Co się dzieje ze steatytem w wysokich temperaturach?
Materiały wykorzystywane do budowy kominków muszą charakteryzować się dużą pojemnością cieplną oraz dużą sprawnością przewodzenia ciepła.
W przypadku skał o małej porowatości, ich zdolność do magazynowania ciepła oraz ich ciepło właściwe są wyznaczane przez skład mineralny. Zarówno magnezyt jak i talk, charakteryzują się odmiennymi pojemnościami cieplnymi, które można określić w sposób naukowy. Ciepło właściwe steatytu MammuttiStone, składającego się w połowie z talku oraz w połowie z magnezytu, może zostać określone na podstawie jego składników.
Ciepło właściwe steatytu MammuttiStone zostało określone na podstawie badań próbek, reprezentujących materiał wykorzystywany w produkcji; wyniki badań pokazują, że w temperaturze 0oC wynosi ono 790 - 820 J/kgK i wzrasta do 910 - 930 J/kgK w temperaturze 50 oC.
Czyni to steatyt MammuttiStone idealnym materiałem służącym do magazynowania oraz przewodzenia ciepła.
Kiedy rozgrzewany jest kominek wykonany w całości z kamienia steatytowego MammuttiStone, temperatura płonącego drewna sięga w najgorętszym punkcie 800 - 1200 oC. Badania przeprowadzone przez firmę NunnaUuni pokazują jednakże, iż w trakcie normalnego użytkowania temperatura powierzchni najgorętszych kamieni sięga tylko 650 oC.
Każdy minerał charakteryzuje się dobrze znanym i termodynamicznie określonym zakresem stabilności, przy określonym ciśnieniu oraz w określonych warunkach temperaturowych. W praktyce, w przypadku kominków, jedynym znaczącym czynnikiem jest temperatura, a w szczególności maksymalna temperatura, którą może osiągnąć którykolwiek z kamieni wykorzystanych do budowy kominka. Zachowanie się materiału oraz zachodzące w nim reakcje mogą zostać określone za pomocą analizy TGA (Thermal Gravimetric Analysis - Termiczna Analiza Grawimetryczna) oraz analizy DTA (Differential Thermal Analysis - Różnicowa Analiza Termiczna). Badanie TGA jest wykorzystywane do pomiaru zmian wagi materiału w trakcie oraz po reakcjach, zachodzących w różnych temperaturach. Badania DTA dostarczają informacji o tym, jak wyżej wymienione reakcje wydzielają ciepło lub też pochłaniają ciepło reakcji. Wyniki badań TGA/DTA dostarczają dokładny opis zachowania się steatytu w wysokich temperaturach.
Na wykresie przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań TGA/DTA dla typowego steatytu MammuttiStone znajdującego się jedynie w złożach firmy NunnaUuni, składającego się, w przybliżeniu, w połowie z magnezytu i w połowie z talku. Widoczna na rysunku purpurowa krzywa (TGA) przedstawia zmiany masy, natomiast zielona krzywa (DTA), bez korekty odniesienia, przedstawia ciepło reakcji wydzielone lub też pochłonięte w trakcie przemian fazowych, które miały miejsce w trakcie badania. Rysunek pokazuje wyraźnie, że żadne znaczące zmiany nie miały miejsca, zanim steatyt MammuttiStone nie rozgrzał się do temperatury 520 - 540 oC. Temperatura ta oznacza początek reakcji endotermicznej (reakcja wymagająca zewnętrznej energii cieplnej), w trakcie której magnezyt jest przekształcany w tlenek magnezu, peryklaz, oraz w dwutlenek węgla, który jest uwalniany w postaci gazowej. Podczas uwalniania dwutlenku węgla, masa skały maleje o około 20%. Należy zauważyć, że w czasie tego badania, cała masa steatytu MammuttiStone jest podgrzewana do temperatury przekraczającej 520 oC. W trakcie normalnego użytkowania kominka, zmiana masy dotyczy wyłącznie tej części skały, która osiągnie temperaturę niezbędną do rozpoczęcia reakcji powstawania peryklazu. Oznacza to zazwyczaj warstwę o głębokości od 5 do 10 milimetrów w obszarach najgorętszych powierzchni. Uzyskany peryklaz jest bardzo stabilny, nawet w temperaturach sięgających 1600 oC. W praktyce, nie ma w kominku możliwości osiągnięcia temperatur dostatecznie wysokich, aby peryklaz uległ przekształceniu lub też został zastąpiony przez inny typ minerału.
