Thermocouple-beschermingsbuizen zijn essentiële onderdelen in industriële temperatuurmetingsystemen voor hoge temperaturen.
Ze beschermen thermocouplesensoren tegen:
- Oxidatie bij hoge temperatuur
- Corrosieve gassen
- gesmolten materialen
- Thermische schok
- Mechanische schade
Onder de keramische beschermingsbuismaterialen worden keramiek op basis van siliciumcarbide veel gebruikt vanwege hun uitstekende:
- Hoogtemperatuurstabiliteit
- Thermische geleidbaarheid
- Thermische schokbestendigheid
- Chemische corrosiebestendigheid
Niet alle siliconcarbide beschermbuizen hebben echter dezelfde prestaties.
Drie veelgebruikte materialen zijn:
- Gekristalliseerd siliciumcarbide (RSiC)
- Reactiegebonden siliciumcarbide (SiSiC / RBSC)
- Siliciumcarbide (Si3N4-SiC) gebonden met siliciumnitraat
Elk materiaal heeft verschillende voordelen in termen van:
- Gasdichtheid
- Maximale bedrijfstemperatuur
- Thermische schokbestendigheid
- Corrosiebestendigheid
- Mechanische sterkte
Om het juiste materiaal te kiezen, moet men de werkelijke bedrijfsomstandigheden begrijpen.
Gekristalliseerd siliciumcarbide wordt geproduceerd met behulp van hoogzuivere SiC-deeltjes zonder sinteradditieven of bindmiddelen.
tijdens het sinteren bij ongeveer:
2200 ∼ 2400°C
fijne SiC-deeltjes worden door verdamping-condensatie gebonden, waardoor een keramische structuur van hoge zuiverheid ontstaat.
Typische eigenschappen:
| Vastgoed | RSiC |
|---|---|
| SiC-zuiverheid | > 99% |
| Maximale bedrijfstemperatuur | 1650°C |
| Bulkdichtheid | ~ 2,70 g/cm3 |
| Verschijnende porositeit | ~15% |
| Thermische geleidbaarheid | ~25 W/m·K (1000°C) |
| Koëfficiënt van de thermische uitbreiding | 4.8 × 10−6/°C |
RSiC behoudt een stabiele prestatie bij temperaturen tot:
1650°C
Het is geschikt voor:
- met een vermogen van niet meer dan 10 kW
- Hoogtemperatuurverbrandingsinstallaties
- Verwerking van edelmetaal
- Zwavelhoudende rookgasomgevingen
Omdat RSiC bevat:
- Hoge SiC-zuiverheid
- Geen vrije siliciumfase
- Geen metaalbindingsfase
het biedt uitstekende weerstand tegen:
- Oxiderende atmosfeer
- Zwavelverbindingen
- Korrosieve gassen bij hoge temperatuur
De combinatie van:
- Lage thermische expansie
- Goede warmtegeleiding
- Lichte structuur
RSiC-buizen kunnen snel temperatuurschommelingen weerstaan.
Vanwege de gecontroleerde poreuze structuur:
- Gasdoorlaatbaarheid bestaat
- Volledige afdichting kan niet gegarandeerd worden
Daarom wordt RSiC niet aanbevolen voor:
- Gasdichte meetsystemen
- Bescherming van thermocouples van edelmetaal zonder voering
Voor Pt-Rh-thermocouples is meestal een extra alumina-inwendige buis nodig.
Reactie gebonden siliciumcarbide wordt vervaardigd door gesmolten silicium te infiltreren in een poreus SiC-koolstof lichaam.
Het silicium reageert met koolstof om secundair SiC te vormen, terwijl overgebleven silicium de poriën vult.
Dit creëert een dichte structuur met bijna nul porositeit.
Typische eigenschappen:
| Vastgoed | SiSiC |
|---|---|
| SiC-gehalte | ~ 81% |
| Maximale bedrijfstemperatuur | 1350°C tot 1400°C |
| Bulkdichtheid | 30,00 ∼3,05 g/cm3 |
| Verschijnende porositeit | ~ 0% |
| Thermische geleidbaarheid | 35·36 W/m·K |
| Koëfficiënt van de thermische uitbreiding | 4.4·4.5 ×10−6/°C |
Het grootste voordeel van SiSiC is:
Bijna nul open porositeit
Dit voorziet in:
- Uitstekende gasdichtheid
- Bescherming tegen atmosfeerpenetratie
- Meting van stabiel thermopaar
Het is vooral geschikt voor:
- atmosfeerovens
- Gasanalysesystemen
- Beheerde warmtebehandeling in de atmosfeer
SiSiC biedt:
- Hoge dichtheid
- Hoge buigsterkte
- Uitstekende afmetingsnauwkeurigheid
Typische buigsterkte:
260300 MPa bij kamertemperatuur
Dit maakt het geschikt voor toepassingen die mechanische duurzaamheid vereisen.
