Miks räni-karbiidtorud pragunevad külmas otsas juba mõne kuu pärast partiiahi kasutamisel

Pärast kaheteistkümne aasta pikkust tööd kõrgtemperatuursete seadmetega Shanghais on rike, mida ma ränikarbiidtorude puhul kõige sagedamini näen, mitte järkjärguline õhenemine ega keemiline korrosioon. Tegemist on selge murduga, mis tekib külma otsa lähedal või kinnitusääriku juures juba mõne kuu pärast tavapärast partiide töötlemist. Operaatorid eeldavad tavaliselt, et toru oli defektne või et ahju temperatuur oli lihtsalt liiga kõrge. Minu kontrollitud seadmetes on toru ise harva põhjuseks. Probleem seisneb järsu temperatuurigradiendi ja toru kinnitamisviisi kombinatsioonis.

Termopaari kaitsekestadena või lühikeste kiirguselementidena kasutatavad ränikarbiidtorud taluvad kuumtsooni hästi. Materjalil on hea tugevus ja soojusjuhtivus, kui see on ühtlaselt kuum. Probleemid algavad iga kord, kui ahju jahutatakse ja uuesti kuumutatakse. Vette kastetud või kuumutatud osa püsib kauem kuumana, samal ajal kui jahedamasse ümbritsevasse õhku ulatuv osa jahtub kiiresti. See tekitab lühikese ränikarbiidtoru pikkuse ulatuses järsu temperatuurierinevuse. Ränikarbiidil on madal soojuspaisumine, kuid see on siiski rabe. Kui kuum ja külm osa püüavad erineva kiirusega pikkust muuta ning toru on külmas otsas jäigalt kinnitatud või suletud, tekib tõmbejõud just üleminekutsoonis. Piisava arvu tsüklite järel ületab pingutus kohaliku tugevuse ja tekib pragu, mis algab sageli välispinnalt.

Ma näen seda mustrit kõige selgemalt katkendliku töörežiimiga keraamilistes ahjudes ja väikestes metallide kuumtöötlemisahjudes, mis töötavad iga päev või mitu korda nädalas. Pidevtoimelistes ahjudes, millel on aeglasem temperatuuri tõus ja parem lõpptsooni isolatsioon, esineb samade torusortide puhul harva samasugust varajast pragunemist. Erinevus ei seisne mitte ränikarbiidis endas, vaid selles, mitu korda toru on sunnitud läbima suurt teljelist temperatuurigradienti, olles samal ajal fikseeritud asendis.

Praktilised parandusmeetmed, mis tegelikult pikendavad eluiga, on pigem mehaanilised ja protseduurilised kui materjali kvaliteediklassi muutmine. Esiteks tuleks vältida jäika kinnitamist just selles kohas, kus toru väljub kuumast tsoonist. Lühike painduv tihend, vedruga varustatud tihendusmuhv või lihtsalt mõne millimeetri suuruse telgsuunalise liikumise võimaldamine annab torule võimaluse paisuda ja kokku tõmbuda ilma suure tõmbejõu tekitamiseta. Teiseks tuleks külma otsa ülemineku ümber paigaldada lühike isolatsioonimansett või kiirguskaitse. Temperatuuri languse vähendamine toru viimase 100–150 mm pikkusel lõigul alandab gradienti piisavalt, et sama paigalduslahendus peab vastu palju rohkem tsükleid. Kolmandaks tuleb reguleerida ahju enda kuumutus- ja jahutuskiirust. Isegi tagasihoidlik aeglustamine temperatuuri tõusu kiiruses vahemikus 400–800 °C vähendab torule igal tsüklil mõjuva tipppinge suurust.

Seina paksus on samuti olulisem, kui paljudes ostuspetsifikatsioonides tunnistatakse. Paksemad seinad parandavad mehaanilist tugevust ja aeglustavad pinnaprao levimist, kuid suurendavad ka soojusmassit ning võivad halvendada temperatuuri gradienti, kui külm ots on halvasti isoleeritud. Enamiku termopaari kaitse rakenduste puhul leian, et mõõdukas sein – piisavalt paks, et taluda käitlemisel tekkivaid kahjustusi, kuid mitte nii raske, et see talletaks liigset soojust – annab parima tasakaalu, kui paigaldus võimaldab mõningast liikumist. Tehased, mis lihtsalt määravad kindlaks kõrgeima tiheduse või paksima saadaval oleva seina ja kinnitavad toru seejärel tihedalt kinni, peavad torusid ikkagi lühikese tsükli järel välja vahetama.

Sellisel viisil rikke tekkinud tagastatud ränikarbiidtorudel on pragu peaaegu alati alguse saanud kinnituspunktist või selle vahetust siseküljest, kusjuures mujal on laialdase oksüdeerumise või erosiooni märke vähe. Kui sama klassi toru paigaldatakse väikese telgsuunalise liikumisvabadusega ja vähendatud otsapiirkonna kaldenurgaga, pikeneb pragunemise vaheline aeg sama töötsükli korral tavaliselt mõnest kuust kuni tublisti üle aasta. Materjal on võimeline sellisele pikemale kasutusajale vastu pidama; praktikas on piiravaks teguriks tavaliselt paigaldusviis, mis sunnib materjali kandma igal soojenemisel ja jahtumisel tarbetut termilist pinget.