplnej właściwej na reprezentatywnej próbce przy użyciu metody porównawczej zgodnie z ASTM E 1461.

Warunki pomiaru są wyszczególnione w tabeli 1.

Tabela 1: Warunki pomiaru

Wyniki i dyskusja

Rysunek 1 przedstawia pojemność cieplną właściwą dwóch materiałów ogniotrwałych (na bazie MgO i _Al2O3) w temperaturach od temperatury pokojowej do 1400°C. Zgodnie z oczekiwaniami, właściwa pojemność cieplna wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Nie ma znaczącej różnicy między pierwszym i drugim cyklem ogrzewania (w granicach ±5%). Podkreśla to stabilność chemiczną próbki (brak rozkładu i/lub odgazowania w całym zakresie temperatur).

Rysunek 2 przedstawia przewodność cieplną dwóch materiałów, obliczoną przy użyciu wyżej wymienionego wzoru. W przeciwieństwie do pojemności cieplnej właściwej, widoczne są wyraźne różnice między pierwszym i drugim cyklem ogrzewania. Różnice te są prawdopodobnie spowodowane zmianami strukturalnymi w próbce (np. Przejścia fazoweTermin przejście fazowe (lub zmiana fazy) jest najczęściej używany do opisania przejść między stanem stałym, ciekłym i gazowym.przejścia fazowe ciało stałe-ciało stałe i/lub powstawanie mikropęknięć).

Podsumowanie

LFA 707 StratoFlash^®Classic jest idealny do określania przewodności cieplnej niejednorodnych materiałów, takich jak materiały ogniotrwałe, ze względu na zakres temperatur do 1600 °C i możliwość umieszczenia próbek large o średnicy do 25,4 mm. Urządzenie może również reprezentatywnie określać pojemność cieplną właściwą. Uzyskana Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna jest niezbędna do projektowania i wymiarowania sprzętu do procesów wysokotemperaturowych.