Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7081
Model to Simulate the Interaction between Boron Carbide and
Steam or Air at high Temperature
Eduardo A. García
Abstract
The oxidation of boron carbide in steam or air was recently
extensively studied especially in Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für
Materialforschung. An important data set is available for the interaction
modelling.
An oxygen diffusion model through the superficial liquid boron oxide
formed on the boron carbide external surface associated to a superficial
reaction between the liquid boron oxide and steam is proposed to simulate the
experimental kinetics from BOX rig and thermogravimetric tests on the interaction
between steam and boron carbide at a temperature range 800°C to 1400°C. The
oxygen diffusion model will be also useful to simulate interaction between
boron carbide and Ar+O2 (air simulation) atmosphere when the steam
pressure becomes zero.
From the analysis of BOX rig experimental kinetics of non-condensable (H2,
CO2, CO and CH4) gases we propose an oxygen diffusion
model through the liquid boron oxide and a “steam/liquid boron
oxide” superficial reaction that generates condensable (boric acids) and
non-condensable gases in two interfaces, the interfaces “gas/liquid boron
oxide” and “liquid boron oxide/boron carbide”. The
superficial reaction is dependent on temperature and steam pressure. A specific
analysis is devoted to samples with porosity in comparison to samples without
or with very low porosity.
As the calculation of diffusion equation involves extra computing time, we
propose a simplified equation particularly useful for big codes.
We prove that the proposed model is able to simulate the H2, CO2,
CO and CH4 generation in the case of BOX rig tests under Ar+Steam
atmosphere during different experimental conditions like isothermal tests,
transient temperature tests and transient steam pressure tests or in the case
of thermogravimetric experiments under Ar+Steam and under Ar+O2
atmosphere in different isothermal conditions. The model is also able to
calculate the quantity of total condensable gases but for the moment it is not
possible to check with any experimental result.
Modellierung der
Wechselwirkung zwischen Borkarbid und Dampf oder Luft bei hohen Temperaturen.
Zusammenfassung
Die Oxidation von Borkarbid in Wasserdampf bzw. Luft
wurde in den letzten Jahren am Institut für Materialforschung des Forschungszentrum Karlsruhe intensiv untersucht. Es steht
nun ein umfangreicher Datensatz für die Modellierung zur Verfügung.
In diesem Bericht wird ein Modell zur Beschreibung
der experimentellen Ergebnisse vorgeschlagen, das auf der Diffusion von
Sauerstoff durch eine oberflächliche flüssige Boroxidschicht sowie der Reaktion
zwischen B2O3 und Dampf unter Bildung flüchtiger
Reaktionsprodukte basiert. Mit diesem Modell kann sowohl die Oxidation von B4C
in Dampf als auch in Luft beschrieben werden. Die Oxidationskinetik ist dabei
abhängig von Temperatur und Dampfpartialdruck.
Der Einfluss der Porosität der B4C Proben
wurde untersucht.
Da die Lösung der Diffusionsgleichungen viel
Rechenzeit benötigt, wurde außerdem eine vereinfachte Korreletion
vorgeschlagen, die in SFD Codes eingebaut werden kann.
Mit dem entwickelten Modell konnten verschiedene
isotherme und transiente Experimente in der BOX-Anlage sowie
thermogravimetrische Tests unter verschiedenen Atmosphären erfolgreich
nachgerechnet werden.
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