Γιατί οι σωλήνες από καρβίδιο του πυριτίου παρουσιάζουν ρωγμές στο ψυχρό άκρο μετά από μόλις λίγους μήνες σε κλιβάνους διαλείπουσας λειτουργίας

Μετά από δώδεκα χρόνια εργασίας με εξοπλισμό υψηλής θερμοκρασίας στην περιοχή της Σαγκάης, η βλάβη που παρατηρώ πιο συχνά στους σωλήνες καρβιδίου του πυριτίου δεν είναι η σταδιακή αραίωση ούτε η χημική διάβρωση. Πρόκειται για μια καθαρή ρωγμή που ξεκινά κοντά στο ψυχρό άκρο ή στη φλάντζα στερέωσης, μετά από μόλις λίγους μήνες κανονικής λειτουργίας σε κύκλους παραγωγής. Οι χειριστές συνήθως υποθέτουν ότι ο σωλήνας ήταν ελαττωματικός ή ότι η θερμοκρασία του κλιβάνου ήταν απλά πολύ υψηλή. Στις εγκαταστάσεις που ελέγχω, ο ίδιος ο σωλήνας σπάνια αποτελεί τη βασική αιτία. Το πρόβλημα οφείλεται στον συνδυασμό μιας απότομης θερμικής κλίσης και του τρόπου στήριξης του σωλήνα.

Οι σωλήνες από καρβίδιο του πυριτίου που χρησιμοποιούνται ως θήκες προστασίας θερμοστοιχείων ή ως σύντομα ακτινοβολικά στοιχεία αντέχουν καλά στη ζώνη υψηλής θερμοκρασίας. Το υλικό διαθέτει καλή αντοχή και θερμική αγωγιμότητα, εφόσον θερμανθεί ομοιόμορφα. Το πρόβλημα αρχίζει κάθε φορά που ο κλίβανος ψύχεται και επαναθερμαίνεται. Το βυθισμένο ή θερμαινόμενο τμήμα παραμένει θερμότερο για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, ενώ το τμήμα που προεξέχει στον ψυχρότερο αέρα του περιβάλλοντος μειώνει γρήγορα τη θερμοκρασία του. Αυτό δημιουργεί μια απότομη διαφορά θερμοκρασίας κατά μήκος ενός μικρού τμήματος των σωλήνων καρβιδίου του πυριτίου. Το καρβίδιο του πυριτίου έχει χαμηλή θερμική διαστολή, αλλά παραμένει εύθραυστο. Όταν τα θερμά και ψυχρά τμήματα τείνουν να αλλάξουν μήκος με διαφορετικούς ρυθμούς και ο σωλήνας είναι σταθερά στερεωμένος ή σφραγισμένος στο ψυχρό άκρο, δημιουργείται εφελκυστική τάση ακριβώς στη ζώνη μετάβασης. Μετά από αρκετούς κύκλους, η τάση υπερβαίνει την τοπική αντοχή και σχηματίζεται ρωγμή, η οποία συχνά ξεκινά από την εξωτερική επιφάνεια.

Αυτό το φαινόμενο το παρατηρώ πιο ξεκάθαρα σε κεραμικούς κλιβάνους διαλείπουσας λειτουργίας και σε μικρούς κλιβάνους θερμικής επεξεργασίας μετάλλων που λειτουργούν καθημερινά ή αρκετές φορές την εβδομάδα. Οι κλιβάνους συνεχούς λειτουργίας με πιο αργές αυξήσεις θερμοκρασίας και καλύτερη μόνωση στην τελική ζώνη σπάνια παρουσιάζουν τις ίδιες πρώιμες ρωγμές σε σωλήνες πανομοιότυπης ποιότητας. Η διαφορά δεν έγκειται στο ίδιο το καρβίδιο του πυριτίου, αλλά στο πόσες φορές ο σωλήνας υποβάλλεται σε μεγάλη αξονική διαφορά θερμοκρασίας ενώ παραμένει ακίνητος.

