Kodėl silicio karbido vamzdžiai šaltame gale įtrūksta jau po kelių mėnesių, praleistų periodinėse krosnyse

Po dvylikos metų darbo su aukštos temperatūros įranga Šanchajaus apylinkėse galiu pasakyti, kad dažniausiai pasitaikanti silicio karbido vamzdžių gedimo priežastis nėra laipsniškas plonėjimas ar cheminis poveikis. Tai – aiškus įtrūkimas, kuris atsiranda šaltojo galo srityje arba prie tvirtinimo flanšo jau po kelių mėnesių įprastinio serijinio eksploatavimo. Operatoriai paprastai mano, kad vamzdis buvo defektuotas arba kad krosnies temperatūra tiesiog buvo per aukšta. Įrenginiuose, kuriuos tikrinu, pats vamzdis retai būna pagrindinė priežastis. Problema kyla dėl staigaus temperatūros gradiento ir to, kaip vamzdis yra pritvirtintas.

Silicio karbido vamzdeliai, naudojami kaip termoparų apsauginiai apvalkalai arba trumpi spinduliavimo elementai, puikiai atlaiko karštąją zoną. Ši medžiaga pasižymi geru stiprumu ir šilumos laidumu, kai yra tolygiai įkaitinta. Problemos prasideda kiekvieną kartą, kai krosnis atvėsinama ir vėl įkaitinama. Panirusi arba įkaitinta dalis ilgiau išlieka karštesnė, o dalis, kuri kyšo į vėsesnį aplinkos orą, greitai atvėsta. Dėl to trumpame silicio karbido vamzdžių ruože susidaro staigus temperatūrų skirtumas. Silicio karbidas pasižymi mažu šiluminiu plėtimusi, tačiau vis tiek yra trapus. Kai karšta ir šalta dalys nori keisti ilgį skirtingu greičiu, o vamzdis yra tvirtai prispaustas arba užsandarintas šaltame gale, tempimo įtempis susidaro būtent perėjimo zonoje. Po pakankamo ciklų skaičiaus įtempis viršija vietinį stiprumą ir susidaro įtrūkimai, dažnai prasidedantys nuo išorinio paviršiaus.

Šį dėsningumą aiškiausiai matau periodinio veikimo keramikos krosnyse ir mažose metalo terminio apdorojimo krosnyse, kurios veikia kasdien arba keletą kartų per savaitę. Nuolatinio veikimo krosnyse, kuriose temperatūra kyla lėčiau ir kurių galinė zona yra geriau izoliuota, retai pasitaiko tokių pačių ankstyvųjų įtrūkimų, net naudojant identiškos kokybės vamzdžius. Skirtumas yra ne pats silicio karbidas, o tai, kiek kartų vamzdis, būdamas fiksuotas, yra priverstas praeiti per didelį ašinį temperatūros gradientą.

Praktiniai sprendimai, kurie iš tiesų prailgina tarnavimo laiką, yra susiję su mechaniniais ir procedūriniais aspektais, o ne su medžiagos rūšies pakeitimu. Pirma, venkite griežto prispaudimo būtent toje vietoje, kur vamzdis išeina iš karštosios zonos. Trumpas lankstus sandariklis, spyruoklinis sandariklis arba tiesiog kelių milimetrų ašinio judėjimo leidimas suteikia vamzdžiui galimybę išsiplėsti ir susitraukti nesukuriant didelio tempiamojo įtempimo. Antra, aplink šaltojo galo perėjimą pritvirtinkite trumpą izoliacinį žiedą arba spinduliuotės ekraną. Sumažinus temperatūros kritimą per paskutinius 100–150 mm vamzdžio, gradientas sumažėja tiek, kad ta pati tvirtinimo konstrukcija išlaiko kur kas daugiau ciklų. Trečia, reguliuokite kaitinimo ir aušinimo greitį pačioje krosnyje. Net nedidelis kaitinimo greičio sulėtinimas 400–800 °C temperatūrų intervale sumažina didžiausią įtempį, kurį vamzdis patiria kiekvieno ciklo metu.

Sienelių storis taip pat yra svarbesnis, nei pripažįstama daugelyje pirkimo specifikacijų. Storesnės sienelės padidina mechaninį stiprumą ir sulėtina paviršiaus įtrūkio plitimo greitį, tačiau jos taip pat padidina šiluminę masę ir gali pabloginti temperatūros gradientą, jei šaltasis galas yra prastai izoliuotas. Daugeliu termoparų apsaugos atvejų pastebiu, kad vidutinio storio sienelė – pakankamai stora, kad atlaikytų mechaninius pažeidimus, bet ne tokia sunki, kad kauptų per daug šilumos – užtikrina geriausią pusiausvyrą, jei montavimo būdas leidžia šiek tiek judėti. Įmonės, kurios tiesiog nurodo didžiausią tankį arba storiausią galimą sienelę ir tada tvirtai prispaudžia vamzdį, vis tiek turi keisti vamzdžius per trumpą laikotarpį.

Grąžinti silicio karbido vamzdžiai, kurie sugadėjo būtent tokiu būdu, beveik visada turi įtrūkimą, prasidedantį ties tvirtinimo tašku arba šiek tiek giliau už jo, o kitur beveik nematyti plačiai paplitusio oksidacijos ar erozijos požymių. Kai to paties tipo vamzdis montuojamas su nedideliu ašiniu laisvumu ir sumažintu galinės zonos nuolydžiu, įtrūkimų atsiradimo intervalas paprastai pailgėja nuo kelių mėnesių iki gerokai daugiau nei vienerių metų esant tam pačiam darbo ciklui. Medžiaga yra pajėgi užtikrinti tokį ilgesnį tarnavimo laiką; ribojantis veiksnys praktikoje paprastai yra montavimo ypatumai, dėl kurių ji priversta patirti nereikalingą terminį įtempį kiekvieno įkaitinimo ir atvėsinimo metu.