Inny typ reakcji, zachodzący w steatycie MammuttiStone, rozpoczyna się w temperaturze 840 oC. Reakcja ta wiąże energię i równocześnie zmniejsza masę steatytu o około 2%. W praktyce, reakcja ta łączy się z uwalnianiem grup hydroksylowych, które są związane z talkiem. Jedynie woda opuszcza strukturę, a stały materiał skalny o trwałym składzie podstawowym pozostaje. To badanie jednoznacznie pokazuje, że nawet w tak wysokich temperaturach, talk pozostaje, pełniąc wciąż rolę materiału wiążącego, który przewodzi również ciepło.
Maksymalną temperaturę, jaką osiągnął materiał w kominku, można potem łatwo obliczyć, ponieważ obszary, w których materiały węglanowe zostały przekształcone w peryklaz, mogą zostać bezbłędnie zidentyfikowane w trakcie standardowego badania mikroskopowego. W elementach konstrukcyjnych kominka, który był wykorzystywany od dawna, grubość warstwy zawierającej peryklaz może maksymalnie sięgać 30 mm - grubość mierzona po podniesieniu temperatury pieca powyżej 400 oC, w celach badawczych. Tak wysoka temperatura, naturalnie, jest znacząco wyższa, niż temperatura, którą można osiągnąć w wyniku normalnego nagrzewania.
W przypadku standardowych elementów konstrukcyjnych kominków oraz przewodów kominowych, grubość warstwy peryklazu sięga tylko kilka milimetrów w głąb, w obszarach najgorętszych powierzchni, co pokazuje jasno, że wyłącznie niewielka część całej masy kominka osiągnęła temperaturę niezbędną do rozpoczęcia reakcji, w trakcie której magnezyt jest przekształcany w peryklaz.
Badania przeprowadzane zgodnie z normą DIN 51058, stanowią powszechnie uznawaną metodę pomiaru odporności dowolnego materiału na wstrząsy cieplne - to znaczy, na powtarzające się, gwałtowne zmiany temperatury. W procedurze badania odporności na wstrząsy cieplne, opisanej w normie DIN 51058, steatyt jest wystawiany na działanie dużo większych wstrząsów cieplnych niż te, z którymi może się kiedykolwiek spotkać w trakcie normalnego użytkowania. Niezależnie od tego, badania pozwalają uzyskać dokładny obraz tego, czy poddany testom materiał będzie nadawał się do pracy w termicznie wymagających warunkach. Badania te wykonuje się, umieszczając na 15 minut suchy skalny walec w temperaturze 950 oC, po czym zostaje on zanurzony przez 5 minut w płynącej wodzie o temperaturze 20 oC; następnie badana próbka jest osuszana w piecu do osuszania. Proces ten jest powtarzany tyle razy, ile będzie potrzebne do rozbicia walca na dwie lub większą ilość części.
W oparciu o wyniki tego badania okazało się, że wewnętrzna struktura (to znaczy tekstura) steatytu MammuttiStone jest kolejnym, ważnym czynnikiem wpływającym na jego trwałość. Pierwszym takim czynnikiem jest jego skład mineralny. Steatyt MammuttiStone, składający się z drobnoziarnistego magnezytu oraz z łuskowego talku o foliacji zgodnej z kierunkiem fałdowania, otrzymuje niemalże maksymalny wynik w badaniu odporności na wstrząsy cieplne. Gruboziarnista, niehomogeniczna odmiana steatytu (która zawiera inne składniki takie, jak duża ilość chlorytu zamiast talku) może rozpaść się w proch po kilku procesach nagrzewania i studzenia.
