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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