Een hoge warmtegeleidbaarheid verbetert:
- Warmteoverdrachtsefficiëntie
- Temperatuurresponssnelheid
- Meetsnauwkeurigheid
De belangrijkste beperkingen zijn:
Omdat de structuur vrij silicium bevat:
- Maximale temperatuur beperkt
- Oxideringsweerstand lager dan RSiC
- Bepaalde gesmolten metalen kunnen de siliciumfase aanvallen
Daarom wordt SiSiC in het algemeen niet aanbevolen voor continue werking boven:
1400°C
Siliciumcarbide gebonden met siliciumnitride wordt geproduceerd door siliciumpoeder met stikstof te reageren tijdens het sinteren.
De Si3N4-fase vormt het bindingsnetwerk tussen SiC-korrels.
Typische eigenschappen:
| Vastgoed | Si3N4-SiC |
|---|---|
| SiC-gehalte | 73% 75% |
| Maximale bedrijfstemperatuur | ~ 1450°C |
| Bulkdichtheid | 20,70 ∼ 2,80 g/cm3 |
| Verschijnende porositeit | 8·28% |
| Thermische geleidbaarheid | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Koëfficiënt van de thermische uitbreiding | 4.5·5.1 ×10−6/°C |
Het materiaal presteert uitstekend onder:
- Snel verwarmen
- Snelle afkoeling
- Frequent oven cycling
Het wordt veel gebruikt in:
- Intermitterende ovens
- Oven voor warmtebehandeling
- Keramische vuursystemen
De siliciumnitridebindingsfase biedt:
- Lage krimp
- Stabiel systeem
- Goede fabricageprecisie
Vergeleken met hoogzuivere RSiC- of dichte SiC-materialen:
Si3N4-SiC biedt:
- Lagere productiekosten
- Grote capaciteit
- Goede algemene prestatiebalans
Vergeleken met SiSiC:
- De gasdichtheid is lager
Vergeleken met RSiC:
- De maximale temperatuur is lager
Het wordt niet aanbevolen voor:
- Sterk alkalische omgevingen
- Blootstelling aan gesmolten zout
- Extreme corrosieve atmosfeer
| Vastgoed | RSiC | SiSiC | Si3N4-SiC |
|---|---|---|---|
| Vervaardigingsmethode | Herkristallisatie | Silicon infiltratie reactie binding | Nitridebinding |
| SiC-zuiverheid | > 99% | ~ 81% | 73% 75% |
| Maximale bedrijfstemperatuur | 1650°C | 1350°C tot 1400°C | ~ 1450°C |
| Porositeit | ~15% | ~ 0% | 8·28% |
| Gasdichtheid | Gematigd | Uitstekend. | - Goed. |
| Thermische schokbestendigheid | Uitstekend. | Uitstekend. | Uitstekend. |
| Thermische geleidbaarheid | ~ 25 W/m·K | 35·36 W/m·K | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Corrosiebestendigheid | Uitstekend. | - Goed. | Gematigd |
| Mechanische sterkte | Gemiddeld | Hoog | Gemiddeld |
| Kostenniveau | Hoog | Gemiddeld | Onderstaande |
| Typische toepassing | Korrosie bij hoge temperaturen | Gasdichtheidsmeting | Thermische cyclus |
✓ Temperatuur hoger dan 1500°C
✓ Oxideringsresistentie is cruciaal
✓ Zwavelhoudende gassen bestaan
✓ Er is weerstand tegen thermische schokken vereist
Typische toepassingen:
- met een vermogen van niet meer dan 10 kW
- Verbrandingsinstallaties
- Hoge temperatuur chemische systemen
✓ Gasdichtheid is de prioriteit
✓ Bescherming van het thermocouple vereist afdichting
✓ Het is belangrijk om de atmosfeer onder controle te houden
Typische toepassingen:
- atmosfeerovens
- Gasanalyseapparatuur
- Verwarmingssystemen
✓ Vaak thermische cyclussen
✓ Kostenefficiëntie is belangrijk
✓ Er zijn buisjes met een grote diameter nodig
Typische toepassingen:
- Keramische ovens
- met een vermogen van niet meer dan 10 kW
- Verwarmingsapparatuur
Er bestaat geen enkel best siliciumcarbide thermocouple beschermingsbuismateriaal.
De optimale keuze is afhankelijk van de bedrijfsomgeving:
- RSiC biedt de hoogste temperatuurcapaciteit en corrosiebestendigheid.
- SiSiC biedt de beste gasdichtheid en mechanische sterkte.
- Si3N4-gebonden SiC biedt een uitstekende weerstand tegen thermische schokken en kostenefficiëntie.
Voor een betrouwbare thermocouplebescherming moeten ingenieurs:
- Werktemperatuur
- Atmosfeer van de oven
- Gaspermeabiliteitsvereisten
- Thermische cyclusfrequentie
- Corrosieomstandigheden
Het kiezen van het juiste SiC-materiaal kan de levensduur van het thermocouple, de meetnauwkeurigheid en de betrouwbaarheid van de oven aanzienlijk verbeteren.
