Prečo trubice z karbidu kremíka praskajú na studenej strane už po niekoľkých mesiacoch prevádzky v dávkových peciach

Po dvanástich rokoch práce s vysokoteplotným zariadením v okolí Šanghaja je poruchou, ktorú u rúrok z karbidu kremíka pozorujem najčastejšie, nie postupné stenčovanie ani chemické poškodenie. Ide o čistú trhlinu, ktorá vzniká v blízkosti studeného konca alebo na upevňovacej prírube už po niekoľkých mesiacoch bežnej prevádzky v dávkovom režime. Obsluha zvyčajne predpokladá, že rúrka bola vadná alebo že teplota pece bola jednoducho príliš vysoká. V zariadeniach, ktoré kontrolujem, je samotná rúrka zriedka hlavnou príčinou. Problémom je kombinácia strmého teplotného gradientu a spôsobu upevnenia rúrky.

Rúrky z karbidu kremíka, ktoré sa používajú ako ochranné plášte termočlánkov alebo krátke žiarové prvky, dobre odolávajú pôsobeniu horúcej zóny. Materiál má dobrú pevnosť a tepelnú vodivosť, akonáhle je rovnomerne zahriaty. Problémy začínajú vždy, keď sa pec ochladí a opäť zahreje. Ponorená alebo vyhrievaná časť zostáva dlhšie horúca, zatiaľ čo časť, ktorá vyčnieva do chladnejšieho okolitého vzduchu, rýchlo klesá na teplotu. To vytvára prudký teplotný rozdiel na krátkej dĺžke rúrok z karbidu kremíka. Karbid kremíka má nízku tepelnú rozťažnosť, je však krehký. Keď sa horúca a studená časť snažia meniť dĺžku rôznymi rýchlosťami a rúrka je na chladnom konci pevne zovretá alebo utesnená, v prechodovej zóne vzniká ťahové napätie. Po dostatočnom počte cyklov napätie prekročí miestnu pevnosť a vznikne trhlina, ktorá sa často začína na vonkajšom povrchu.

Tento jav pozorujem najvýraznejšie v keramických peciach s prerušovaným prevádzkou a v malých peciach na tepelné spracovanie kovov, ktoré pracujú denne alebo niekoľkokrát týždenne. Kontinuálne pece s pomalším nárastom teploty a lepšou izoláciou koncovej zóny zriedka vykazujú rovnaké skoré praskanie pri identických triedach rúrok. Rozdiel nespočíva v samotnom karbide kremíka, ale v tom, koľkokrát je rúrka vystavená veľkému axiálnemu teplotnému gradientu, pričom je udržovaná v pevnej polohe.

Praktické riešenia, ktoré skutočne predlžujú životnosť, sú skôr mechanického a procesného charakteru než zmena triedy materiálu. Po prvé, vyhnite sa pevnému upevneniu priamo v mieste, kde rúrka opúšťa horúcu zónu. Krátky úsek pružnej tesniacej výplne, pružinová upevňovacia objímka alebo jednoducho umožnenie niekoľkých milimetrov axiálneho pohybu umožňuje rúrke rozťahovať sa a sťahovať bez vytvárania vysokého ťahového napätia. Po druhé, pridajte krátky izolačný krúžok alebo radiačný štít okolo prechodu na studenej strane. Znížením teplotného poklesu na posledných 100–150 mm rúrky sa gradient zníži natoľko, že rovnaké upevňovacie usporiadanie vydrží oveľa viac cyklov. Po tretie, regulujte rýchlosť ohrevu a chladenia priamo na peci. Aj mierne spomalenie nábehu v rozsahu 400–800 °C znižuje špičkové napätie, ktorému je rúrka vystavená v každom cykle.

Hrúbka steny má tiež väčší význam, než sa vo viacerých nákupných špecifikáciách uvádza. Hrubšie steny zvyšujú mechanickú pevnosť a spomaľujú rýchlosť šírenia povrchovej trhliny, zároveň však zvyšujú tepelnú hmotnosť a môžu zhoršiť teplotný gradient, ak je studený koniec nedostatočne izolovaný. Pri väčšine aplikácií na ochranu termočlánkov som zistil, že stredne hrubá stena – dostatočne hrubá na to, aby odolala poškodeniu pri manipulácii, ale nie tak ťažká, aby akumulovala nadmerné teplo – poskytuje najlepšiu rovnováhu, ak montáž umožňuje určitý pohyb. Závody, ktoré jednoducho špecifikujú najvyššiu hustotu alebo najhrubšiu dostupnú stenu a potom rúrku pevne zovrú, aj tak musia rúrky vymieňať v krátkych intervaloch.

Vrátené rúrky z karbidu kremíka, ktoré takto zlyhali, takmer vždy vykazujú prasklinu začínajúcu v mieste upevnenia alebo tesne za ním, pričom inde sa takmer nevyskytujú známky rozsiahlej oxidácie alebo erózie. Ak sa rovnaká trieda nainštaluje s malou mierou axiálnej voľnosti a zníženým gradientom v koncovej zóne, interval medzi vznikom trhlín sa pri rovnakom prevádzkovom cykle zvyčajne predĺži z niekoľkých mesiacov na viac ako rok. Materiál je schopný takého dlhšieho prevádzkového času; limitujúcim faktorom v praxi je zvyčajne spôsob inštalácie, ktorý ho núti znášať zbytočné tepelné namáhanie pri každom zahriatí a ochladení.