Οι πρακτικές λύσεις που παρατείνουν πραγματικά τη διάρκεια ζωής είναι μηχανικές και διαδικαστικές και όχι αλλαγή στην ποιότητα του υλικού. Πρώτον, αποφύγετε την άκαμπτη σύσφιξη ακριβώς στο σημείο όπου ο σωλήνας εξέρχεται από τη ζώνη υψηλής θερμοκρασίας. Ένα μικρό τμήμα εύκαμπτης στεγανοποίησης, ένας σφιγκτήρας με ελατήριο ή απλώς η δυνατότητα αξονικής κίνησης λίγων χιλιοστών επιτρέπει στον σωλήνα να διαστέλλεται και να συστέλλεται χωρίς να δημιουργούνται υψηλές εφελκυστικές τάσεις. Δεύτερον, προσθέστε ένα μικρό μονωτικό κολάρο ή μια ασπίδα προστασίας από την ακτινοβολία γύρω από τη μετάβαση στο ψυχρό άκρο. Η μείωση της πτώσης θερμοκρασίας στα τελευταία 100–150 mm του σωλήνα μειώνει την κλίση αρκετά, ώστε η ίδια διάταξη στερέωσης να αντέχει σε πολύ περισσότερους κύκλους. Τρίτον, ελέγξτε τους ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης στον ίδιο τον κλίβανο. Ακόμη και μια μικρή επιβράδυνση της αύξησης της θερμοκρασίας στην περιοχή των 400–800 °C μειώνει τη μέγιστη τάση που δέχεται ο σωλήνας σε κάθε κύκλο.

Το πάχος των τοιχωμάτων έχει επίσης μεγαλύτερη σημασία από ό,τι αναγνωρίζουν πολλές προδιαγραφές αγοράς. Τα παχύτερα τοιχώματα βελτιώνουν τη μηχανική αντοχή και επιβραδύνουν τον ρυθμό με τον οποίο μπορεί να εξαπλωθεί μια επιφανειακή ρωγμή, αλλά αυξάνουν επίσης τη θερμική μάζα και μπορούν να επιδεινώσουν τη θερμική κλίση αν το ψυχρό άκρο είναι κακώς μονωμένο. Για τις περισσότερες εφαρμογές προστασίας θερμοστοιχείων, διαπιστώνω ότι ένας τοίχος μέτριου πάχους —αρκετά παχύς ώστε να αντέχει σε ζημιές κατά το χειρισμό, αλλά όχι τόσο βαρύς ώστε να αποθηκεύει υπερβολική θερμότητα— προσφέρει την καλύτερη ισορροπία, εφόσον η τοποθέτηση επιτρέπει κάποια κίνηση. Οι μονάδες που απλώς καθορίζουν την υψηλότερη πυκνότητα ή το παχύτερο διαθέσιμο τοίχωμα και στη συνέχεια στερεώνουν σφιχτά τον σωλήνα, εξακολουθούν να αντικαθιστούν τους σωλήνες σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Οι σωλήνες από καρβίδιο του πυριτίου που επιστρέφονται λόγω τέτοιου είδους βλάβης παρουσιάζουν σχεδόν πάντα ρωγμή που ξεκινά από το σημείο στερέωσης ή ακριβώς μέσα σε αυτό, χωρίς να υπάρχουν σχεδόν καθόλου ενδείξεις εκτεταμένης οξείδωσης ή διάβρωσης σε άλλα σημεία. Όταν ο ίδιος τύπος σωλήνα εγκαθίσταται με μικρή αξονική ελευθερία κίνησης και μειωμένη κλίση στην ακραία ζώνη, το διάστημα μέχρι την εμφάνιση ρωγμών συνήθως εκτείνεται από μερικούς μήνες έως πολύ πάνω από ένα έτος, υπό τον ίδιο κύκλο λειτουργίας. Το υλικό είναι ικανό για αυτή τη μακρύτερη διάρκεια ζωής· ο περιοριστικός παράγοντας στην πράξη είναι συνήθως η λεπτομέρεια της εγκατάστασης που το αναγκάζει να φέρει περιττή θερμική καταπόνηση σε κάθε φάση θέρμανσης και ψύξης.