Proč trubice RBSiC vyzařují teplo nerovnoměrně nebo selhávají již v rané fázi tavení skla

Proč trubice RBSiC vyzařují teplo nerovnoměrně nebo selhávají již v rané fázi tavení skla

Po dvanácti letech zkušeností s podporou systémů pro tavení a úpravu skla lze obecně konstatovat, že sálavé trubky z karbidu křemíku spojené reakčním spájením buď nedokážou rovnoměrně přenášet teplo, nebo vykazují lokální ztenčení dlouho před očekávanou délkou provozní kampaně. Hořák pracuje správně a trubice je z materiálu odpovídající kvality, přesto se povrchové teploty mění po celé délce nebo se stěna ztenčuje především na straně plamene. Rozhodujícími faktory jsou vysoká tepelná vodivost materiálu, která umožňuje účinný přenos tepla, a rychlost povrchové oxidace nebo působení alkálií, které pomalu narušují stěnu.

Reakčně vázaný karbid křemíku (RBSiC nebo SiSiC) obsahuje souvislou síť zrn SiC spojených zbytkovým volným křemíkem. Tepelná vodivost se při provozní teplotě obvykle pohybuje v rozmezí 30–50 W/m·K, což je podstatně více než u většiny kovových slitin používaných v sálavých trubkách. To umožňuje vyšší tepelný tok bez nadměrných vnitřních teplotních gradientů, takže vnější povrch může účinně vyzařovat teplo směrem ke sklu nebo do spalovacího prostoru. Současně se volný křemík a povrch SiC oxidují na vzduchu nebo v produktech spalování a vytvářejí vrstvu oxidu křemičitého. Ve sklářské peci je tato vrstva dále narušována parami alkalických kovů, které mohou tvořit křemičitany s nízkou teplotou tání a urychlovat lokální úbytek materiálu. Vzhledem k tomu, že volný křemík měkne při teplotě kolem 1410 °C, jsou praktické teploty trubek obvykle omezeny na přibližně 1350–1380 °C, aby byla zachována pevnost. Ztenčení stěny tedy snižuje jak konstrukční rezervu, tak rovnoměrnost přenosu tepla, jakmile zbývající část ztenčí natolik, že vzniknou lokální horká místa.

V předpeci ze skleněného kontejneru, který pracuje s plynovými sálavými trubkami při teplotě povrchu trubek 1280–1320 °C, byly po dobu 120 dnů sledovány dvě trubky z materiálu RBSiC. Průměrný tepelný tok činil 85 kW/m². Tloušťka stěny měřená ve střední části na straně vystavené plameni se snížila o 0,9 mm z původních 8 mm. Na opačné straně činila ztráta 0,4 mm. Kolísání povrchové teploty podél délky trubice zůstalo v rozmezí 25 °C a nebylo pozorováno žádné prohýbání ani praskání. Paralelní trubice z kovové slitiny při stejném provozu hořáku dosáhla maximálního trvalého toku přibližně 40 kW/m², než další nárůst omezily obavy z tečení; úbytek tloušťky stěny byl u ní menší, ale na trubici se objevilo viditelné zkreslení. Po demontáži vykazoval povrch trubky z RBSiC tenkou, souvislou vrstvu křemičitého okují s lokálními skvrnami bohatými na alkálie pouze na straně plamene. Nárůst hmotnosti odříznutých vzorků po skončení testovacího cyklu činil 0,5 %, což odpovídá omezené oxidaci.

Výkon trubice se proto udržuje provozem v rámci teplotního limitu stanoveného obsahem volného křemíku a sledováním tloušťky stěny na nejteplejším povrchu. U sklářského tavení s použitím sálavých trubek z RBSiC jsou regulovatelnými veličinami teplota povrchu trubky, stechiometrie hořáku a vystavení alkalickým parám. Životnost sálavých trubek z reakčně vázaného karbidu křemíku se prodlužuje, pokud ochranná vrstva křemičitého okruhu zůstává neporušená a úbytek tloušťky stěny nepřekračuje konstrukční rezervu. Provoz sklářské pece s trubkami SiSiC s tepelnou vodivostí umožňuje vyšší průtok než u kovových trubek, za předpokladu, že teplota zůstane pod rozsahem změkčení volného křemíku. Pokud se přenos tepla stane nerovnoměrným nebo se trubky rychle ztenčují, potvrzujícími údaji jsou lokální měření tloušťky stěny a profily povrchové teploty. Udržování teploty povrchu trubice na úrovni 1320 °C nebo nižší a ověřování rovnoměrného spalování, jak dokládá úbytek tloušťky stěny na straně plamene o 0,9 mm a stabilní rozložení teploty při srovnání v předpeci, zachovává jak výhodu přenosu tepla, tak strukturální integritu sálavých trubic RBSiC.