Les tubes de protection par thermocouple sont des composants essentiels des systèmes de mesure de température industrielle à haute température.
Ils protègent les capteurs de thermocouple contre:
- Oxydation à haute température
- Gases corrosifs
- Matériaux fondus
- Choc thermique
- Dommages mécaniques
Parmi les matériaux de tubes de protection en céramique, les céramiques à base de carbure de silicium sont largement utilisées en raison de leur excellence:
- Stabilité à haute température
- Conductivité thermique
- Résistance aux chocs thermiques
- Résistance à la corrosion chimique
Cependant, tous les tubes de protection au carbure de silicium ne fonctionnent pas de la même manière.
Trois matériaux couramment utilisés sont les suivants:
- Carbure de silicium recristallisé (RSiC)
- Carbure de silicium lié par réaction (SiSiC / RBSC)
- Carbure de silicium lié au nitrure de silicium (Si3N4-SiC)
Chaque matériau présente des avantages différents en ce qui concerne:
- Étanchéité des gaz
- Température de fonctionnement maximale
- Résistance aux chocs thermiques
- Résistance à la corrosion
- Résistance mécanique
Pour choisir le bon matériau, il faut comprendre les conditions de fonctionnement réelles.
Le carbure de silicium recrystallisé est produit à l'aide de particules de SiC de haute pureté sans additifs ou liants de frittage.
Pendant la frittage à environ:
2200°C à 2400°C
Les particules fines de SiC subissent une liaison par évaporation-condensation, créant une structure céramique de haute pureté.
Propriétés typiques:
| Les biens immobiliers | RSiC |
|---|---|
| Pureté du SiC | > 99% |
| Température de fonctionnement maximale | 1650°C |
| Densité en vrac | ~ 2,70 g/cm3 |
| Porosité apparente | ~15% |
| Conductivité thermique | - 25 W/m·K (1000°C) |
| Coefficient de dilatation thermique | 40,8 × 10−6/°C |
RSiC maintient des performances stables à des températures allant jusqu'à:
1650°C
Il convient:
- Pièces de chauffage
- Incinérateurs à haute température
- Traitement des métaux précieux
- Environnements de gaz de combustion contenant du soufre
Le RSiC contient:
- Haute pureté de SiC
- Pas de phase de silicium libre
- Pas de phase de liaison métallique
il offre une excellente résistance contre:
- Atmosphères oxydantes
- Composés soufrés
- Les gaz corrosifs à haute température
La combinaison de:
- Faible expansion thermique
- Bonne conductivité thermique
- Structure légère
permet aux tubes RSiC de résister à des changements de température rapides.
En raison de sa structure poreuse contrôlée:
- Perméabilité des gaz
- L'étanchéité totale ne peut être garantie
Par conséquent, le RSiC n' est pas recommandé pour:
- Systèmes de mesure étanches aux gaz
- Protection par thermocouple de métaux précieux sans revêtement
Pour les thermocouples Pt-Rh, un tube intérieur d'alumine supplémentaire est généralement nécessaire.
Le carbure de silicium lié par réaction est fabriqué en infiltrant du silicium fondu dans un corps poreux de SiC-carbone.
Le silicium réagit avec le carbone pour former du SiC secondaire, tandis que le silicium restant remplit les pores.
Cela crée une structure dense avec presque zéro porosité.
Propriétés typiques:
| Les biens immobiliers | SiSiC |
|---|---|
| teneur en SiC | ~ 81% |
| Température de fonctionnement maximale | 1350°C à 1400°C |
| Densité en vrac | 30,00 ∼ 3,05 g/cm3 |
| Porosité apparente | ~ 0% |
| Conductivité thermique | 3536 W/m·K |
| Coefficient de dilatation thermique | 4.4 ∙4.5 ×10−6/°C |
Le plus grand avantage du SiSiC est:
Presque zéro porosité ouverte
Il prévoit:
- Excellente étanchéité des gaz
- Protection contre la pénétration dans l'atmosphère
- Mesure du thermocouple stable
Il est particulièrement adapté pour:
- Fours à atmosphère
- Systèmes d'analyse des gaz
- Traitement thermique à atmosphère contrôlée
Le SiSiC fournit:
- Densité élevée
- Résistance à la flexion élevée
- Excellente précision dimensionnelle
Résistance à la flexion typique:
260 à 300 MPa à température ambiante
Cela le rend approprié pour des applications nécessitant une durabilité mécanique.