Ciepło właściwe steatytu MammuttiStone zostało określone na podstawie badań próbek, reprezentujących materiał wykorzystywany w produkcji; wyniki badań pokazują, że w temperaturze 0oC wynosi ono 790 - 820 J/kgK i wzrasta do 910 - 930 J/kgK w temperaturze 50 oC.
Czyni to steatyt MammuttiStone idealnym materiałem służącym do magazynowania oraz przewodzenia ciepła.
Kiedy rozgrzewany jest kominek wykonany w całości z kamienia steatytowego MammuttiStone, temperatura płonącego drewna sięga w najgorętszym punkcie 800 - 1200 oC. Badania przeprowadzone przez firmę NunnaUuni pokazują jednakże, iż w trakcie normalnego użytkowania temperatura powierzchni najgorętszych kamieni sięga tylko 650 oC.
Każdy minerał charakteryzuje się dobrze znanym i termodynamicznie określonym zakresem stabilności, przy określonym ciśnieniu oraz w określonych warunkach temperaturowych. W praktyce, w przypadku kominków, jedynym znaczącym czynnikiem jest temperatura, a w szczególności maksymalna temperatura, którą może osiągnąć którykolwiek z kamieni wykorzystanych do budowy kominka. Zachowanie się materiału oraz zachodzące w nim reakcje mogą zostać określone za pomocą analizy TGA (Thermal Gravimetric Analysis - Termiczna Analiza Grawimetryczna) oraz analizy DTA (Differential Thermal Analysis - Różnicowa Analiza Termiczna). Badanie TGA jest wykorzystywane do pomiaru zmian wagi materiału w trakcie oraz po reakcjach, zachodzących w różnych temperaturach. Badania DTA dostarczają informacji o tym, jak wyżej wymienione reakcje wydzielają ciepło lub też pochłaniają ciepło reakcji. Wyniki badań TGA/DTA dostarczają dokładny opis zachowania się steatytu w wysokich temperaturach.
Na wykresie przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań TGA/DTA dla typowego steatytu MammuttiStone znajdującego się jedynie w złożach firmy NunnaUuni, składającego się, w przybliżeniu, w połowie z magnezytu i w połowie z talku. Widoczna na rysunku purpurowa krzywa (TGA) przedstawia zmiany masy, natomiast zielona krzywa (DTA), bez korekty odniesienia, przedstawia ciepło reakcji wydzielone lub też pochłonięte w trakcie przemian fazowych, które miały miejsce w trakcie badania. Rysunek pokazuje wyraźnie, że żadne znaczące zmiany nie miały miejsca, zanim steatyt MammuttiStone nie rozgrzał się do temperatury 520 - 540 oC. Temperatura ta oznacza początek reakcji endotermicznej (reakcja wymagająca zewnętrznej energii cieplnej), w trakcie której magnezyt jest przekształcany w tlenek magnezu, peryklaz, oraz w dwutlenek węgla, który jest uwalniany w postaci gazowej. Podczas uwalniania dwutlenku węgla, masa skały maleje o około 20%. Należy zauważyć, że w czasie tego badania, cała masa steatytu MammuttiStone jest podgrzewana do temperatury przekraczającej 520 oC. W trakcie normalnego użytkowania kominka, zmiana masy dotyczy wyłącznie tej części skały, która osiągnie temperaturę niezbędną do rozpoczęcia reakcji powstawania peryklazu. Oznacza to zazwyczaj warstwę o głębokości od 5 do 10 milimetrów w obszarach najgorętszych powierzchni. Uzyskany peryklaz jest bardzo stabilny, nawet w temperaturach sięgających 1600 oC. W praktyce, nie ma w kominku możliwości osiągnięcia temperatur dostatecznie wysokich, aby peryklaz uległ przekształceniu lub też został zastąpiony przez inny typ minerału.
