Inledning
Eldfasta material är viktiga för högtemperaturprocesser eftersom de skyddar utrustning som används inom stål-, glas-, keramik-, cement-, kemi- och energiteknik från extrema temperaturer, aggressiva ämnen och mekanisk påfrestning. De används t.ex. som infodring i ugnar, reaktorer och smälttankar. En viktig materialegenskap i detta sammanhang är värmeledningsförmågan. Den avgör i hög grad hur mycket värme som överförs till omgivningen, vilket direkt påverkar processens energieffektivitet. Dessutom har värmeledningsförmågan en betydande inverkan på de termiska spänningarna och därmed på materialens livslängd.
Eldfasta material är inhomogena material som består av en matris med inbäddade partiklar. Vid bestämning av termofysikaliska egenskaper som t.ex. Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga gäller följande: Ju större provet är, desto mer representativt är det.
Bestämning av värmeledningsförmågan hos eldfasta material är en utmaning för många mätsystem. Detta beror på två faktorer: de relativt höga temperaturerna, som normalt överstiger 1000°C, och materialens inhomogenitet.
Metod och mätningar Villkor
LFA 707 StratoFlash®Classic kan analysera prover med en diameter på upp till 25,4 mm, även vid höga temperaturer. LFA-metoden bestämmer i första hand värmediffusiviteten (α), och tillsammans med densiteten (ρ) och den specifika värmekapaciteten (Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp) beräknas värmeledningsförmågan (λ) med följande formel:
I LFA-metoden värms provets främre yta upp med en kort energipuls från en laser. Temperaturökningen på provets baksida detekteras sedan av en infraröd (IR) detektor. Matematiska modeller används sedan för att beräkna värmeledningsförmågan utifrån denna temperaturökning.
Den specifika värmekapaciteten kan också bestämmas genom att provet analyseras tillsammans med ett referensprov. Den vanligaste metoden för att bestämma den specifika värmekapaciteten vid höga temperaturer är differential scanning calorimetry (DSC). Typiska provstorlekar, med en diameter på 5 mm och en tjocklek på 1 mm, är dock inte representativa för eldfasta material.
Med hjälp av large -proverna från LFA 707 StratoFlash®Classic , med en diameter på 25,4 mm, är det inte bara möjligt att bestämma den termiska diffusiviteten utan även den specifika värmekapaciteten på ett representativt prov med hjälp av den jämförande metoden enligt ASTM E 1461.
Mätförhållandena beskrivs i detalj i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Material | 2 eldfasta material på MgO- och Al2O2-basis(tjocklek: ca 3 mm) |
| Provhållare | Ø 25,4 mm, grafit |
| Temperaturprogram | RT - 1400°C med 2 uppvärmningar |
| Provets storlek | Motsvarande material, ett prov med Ø 25,4 mm och en tjocklek på ~3 mm, planparallella ytor |
| Beläggning | Grafit |
| Referens för Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp | POCO-grafit |
| Atmosfär | Ar |
| Uppvärmningshastighet | variabel upp till 20 K/min |
| Energi | 600 V; 600 μs |
Resultat och diskussion
Figur 1 visar den specifika värmekapaciteten för två eldfasta material (MgO- och Al2O3-baserade) vid temperaturer från rumstemperatur till 1400°C. Som väntat ökar den specifika värmekapaciteten med stigande temperaturer. Det finns ingen signifikant skillnad mellan den första och den andra uppvärmningscykeln (inom ±5%). Detta understryker provets kemiska stabilitet (ingen NedbrytningsreaktionEn sönderdelningsreaktion är en termiskt inducerad reaktion av en kemisk förening som bildar fasta och/eller gasformiga produkter. sönderdelning och/eller avgasning över hela temperaturintervallet).
Figur 2 visar värmeledningsförmågan för de två materialen, beräknad med hjälp av den tidigare nämnda formeln. Till skillnad från den specifika värmekapaciteten syns tydliga skillnader mellan den första och den andra uppvärmningscykeln. Dessa skillnader beror sannolikt på strukturella förändringar i provet (t.ex. FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar mellan fast och fast material och/eller bildning av mikrosprickor).
Sammanfattning
LFA 707 StratoFlash®Classic är idealisk för bestämning av värmeledningsförmågan hos inhomogena material, t.ex. eldfasta material, tack vare sitt temperaturområde på upp till 1600 °C och sin kapacitet att rymma large prover med en diameter på upp till 25,4 mm. Apparaten kan också på ett representativt sätt bestämma den specifika värmekapaciteten. Den resulterande värmeledningsförmågan är viktig för att utforma och dimensionera utrustning för högtemperaturprocesser.