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Ermittlung gesicherter Werte der Wärmeleitfähigkeit feuerfester Werkstoffe für die Auslegung von Industrieöfen und für die Prozessoptimierung
Die Angaben der Wärmeleitfähigkeit feuerfester Werkstoffe werden für die Dimensionierung und Simulation von thermischen Prozessen, insbesondere zur Ermittlung von Wandverlusten, benötigt. Die Nutzung der Daten ist eingeschränkt, da die Werte meist zehn Prozent und mehr abweichen. Ursache ist die Überlagerung von Unterschieden der Herstellungsprozesse, Stoffwerte, Strukturmerkmale und messtechnischen Faktoren. Die Wärmeleitfähigkeit von feuerfesten Werkstoffen ist ein davon abhängiger effektiver Stoffwert, der messtechnisch bestimmt werden muss. Bei den Untersuchungen wurden die Verfahren Heißdraht, Laser-Flash und Transient Hot-Bridge (THB) eingesetzt. Eine Beurteilung dieser Apparaturen erfolgte durch vergleichende Messungen an einem dafür entwickelten Hochtemperatur-Referenzmaterial mit variabler Struktur. Dabei wurde auch der Einfluss der Porosität auf die Wärmeleitfähigkeit nachgewiesen. Die Eignung der Verfahren für bestimmte Stoffgruppen und Struktureigenschaften wurde daraus abgeleitet. Das Heißdrahtverfahren zeigte sowohl bei dichten Werkstoffen als auch bei porösen Leichtsteinen sehr gute Resultate. Das Laser-Flash-Verfahren ergab bei dichten, relativ homogenen Werkstoffen sehr gute Übereinstimmungen. Bei porösen, grobkörnigen und strukturell unterschiedlichen Materialien wurden jedoch Abweichungen gefunden, deren Ursache die relativ kleinen Messproben für die DSC- und LFA-Messungen sind. Das Hot-Bridge-Verfahren konnte bei Messungen bis 200 °C eingesetzt werden. Die Messergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den anderen Verfahren. Aus den Messergebnissen konnten auch mineralogische Änderungen, Modifikationswechsel und Alterungseffekte erkannt werden. Durch die Untersuchungen wurden gesicherte Werte der Wärmeleitfähigkeit an industriell hergestellten feuerfesten Werkstoffen unter Beachtung der genannten Einflussfaktoren ermittelt.
WOMag 9/2018 Pliester, S.; Bauer, W.; Al-Karawi, J.; Specht, E.
Investigation of Solid Results for Thermal Conductivity of Refractory Materials, to Use in and to Optimize Thermal Processes
Thermal conductivity data of refractory materials are needed for design of industrial furnaces as well as simulation and optimization of thermal processes, and also for calculations of heat losses through furnace walls. Normally, the data differ by 10 % and more for the same kind of material. These deviations result from differences in manufacturing processes, different material properties and structures, and are influenced by measuring factors too. Therefore, choosing the right data is complicated for application. The thermal conductivity of refractory materials cannot be calculated from other material properties, it has to be determined using different measurement techniques. For investigations the methods Transient Hot-Wire (THW), Laser Flash Analysis (LFA), and Transient Hot-Bridge (THB) were selected. These methods are state of the art. An evaluation of the measurement devices was carried out by comparative measurements on a specially developed high-temperature reference material manufactured in eight different variants with stable thermal, chemical- mineralogical, and structural properties. The relationship between different structural properties and thermal conductivity was proved by all three measurement methods. The results indicate the suitability of the chosen methods for certain groups of refractory materials and different structural properties. The hot-wire method showed the best results for all variations of reference material and also for dense and porous industrial bricks. The results of the Laser- Flash-Analysis are in good agreement with the hot-wire method for most dense materials. But, deviations occurred at materials with high porosity and bigger grain sizes depending on the small dimensions of the samples for DSC and LFA measurements. The hot-bridge method was applicable up to 200 °C to all materials and provided values similar to the hot-wire method. Mineralogical changes, modification changes, and effects of aging could also be determined from the results. The investigations led to verified data of thermal conductivity of industrially manufactured refractory materials under consideration of the mentioned influence factors.
