Analizator termiczny Netzsch STA 449 F3 Jupiter i jego zastosowanie w badaniach właściwości termofizyczynych Tomasz Kargul Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Katedra Metalurgii Stopów Żelaza Zakopane,

Download Report

Transcript Analizator termiczny Netzsch STA 449 F3 Jupiter i jego zastosowanie w badaniach właściwości termofizyczynych Tomasz Kargul Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Katedra Metalurgii Stopów Żelaza Zakopane,

Analizator termiczny
Netzsch STA 449 F3 Jupiter
i jego zastosowanie w badaniach
właściwości termofizyczynych
Tomasz Kargul
Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej
Katedra Metalurgii Stopów Żelaza
Zakopane, 7-10 listopada 2012
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
Plan prezentacji
□ Wprowadzenie
□ Analizy termiczna i jej metody
□
□
□
□
Schemat i zasada działania Netzsch 449 F3 Jupiter
QMS 403 Aëolos – spektrometr masowy
Korzyści płynące z analiz sprzężonych
Podsumowanie
2
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
Wprowadzenie
STA 449 F3 Jupiter
□ Zakres pomiarowy
25-1650C
□ Szybkość nagrzewania
0,01-50 K/min
□ Max. masa próbki: 35 g
□ Czułość DSC: 0,1 μW
□ Rozdzielczość wagi: 1 μg
□ Atmosfera:
Aёolos QMS 403
Kwadropulowy spektrometr
masowy sprzężony z STA
□ Detekcja cząsteczek
o masach do 300 amu
□ Dokładność detekcji 0,5 amu
□ Podgrzewana linia
transmisyjna gazów do 300C
□ Jonizacja elektronowa
25eV do 100eV
□ statyczna i dynamiczna,
□ obojętna,
□ redukująca,
□ utleniająca.
3
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
Metody analizy termicznej
Metody analizy termicznej znajdują zastosowanie min. w badaniach:
□ zmian właściwości materiałów w czasie ogrzewania lub chłodzenia
□ przemian fazowych materiałów
□ określania składu chemicznego i fazowego materiałów
□ wyznaczania parametrów termodynamicznych i kinetycznych reakcji
□ badaniach określających czystość materiałów
□ wyznaczania ciepła właściwego oraz ciepła przemian fazowych
□ badaniach określających zawartość wody i wilgoci
□ badaniach trwałości termicznej materiałów
Materiały: minerały, substancje organiczne, metale, ceramika, polimery,
substancje organiczne, środki farmakologiczne.
4
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
Metody analizy termicznej
Oznaczenie
Nazwa metody
Badane właściwości materiałów
TG
Termograwimetria
Zmiany masy wynikające z procesów parowania,
dekompozycji
DTA
Termiczna analiza różnicowa
Różnica temperatur pomiędzy próbką a materiałem
wzorcowym
DSC
Różnicowa kalorymetria skaningowa
Efekty cieplne towarzyszące procesom fizycznym i
chemicznym, cp(T)
Termodylatometria
Zmiany wymiarów
TMA
Analiza termomechaniczna
Odkształcenia spowodowane obciążeniem
EGA
Detekcja produktów gazowych
Objętość wydzielających się składników gazowych
TD
Nowoczesna aparatura do analizy termicznej daje możliwość jednoczesnej
rejestracji sygnału TG-DTA, lub TG-DSC. Pozwala to na skorelować zmiany
masy próbki z efektami cieplnymi zachodzącymi w materiale.
5
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
Metody analizy termicznej
TG - Thermogravimetric Analysis
Analiza TG polega na rejestrowaniu zmian masy substancji podczas kontrolowanego ogrzewania
lub chłodzenia w funkcji czasu lub temperatury lub na pomiarze izotermicznym zmiany masy
substancji w funkcji czasu. Efektem końcowym badania jest krzywa termograwimetryczna,
obrazująca przebieg zmian masy substancji w badanym zakresie temperaturowym.
Zmiany masy próbki następują w skutek:
 usuwania wilgoci z próbki
 procesu spalania materiału
 procesu termicznego rozkładu
Krzywa
TG
Krzywa DTG nie rejestruje zmian
związanych
dla próbki: 75% biomasy
z procesami:
25 % węgiel
 przemian fazowych
 niszczenia struktury
 syntezy nowych faz
Tygiel z Al2O3
Płaszcz radiacyjny
nośnika
Sensor nośnika
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
6
Metody analizy termicznej
