Почему трубы из карбида кремния служат дольше металлических в горячей печи

Если труба печи выходит из строя, это редко происходит так, как хотелось бы в лабораторных условиях. Она провисает, покрывается накипью, трескается в месте крепления на подвеске или перестает отводить тепло так же эффективно, как в первый год эксплуатации. Именно для решения этой проблемы и созданы трубы из карбида кремния. А не просто “керамика вместо стали”. Труба, которая может выдерживать более высокие температуры, отводить больше тепла и при этом по-прежнему выглядеть как труба, когда трубы из сплавов уже начали деформироваться.

На бумаге металлические трубы с излучающей поверхностью выглядят очень привлекательно. Их можно сваривать. Их можно ударять. В заказе на поставку они кажутся недорогими. Но потом температура стены повышается, и начинается ползучесть. Оксидная корка разрастается, отслаивается и похищает тепло. Чтобы обеспечить приемлемый срок службы, многие трубы из легированных сплавов эксплуатируются при умеренном тепловом потоке — часто в диапазоне 25–30 кВт/м². Нужна большая мощность? Приходится либо добавлять трубы, либо перегревать имеющиеся, что приводит к их более ранней замене.

Карбид кремния меняет границы возможного. Этот материал обладает хорошей теплопроводностью и высокой теплоотдачей. На его поверхности не образуется толстая отслаивающаяся корка. Используя силицированный SiC (SiSiC), мы регулярно разрабатываем излучающие трубки, рассчитанные примерно на вдвое больший световой поток — около 50 кВт/м² — без падения мощности в середине пролета, характерного для никелевых сплавов. Прочность сохраняется в диапазоне 1350–1380 °C. После этого пределом становится содержание свободного кремния в SiSiC. Мы не продаем продукцию, превышающую этот предел, и не полагаемся на удачу.

Не все трубки из карбида кремния (SiC) являются одинаковыми деталями.

SiSiC отличается высокой плотностью и газонепроницаемостью. Продукты сгорания не выходят наружу. Технологический газ не проникает внутрь. Длинные горизонтальные излучающие трубки, охлаждающие трубки, несколько датчиков — это надежный и универсальный вариант, когда требуются герметичность и жесткость.

Рекристаллизованный SiC — это пористый, очень чистый материал, обладающий потрясающей стойкостью к термическим ударам. При работе в атмосферных условиях он выдерживает температуру до 1600 °C. Не стоит рассчитывать на его герметичность под давлением. Используйте его там, где трубка подвергается воздействию пламени и циклическим нагрузкам, а газонепроницаемость не имеет значения.

Агломерированный SiC отличается высокой плотностью, высокой степенью чистоты и газонепроницаемостью, поэтому его обычно выбирают в качестве защитной трубки для термопар, работающих в среде коррозионных или абразивных газов. Датчики фиксируют изменения быстрее, чем при использовании оксида алюминия, поскольку стенка является проводником. Для платиновых термопар мы по-прежнему часто используем внутреннюю облицовку из оксида алюминия. Если обойтись без неё, SiC может проводить электричество настолько хорошо, что это может повредить тонкий элемент.

Те неисправности, которые мы действительно наблюдаем, довольно банальны. Закрытый конец коснулся пола. Зажим защемил стенку. Горелка сработала не по центру и оставила горячую полосу с одной стороны. Трубка из SiC не деформируется и не продолжает работать. Она раскалывается. Окисление действительно имеет место — кремнезем нарастает на воздухе — но обычно этот процесс происходит медленно и играет защитную роль. А вот некачественный подвес — нет.

Если вы заменяете металл на SiC, не копируйте старые значения длины и толщины стенки, просто изменив название материала. Сообщите нам температуру, состав среды, горизонтальное или вертикальное расположение, а также необходимо ли, чтобы труба была газонепроницаемой. Только тогда марка материала и толщина стенки будут иметь значение. Суть использования труб из карбида кремния проста: больше тепла проходит через стенку, меньше провисание в пролете, меньше неожиданных остановок. Это возможно только в том случае, если труба заказывается как деталь печи, а не как стандартная труба с полки.