Dlaczego rury z węglika krzemu są trwalsze od metalowych w gorącym piecu

Jeśli rura pieca ulegnie awarii, rzadko dzieje się to w sposób sprzyjający badaniom laboratoryjnym. Ulega ona ugięciu, pokrywa się łuskami, pęka w miejscu mocowania lub przestaje odprowadzać ciepło tak, jak w pierwszym roku eksploatacji. Właśnie z myślą o tym problemie zaprojektowano rury z węglika krzemu. Nie chodzi tu o “ceramikę zamiast stali”. Rura, która może pracować w wyższych temperaturach, odprowadzać więcej ciepła i nadal wyglądać jak rura, nawet gdy wersje ze stopów zaczynają się wyginać.

Metalowe rury promiennikowe na papierze wydają się atrakcyjne. Można je spawać. Można je uderzać. Zamówienie wygląda na niedrogie. Potem jednak temperatura ścianki rośnie i pojawia się zjawisko pełzania. Powstaje warstwa tlenku, która łuszczy się i pochłania ciepło. Aby zapewnić akceptowalną żywotność, wiele rur stopowych eksploatuje się przy umiarkowanym strumieniu ciepła — często w zakresie 25–30 kW/m². Potrzebna jest większa wydajność? Dodaje się rury lub nadmiernie rozgrzewa się te, które już są, co skraca ich żywotność i wymaga wcześniejszej wymiany.

Węglik krzemu przesuwa granice możliwości. Materiał ten charakteryzuje się dobrą przewodnością w wysokich temperaturach i wysoką wydajnością promieniowania. Nie tworzy na nim się gruba, łuszcząca się warstwa. W przypadku krzemionkowanego SiC (SiSiC) regularnie projektujemy rury promieniujące o natężeniu strumienia około dwukrotnie większym, wynoszącym około 50 kW/m², bez spadku wydajności w środkowej części, który występuje w przypadku stopów niklu. Wytrzymałość utrzymuje się w zakresie temperatur 1350–1380°C. Powyżej tej wartości ograniczeniem staje się wolny krzem zawarty w SiSiC. Nie sprzedajemy produktów przekraczających tę granicę, nie licząc na szczęście.

Nie każda rurka z SiC to ten sam element.

SiSiC jest materiałem gęstym i gazoszczelnym. Produkty spalania pozostają wewnątrz. Gaz procesowy nie przedostaje się do środka. Długie poziome rury promiennikowe, rury chłodzące, niektóre sondy — to niezawodny element, gdy potrzebna jest szczelność i sztywność.

Rekrystalizowany SiC jest porowaty, bardzo czysty i niesamowicie odporny na szok termiczny. W zastosowaniach lotniczych może wytrzymać temperaturę około 1600°C. Nie należy jednak oczekiwać, że będzie wytrzymywał ciśnienie. Należy go stosować tam, gdzie rura jest narażona na działanie płomienia i cykliczne zmiany temperatury, a szczelność gazowa nie ma znaczenia.

Spiekany SiC charakteryzuje się gęstością, wysoką czystością i gazoszczelnością, dlatego jest najczęściej wybierany jako rurka ochronna termopary w środowisku gazów korozyjnych lub ściernych. Czujniki rejestrują zmiany szybciej niż w przypadku tlenku glinu, ponieważ ścianka jest przewodząca. W przypadku par platynowych nadal często stosujemy wewnętrzną wkładkę z tlenku glinu. Jeśli tego nie zrobisz, SiC może przewodzić prąd na tyle, by zakłócić działanie czułego elementu.

Awarie, które faktycznie obserwujemy, są nudne. Zamknięty koniec uderzył o podłogę. Zacisk zaciśnął się na ścianie. Palnik zapalił się niecentrycznie i pozostawił gorący pasek po jednej stronie. Rurka z SiC nie wgniata się i nie działa dalej. Odłamuje się. Utlenianie jest faktem — krzemionka osadza się w powietrzu — ale zazwyczaj przebiega powoli i pełni funkcję ochronną. Zły wieszak już nie.

Jeśli zamieniasz metal na SiC, nie kopiuj starych wymiarów długości i grubości ścianki, zmieniając jedynie nazwę materiału. Podaj nam temperaturę, atmosferę, orientację (pozioma czy pionowa) oraz czy rura musi być gazoszczelna. Wtedy klasa materiału i grubość ścianki będą miały znaczenie. Zasada działania rur z węglika krzemu jest prosta: większy przepływ ciepła przez ściankę, mniejsze ugięcie w rozpiętości, mniej nieoczekiwanych przestojów. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy rura jest zaprojektowana jako element pieca, a nie jako gotowy element rurowy z półki.