Une conductivité thermique élevée améliore:
- Efficacité du transfert de chaleur
- Vitesse de réponse à la température
- Précision de mesure
Les principales limites sont les suivantes:
Parce que la structure contient du silicium libre:
- La température maximale est limitée
- La résistance à l'oxydation est inférieure au RSiC
- Certains environnements métalliques fondus peuvent attaquer la phase de silicium
Par conséquent, le SiSiC n'est généralement pas recommandé pour le fonctionnement continu ci-dessus:
1400°C
Le carbure de silicium lié au nitrure de silicium est produit par réaction de la poudre de silicium avec de l'azote pendant le frittage.
La phase Si3N4 forme le réseau de liaison entre les grains de SiC.
Propriétés typiques:
| Les biens immobiliers | Si3N4-SiC |
|---|---|
| teneur en SiC | 73% à 75% |
| Température de fonctionnement maximale | ~ 1450°C |
| Densité en vrac | 20,70 ∼ 2,80 g/cm3 |
| Porosité apparente | 8 à 28% |
| Conductivité thermique | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Coefficient de dilatation thermique | 4.5·5.1 ×10−6/°C |
Le matériau fonctionne très bien sous:
- Chauffage rapide
- Refroidissement rapide
- Cycles fréquents du four
Il est largement utilisé dans:
- Fours intermittents
- Fours à traitement thermique
- Systèmes de tir en céramique
La phase de liaison au nitrure de silicium fournit:
- Faible rétrécissement
- Structure stable
- Bonne précision de fabrication
Par rapport aux matériaux RSiC de haute pureté ou aux matériaux SiC denses:
Si3N4-SiC fournit:
- Moins de coûts de production
- Capacité de grande taille
- Bon équilibre des performances globales
Comparé au SiSiC:
- L'étanchéité du gaz est moindre.
Comparé au RSiC:
- La capacité de température maximale est inférieure
Il n'est pas recommandé pour:
- Environnements fortement alcalins
- Exposition au sel fondu
- Atmosphères extrêmement corrosives
| Les biens immobiliers | RSiC | SiSiC | Si3N4-SiC |
|---|---|---|---|
| Méthode de fabrication | Récristallisation | Liens de réaction par infiltration de silicium | Liens de nitrure |
| Pureté du SiC | > 99% | ~ 81% | 73% à 75% |
| Température de fonctionnement maximale | 1650°C | 1350°C à 1400°C | ~ 1450°C |
| Porosité | ~15% | ~ 0% | 8 à 28% |
| Étanchéité des gaz | Modérée | C' est excellent. | C' est bon! |
| Résistance aux chocs thermiques | C' est excellent. | C' est excellent. | C' est excellent. |
| Conductivité thermique | - 25 W/m·K | 3536 W/m·K | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Résistance à la corrosion | C' est excellent. | C' est bon! | Modérée |
| Résistance mécanique | Moyenne | Très haut | Moyenne |
| Niveau des coûts | Très haut | Moyenne | En bas |
| Application typique | Corrosion à haute température | Mesure de l'étanchéité au gaz | Cycles thermiques |
✓ température supérieure à 1500°C
✓ La résistance à l' oxydation est critique
✓ Il existe des gaz contenant du soufre
✓ Une résistance aux chocs thermiques est requise
Applications typiques:
- Pièces de chauffage
- Incinérateurs
- Systèmes chimiques à haute température
✓ L'étanchéité des gaz est la priorité
✓ La protection du thermocouple nécessite un scellement
✓ Le contrôle de l'atmosphère est important
Applications typiques:
- Fours à atmosphère
- Équipement d'analyse des gaz
- Systèmes de traitement thermique
✓ Il y a des cycles thermiques fréquents
✓ L'efficacité des coûts est importante
✓ Des tubes de grand diamètre sont nécessaires
Applications typiques:
- Fours en céramique
- Pièces de chauffage
- Équipement de traitement thermique
Il n'existe pas de "meilleur" matériau de tube de protection pour thermocouple de carbure de silicium.
Le choix optimal dépend de l'environnement de fonctionnement:
- Le RSiC offre la plus haute capacité de température et de résistance à la corrosion.
- Le SiSiC fournit la meilleure étanchéité des gaz et la meilleure résistance mécanique.
- Le SiC lié au Si3N4 offre une excellente résistance aux chocs thermiques et une efficacité de coût.
Pour une protection fiable du thermocouple, les ingénieurs doivent évaluer:
- Température de fonctionnement
- Atmosphère du four
- Exigences en matière de perméabilité des gaz
- Fréquence de cycle thermique
- Conditions de corrosion
Le choix du bon matériau SiC peut améliorer considérablement la durée de vie du thermocouple, la précision des mesures et la fiabilité du fonctionnement du four.