DTA - Differential Thermal Analysis
Analiza umożliwia wykrywanie efektów cieplnych, które towarzyszą przemianom fizycznym lub
chemicznym. Polega na rejestracji różnicy temperatur pomiędzy substancją badaną a
substancją odniesienia względem czasu lub temperatury. Podczas pomiaru rejestrowana
jest termiczna krzywa różnicowa DTA.
Reakcje endotermiczne:
□ dehydratacja
□ dehydroksylacja (oddawanie grup OH-)
□ przemiany fazowe
□ termiczny rozkład węglanów
□ dysocjacja termiczna
□ niszczenie struktury materiałów
Tygiel z Al2O3
Płaszcz radiacyjny
nośnika
Reakcje egzotermiczne:
□ spalanie
substancji organicznych
Krzywa
DTA dla Al
□ utlenianie
□ synteza nowych faz
Sensor nośnika
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
7
DSC- Differential Scaning Calorimetry
Analiza oparta jest na rejestracji różnic przepływu strumienia ciepła pomiędzy substancją
badaną a otoczeniem (układem grzewczym) i substancją wzorcową a otoczeniem
(układem grzewczym) w funkcji temperatury. Substancje badana oraz wzorcowa są
ogrzewane lub chłodzone w jednakowych warunkach zgodnie z ustalonym programem
temperaturowym. W wyniku pomiaru otrzymuje się krzywą DSC, która przedstawia ilość
ciepła wymienionego przez próbkę z otoczeniem w funkcji czasu lub temperatury. Pole
pików uzyskanych na krzywej DSC jest bezpośrednio związane z ciepłem zachodzącej
przemiany.
Krzywa DSC dla Sn
Nośnik TG-DSC cp
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
8
Schemat i zasada działania Netzsch 449
F3 Jupiter
Czułość DSC < 0.1 μW
Max. masa próbki 35 g
Szybkość nagrzewania 0.01 ÷ 50 C min-1
Zakres pomiarowy 25 ÷ 1650 C
Atmosfera:
statyczna
i
dynamiczna,
obojętna,
-2
redukująca, utleniająca, próżnia 10 mbar
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
9
Spektrometr masowy Aёolos QMS 403
Naturalny pionowy
przepływ gazu poprzez
piec analizatora do
podgrzewanego adaptera
z kapilarą
Kapilara wykonana z kwarcu,
kontrolowane podgrzewanie do 300 C
w celu uniknięcia kondesacji
przesyłanych do QMS gazów
Ogrzewana komora
pozwala na
precyzyjną regulację
kapilary
Analizator kwadrupolowy
spektrometru
10
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
Spektrometr masowy Aёolos QMS 403
11
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
Podsumowanie
□
W metalurgii analiza termiczna wykorzystywana jest do badań
termofizycznych materiałów mineralnych, oraz metali i ich stopów.
□
W grupie materiałów mineralnych wyróżnia się surowce: rudy metali, mieszanki
spiekalnicze, materiały technologiczne, materiały żużlotwórcze, topniki, nośniki węgla,
składniki materiałów ogniotrwałych.
□
Za pomocą analizy termicznej można określić ubytki masy, zawartość wody, straty
prażenia, temperatury przemian fizycznych (temperatury topnienia, krzepnięcia,
krystalizacji), efekty cieplne reakcji egzo i endotermicznych, wydzielone i pochłonięte
ciepło, towarzyszące
przemianom fizycznym i reakcjom chemicznym (rozkładu,
utleniania i redukcji), parametry termodynamiczne jak ciepło właściwe, entalpia
przemian.
□
W przypadku metali i stopów analizę termiczną DTA lub DSC można wykorzystać do
określania temperatur oraz efektów cieplnych przemian fazowych. Analiza DSC
pozwala na wyznaczenie ciepła właściwego.
□
Na podstawie uzyskanych w ten sposób informacji można określić szereg właściwości
technologicznych i dobierać parametry procesów technologicznych z udziałem
analizowanych substancji.
właściwości
12
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
Dziękuję za uwagę
Literatura
1. http://www.netzsch.com/pl/home/
2.Charakterystyka ciał stałych z wykorzystaniem techniki TG-MS,
Zakład Technologii Nieorganicznej i Ceramiki, Politechnika Warszawska
3. J.Stecko, P. Różański, Przykłady wykorzystania analizy termicznej
w badaniach Instytutu Metalurgii Żelaza, Prace IMŻ 1 (2011)
Sterowanie procesem ciągłego odlewania stali, Zakopane , 7-10 listopada 2012
13