Inny typ reakcji, zachodzący w steatycie MammuttiStone, rozpoczyna się w temperaturze 840 oC. Reakcja ta wiąże energię i równocześnie zmniejsza masę steatytu o około 2%. W praktyce, reakcja ta łączy się z uwalnianiem grup hydroksylowych, które są związane z talkiem. Jedynie woda opuszcza strukturę, a stały materiał skalny o trwałym składzie podstawowym pozostaje. To badanie jednoznacznie pokazuje, że nawet w tak wysokich temperaturach, talk pozostaje, pełniąc wciąż rolę materiału wiążącego, który przewodzi również ciepło.
Maksymalną temperaturę, jaką osiągnął materiał w kominku, można potem łatwo obliczyć, ponieważ obszary, w których materiały węglanowe zostały przekształcone w peryklaz, mogą zostać bezbłędnie zidentyfikowane w trakcie standardowego badania mikroskopowego. W elementach konstrukcyjnych kominka, który był wykorzystywany od dawna, grubość warstwy zawierającej peryklaz może maksymalnie sięgać 30 mm - grubość mierzona po podniesieniu temperatury pieca powyżej 400 oC, w celach badawczych. Tak wysoka temperatura, naturalnie, jest znacząco wyższa, niż temperatura, którą można osiągnąć w wyniku normalnego nagrzewania.
W przypadku standardowych elementów konstrukcyjnych kominków oraz przewodów kominowych, grubość warstwy peryklazu sięga tylko kilka milimetrów w głąb, w obszarach najgorętszych powierzchni, co pokazuje jasno, że wyłącznie niewielka część całej masy kominka osiągnęła temperaturę niezbędną do rozpoczęcia reakcji, w trakcie której magnezyt jest przekształcany w peryklaz.
Odporność na naprężenia cieplne oraz na szybkie zmiany temperatury
Badania przeprowadzane zgodnie z normą DIN 51058, stanowią powszechnie uznawaną metodę pomiaru odporności dowolnego materiału na wstrząsy cieplne - to znaczy, na powtarzające się, gwałtowne zmiany temperatury. W procedurze badania odporności na wstrząsy cieplne, opisanej w normie DIN 51058, steatyt jest wystawiany na działanie dużo większych wstrząsów cieplnych niż te, z którymi może się kiedykolwiek spotkać w trakcie normalnego użytkowania. Niezależnie od tego, badania pozwalają uzyskać dokładny obraz tego, czy poddany testom materiał będzie nadawał się do pracy w termicznie wymagających warunkach. Badania te wykonuje się, umieszczając na 15 minut suchy skalny walec w temperaturze 950 oC, po czym zostaje on zanurzony przez 5 minut w płynącej wodzie o temperaturze 20 oC; następnie badana próbka jest osuszana w piecu do osuszania. Proces ten jest powtarzany tyle razy, ile będzie potrzebne do rozbicia walca na dwie lub większą ilość części.
W oparciu o wyniki tego badania okazało się, że wewnętrzna struktura (to znaczy tekstura) steatytu MammuttiStone jest kolejnym, ważnym czynnikiem wpływającym na jego trwałość. Pierwszym takim czynnikiem jest jego skład mineralny. Steatyt MammuttiStone, składający się z drobnoziarnistego magnezytu oraz z łuskowego talku o foliacji zgodnej z kierunkiem fałdowania, otrzymuje niemalże maksymalny wynik w badaniu odporności na wstrząsy cieplne. Gruboziarnista, niehomogeniczna odmiana steatytu (która zawiera inne składniki takie, jak duża ilość chlorytu zamiast talku) może rozpaść się w proch po kilku procesach nagrzewania i studzenia.
. Druga reakcja (punkt B), jest to reakcja dehydroksylacji talku (to znaczy reakcja, w której z talku zostają uwolnione grupy OH), zachodząca, w przybliżeniu, w temperaturze 840 oC.)
