RBSiC 복사관이 왜 유리 용융 과정에서 열 분포가 고르지 않거나 조기에 고장이 나는가

RBSiC 복사관이 왜 유리 용융 과정에서 열 분포가 고르지 않거나 조기에 고장이 나는가

12년 동안 유리 용해 및 조제 시스템을 지원해 온 경험을 바탕으로 볼 때, 반응 결합형 실리콘 카바이드 복사관은 열을 균일하게 전달하지 못하거나, 예상 가동 기간보다 훨씬 일찍 국부적으로 두께가 얇아지는 현상이 흔히 관찰됩니다. 버너는 정상적으로 작동하고 튜브의 등급도 적정함에도 불구하고, 튜브 전장(全長)에 걸쳐 표면 온도가 들쑥날쑥하거나 화염 쪽 벽면이 특히 얇아지는 현상이 발생합니다. 이러한 현상의 주된 원인은 효율적인 열 전달을 가능하게 하는 재료의 높은 열전도율과, 벽면을 서서히 침식시키는 표면 산화 또는 알칼리 부식 속도입니다.

반응 결합형 실리콘 카바이드(RBSiC 또는 SiSiC)는 잔류 자유 실리콘에 의해 결합된 SiC 입자의 연속적인 네트워크를 포함하고 있습니다. 열전도율은 작동 온도에서 일반적으로 30–50 W/m·K로, 대부분의 금속 복사관 합금보다 상당히 높습니다. 이로 인해 과도한 내부 온도 구배 없이 더 높은 열유속을 허용하므로, 외부 표면이 유리나 연소 공간으로 효과적으로 복사열을 방출할 수 있습니다. 동시에, 자유 실리콘과 SiC 표면은 공기나 연소 생성물 속에서 산화되어 실리카 층을 형성합니다. 유리 용광로에서는 이 층이 알칼리 증기에 의해 추가로 부식되어, 저융점 규산염을 형성하고 국부적인 재료 손실을 가속화할 수 있습니다. 자유 실리콘은 1410 °C 부근에서 연화되므로, 강도를 유지하기 위해 실제 튜브 온도는 대개 약 1350–1380 °C로 제한됩니다. 따라서 벽 두께가 얇아지면 잔여 단면이 국부적 고온 부위를 형성할 만큼 얇아지게 되어, 구조적 여유와 열전달의 균일성이 모두 저하됩니다.

관 표면 온도가 1280–1320 °C인 가스 연소식 복사관을 사용하여 가동 중인 용기형 유리 전로에서, 두 개의 RBSiC 관을 120일 동안 모니터링하였다. 평균 열유속은 85 kW/m²였다. 튜브 중간 지점의 화염 측에서 측정된 벽 두께는 원래 8 mm에서 0.9 mm 감소했다. 반대쪽에서는 0.4 mm가 감소했다. 튜브 길이를 따라 표면 온도 변화는 25 °C 이내로 유지되었으며, 처짐이나 균열은 관찰되지 않았습니다. 동일한 버너 부하 조건에서 병행하여 운영된 금속 합금 튜브는 크리프 현상으로 인해 추가적인 증가가 제한되기 전까지 최대 약 40 kW/m²의 연속 열유속을 기록했습니다. 이 튜브의 벽 두께 감소량은 더 적었지만, 눈에 띄는 변형이 발생했습니다. 제거 후, RBSiC 표면에는 얇고 연속적인 실리카 스케일이 형성되었으며, 화염 측에만 국부적으로 알칼리가 풍부한 반점이 관찰되었다. 실험 후 절단된 시편의 질량 증가는 0.5 %로, 산화가 제한적이었다는 점과 일치했다.

따라서 자유 실리콘에 의해 설정된 온도 한계 내에서 가동하고, 가장 높은 온도가 발생하는 표면의 벽 두께를 모니터링함으로써 튜브의 성능을 유지할 수 있습니다. RBSiC 복사관 유리 용해 공정의 경우, 제어 가능한 변수는 관 표면 온도, 버너의 화학량론적 비율, 알칼리 증기 노출 정도입니다. 실리카 스케일이 보호 기능을 유지하고 벽 두께 손실이 설계 허용 한도 이하로 유지될 때, 반응 결합 실리콘 카바이드(RBSiC) 복사관의 수명이 연장됩니다. SiSiC 복사 튜브 열전도성 유리 용해로 운영은 온도가 자유 실리콘 연화 범위 이하로 유지되는 경우, 금속 튜브보다 더 높은 플럭스를 허용합니다. 열 전달이 고르지 않거나 튜브가 급격히 얇아질 때, 이를 확인하는 데이터는 국부적인 벽 두께 측정값과 표면 온도 프로파일입니다. 전로 비교 실험에서 확인된 바와 같이, 0.9 mm의 화염 측 두께 감소와 안정적인 온도 분포를 통해 튜브 표면 온도를 1320 °C 이하로 유지하고 균일한 연소를 확인함으로써, RBSiC 복사 튜브의 열전달 이점과 구조적 무결성을 모두 유지할 수 있습니다.