Perché i tubi in carburo di silicio durano più a lungo di quelli in metallo in un forno ad alta temperatura

Se un tubo di un forno si guasta, raramente lo fa in modo “adatto al laboratorio”. Si incurva, si incrostano, si crepa in corrispondenza di un gancio o smette di trasferire il calore come faceva il primo anno. È proprio per risolvere questo problema che sono stati progettati i tubi in carburo di silicio. Non per essere “ceramici al posto dell’acciaio”. Un tubo in grado di resistere a temperature più elevate, dissipare più calore e mantenere comunque l’aspetto di un tubo anche quando le versioni in lega hanno già iniziato a deformarsi a forma di banana.

I tubi radianti in metallo sembrano una soluzione allettante sulla carta. Si possono saldare. Si possono martellare. Il preventivo sembra conveniente. Poi la temperatura della parete sale e subentra lo scorrimento. La patina di ossido si accumula, si sfalda e sottrae calore. Per garantire una durata accettabile, molti tubi in lega vengono utilizzati a un flusso termico modesto — spesso nell’intervallo 25–30 kW/m². Serve una maggiore potenza? Si aggiungono tubi, oppure si sovraccaricano quelli esistenti e li si sostituisce prima del previsto.

Il carburo di silicio ridefinisce i limiti. Questo materiale presenta una buona conduttività termica e un’ottima capacità di irraggiamento. Inoltre, non forma una patina spessa e friabile. Con il SiC siliconato (SiSiC), progettiamo regolarmente tubi radianti per un flusso circa doppio, intorno ai 50 kW/m², senza il calo di rendimento a metà campata che si riscontra con le leghe di nichel. La resistenza si mantiene nell’intervallo 1350–1380 °C. Oltre tale soglia, il silicio libero presente nel SiSiC rappresenta il limite massimo. Non vendiamo prodotti che superano tale limite sperando che funzionino.

Non tutti i tubi in SiC sono identici.

Il SiSiC è denso e a tenuta di gas. La combustione rimane all’interno. Il gas di processo rimane all’esterno. Lunghi tubi radianti orizzontali, tubi di raffreddamento, alcune sonde: è il componente fondamentale quando servono tenuta e rigidità.

Il SiC ricristallizzato è poroso, estremamente puro e incredibilmente resistente agli shock termici. In condizioni di funzionamento a aria può raggiungere circa 1600 °C. Non utilizzarlo in applicazioni che richiedono tenuta alla pressione. Utilizzalo in applicazioni in cui il tubo è sottoposto a fiamme e cicli termici intensi e la tenuta ai gas non è un requisito fondamentale.

Il SiC sinterizzato è un materiale denso, di elevata purezza, a tenuta di gas ed è la scelta più comune per i tubi di protezione delle termocoppie in presenza di gas corrosivi o abrasivi. I sensori rilevano la variazione più rapidamente rispetto a quanto avviene con l’allumina, poiché la parete è conduttiva. Per le coppie di platino, spesso si continua a utilizzare un rivestimento interno in allumina. Se si omette questo rivestimento, il SiC può condurre elettricità in misura tale da danneggiare un elemento di precisione.

I guasti che vediamo effettivamente sono banali. Un’estremità chiusa ha toccato il pavimento. Un morsetto ha schiacciato la parete. Un bruciatore ha bruciato decentrato e ha lasciato una striscia calda su un lato. Il tubo in SiC non si ammaccata e continua a funzionare. Si scheggia. L’ossidazione è reale — la silice si forma all’aria — ma di solito è lenta e protettiva. Un gancio difettoso invece no.

Se state sostituendo il metallo con il SiC, non limitatevi a copiare le vecchie misure di lunghezza e spessore della parete, cambiando solo il nome del materiale. Comunicateci la temperatura, l’atmosfera, se il tubo è orizzontale o verticale e se deve essere a tenuta di gas. Solo così il tipo di materiale e lo spessore della parete avranno un senso. Il vantaggio dei tubi in carburo di silicio è semplice: maggiore trasmissione del calore attraverso la parete, minore cedimento nella campata, meno arresti imprevisti. Ciò avviene solo se il tubo viene specificato come un componente per forni, non come un semplice pezzo di tubo preso dallo scaffale.