Introducere
Refractoriile sunt esențiale pentru procesele la temperaturi ridicate, deoarece protejează echipamentele utilizate în oțel, sticlă, ceramică, ciment, inginerie chimică și energetică de temperaturi extreme, substanțe agresive și solicitări mecanice. Acestea sunt utilizate, de exemplu, ca garnituri în cuptoare, reactoare și rezervoare de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire. O proprietate cheie a materialului în acest context este conductivitatea termică. Aceasta determină în mod semnificativ cantitatea de căldură transferată către mediul înconjurător, influențând în mod direct eficiența energetică a procesului. În plus, conductivitatea termică are un efect semnificativ asupra tensiunilor termice și, în consecință, asupra duratei de viață a materialelor.
Refractarele sunt materiale neomogene constând dintr-o matrice cu particule încorporate. La determinarea proprietăților termofizice, cum ar fi conductivitatea termică, se aplică următorul principiu: Cu cât eșantionul este mai mare, cu atât este mai reprezentativ.
Determinarea conductivității termice a materialelor refractare reprezintă o provocare pentru multe sisteme de măsurare. Acest lucru se datorează a doi factori: temperaturile relativ ridicate, care depășesc de obicei 1000°C, și lipsa de omogenitate a materialelor.
Metodă și măsurători Condiții
LFA 707 StratoFlash® Classic poate analiza probe cu un diametru de până la 25,4 mm, chiar și la temperaturi ridicate. Metoda LFA determină în primul rând difuzivitatea termică (α) și, împreună cu densitatea (ρ) și capacitatea termică specifică (Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp), se calculează conductivitatea termică (λ) folosind următoarea formulă:
În metoda LFA, suprafața frontală a unei probe este încălzită cu ajutorul unui impuls scurt de energie de la un laser. Creșterea temperaturii pe partea din spate a probei este apoi detectată de un detector infraroșu (IR). Se utilizează apoi modele matematice pentru a calcula conductivitatea termică pe baza acestei creșteri de temperatură.
Capacitatea termică specifică poate fi, de asemenea, determinată atunci când proba este analizată împreună cu o probă de referință. Cea mai comună metodă de determinare a capacității termice specifice la temperaturi ridicate este calorimetria diferențială cu baleiaj (DSC). Cu toate acestea, dimensiunile tipice ale probelor, cu un diametru de 5 mm și o grosime de 1 mm, nu sunt reprezentative pentru materialele refractare.
Folosind probele large din LFA 707 StratoFlash® Classic , cu diametrul de 25,4 mm, este posibilă nu numai determinarea difuzivității termice, ci și a capacității termice specifice pe o probă reprezentativă, utilizând metoda comparativă în conformitate cu ASTM E 1461.
Condițiile de măsurare sunt detaliate în tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| Material | 2 materiale refractare pe bază de MgO- și Al2O2-(grosime: aprox. 3 mm) |
| Suport de probe | Ø 25,4 mm, grafit |
| Program de temperatură | RT - 1400°C cu 2 încălziri |
| Dimensiunea probei | În funcție de material, o probă cu Ø 25,4 mm și o grosime de ~3 mm, fețe plan-paralele |
| Acoperire | Grafit |
| Referință pentru Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp | Grafit POCO |
| Atmosferă | Ar |
| Viteza de încălzire | variabilă până la 20 K/min |
| Energie | 600 V; 600 μs |
Rezultate și discuții
Figura 1 prezintă capacitatea termică specifică a două materiale refractare (pe bază de MgO și Al2O3) la temperaturi cuprinse între temperatura camerei și 1400°C. După cum era de așteptat, capacitatea termică specifică crește odată cu creșterea temperaturii. Nu există nicio diferență semnificativă între primul și al doilea ciclu de încălzire (în limitele a ±5%). Acest lucru evidențiază stabilitatea chimică a probei (fără Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere și/sau degazare în întreaga gamă de temperaturi).
Figura 2 prezintă conductivitatea termică a celor două materiale, calculată cu ajutorul formulei menționate mai sus. Spre deosebire de capacitatea termică specifică, între primul și al doilea ciclu de încălzire sunt evidente diferențe clare. Aceste diferențe se datorează probabil schimbărilor structurale din cadrul probei (de exemplu, tranziții de fază solid-solid și/sau formarea de microfisuri).
Rezumat
Aparatul LFA 707 StratoFlash® Classic este ideal pentru determinarea conductivității termice a materialelor neomogene, cum ar fi materialele refractare, datorită domeniului său de temperatură de până la 1600 °C și a capacității sale de a găzdui probe large cu un diametru de până la 25,4 mm. De asemenea, dispozitivul poate determina în mod reprezentativ capacitatea termică specifică. Conductivitatea termică rezultată este esențială pentru proiectarea și dimensionarea echipamentelor pentru procese la temperaturi ridicate.