De ce tuburile din carbură de siliciu se fisurează la capătul rece după doar câteva luni de funcționare în cuptoarele discontinue

După doisprezece ani de lucru cu echipamente de înaltă temperatură în zona Shanghaiului, defectul pe care îl observ cel mai des la tuburile din carbură de siliciu nu este subțierea treptată sau coroziunea chimică. Este vorba de o fisură clară care apare lângă capătul rece sau la flanșa de montare, după doar câteva luni de funcționare normală în regim de lot. Operatorii presupun de obicei că tubul era defect sau că temperatura cuptorului era pur și simplu prea ridicată. În instalațiile pe care le verific, tubul în sine este rareori cauza principală. Problema constă în combinația dintre un gradient termic abrupt și modul în care este fixat tubul.

Tuburile din carbură de siliciu, utilizate ca învelișuri de protecție pentru termocupluri sau ca elemente radiante scurte, rezistă bine la zona fierbinte. Materialul prezintă o rezistență mecanică bună și o conductivitate termică ridicată odată ce este încălzit uniform. Problemele apar de fiecare dată când cuptorul este răcit și reîncălzit. Secțiunea scufundată sau încălzită rămâne fierbinte mai mult timp, în timp ce secțiunea care iese în aerul ambiant mai rece își scade rapid temperatura. Acest lucru creează o diferență bruscă de temperatură pe o lungime scurtă de tuburi din carbură de siliciu. Carbură de siliciu are o dilatare termică redusă, dar este totuși fragilă. Când secțiunile calde și reci tind să-și modifice lungimea în ritmuri diferite, iar tubul este fixat rigid sau etanșat la capătul rece, se acumulează tensiune de tracțiune chiar în zona de tranziție. După un număr suficient de cicluri, tensiunea depășește rezistența locală și se formează o fisură, care începe adesea pe suprafața exterioară.

Observ acest fenomen cel mai clar la cuptoarele ceramice intermitente și la cuptoarele mici de tratament termic al metalelor, care funcționează zilnic sau de câteva ori pe săptămână. Cuptoarele continue, cu creșteri mai lente ale temperaturii și o izolație mai bună în zona finală, prezintă rareori aceleași fisuri timpurii la tuburi din același tip de oțel. Diferența nu constă în carbură de siliciu în sine, ci în numărul de ori în care tubul este supus unui gradient axial mare de temperatură în timp ce este menținut fix.

Soluțiile practice care prelungesc efectiv durata de viață sunt de natură mecanică și procedurală, mai degrabă decât o schimbare a calității materialului. În primul rând, evitați strângerea rigidă chiar în punctul în care tubul iese din zona fierbinte. O bucată scurtă de garnitură flexibilă, un presetup cu arc sau pur și simplu permiterea unei mișcări axiale de câțiva milimetri permite tubului să se dilate și să se contracte fără a genera tensiuni mari de tracțiune. În al doilea rând, adăugați un colier izolant scurt sau un scut împotriva radiațiilor în jurul tranziției de la capătul rece. Reducerea căderii de temperatură pe ultimii 100–150 mm ai tubului scade gradientul suficient încât aceeași configurație de montare să reziste la mult mai multe cicluri. În al treilea rând, controlați ratele de încălzire și răcire ale cuptorului însuși. Chiar și o încetinire modestă a rampei de temperatură în intervalul 400–800 °C reduce tensiunea maximă la care este supus tubul în fiecare ciclu.

Grosimea peretelui are, de asemenea, o importanță mai mare decât se recunoaște în multe specificații de achiziție. Pereții mai groși îmbunătățesc rezistența mecanică și încetinesc viteza de propagare a unei fisuri de suprafață, dar cresc și masa termică și pot agrava gradientul dacă capătul rece este izolat necorespunzător. În majoritatea aplicațiilor de protecție a termocuplurilor, am constatat că un perete de grosime moderată – suficient de gros pentru a rezista la deteriorările cauzate de manipulare, dar nu atât de gros încât să acumuleze căldură excesivă – oferă cel mai bun echilibru, atunci când montarea permite o anumită libertate de mișcare. Instalațiile care se limitează la a specifica cea mai mare densitate sau cel mai gros perete disponibil și apoi fixează tubul cu o strângere excesivă sunt nevoite să înlocuiască tuburile la intervale scurte.

Tuburile din carbură de siliciu returnate care s-au defectat în acest mod prezintă aproape întotdeauna o fisură care își are originea la punctul de fixare sau chiar în interiorul acestuia, fără semne evidente de oxidare sau eroziune extinsă în alte zone. Atunci când același tip de material este instalat cu o mică libertate axială și un gradient redus în zona capetelor, intervalul până la apariția fisurilor se extinde de obicei de la câteva luni la mult peste un an, în același ciclu de funcționare. Materialul este capabil să asigure o durată de viață mai lungă; factorul limitativ în practică este de obicei detaliul de instalare care îl obligă să suporte solicitări termice inutile la fiecare încălzire și răcire.