Thermoelementschutzrohre sind kritische Komponenten in hochtemperaturen industriellen Temperaturmesssystemen.
Sie schützen Thermoelementsensoren vor:
- Oxidation bei hoher Temperatur
- Korrosive Gase
- Schmelzstoffe
- Wärmeschlag
- Mechanische Schäden
Unter den keramischen Schutzrohrmaterialien werden Keramiken auf Siliziumkarbidbasis wegen ihrer hervorragenden:
- Hochtemperaturstabilität
- Wärmeleitfähigkeit
- Wärmeschlagfestigkeit
- Chemische Korrosionsbeständigkeit
Allerdings sind nicht alle Siliziumkarbid-Schutzrohre gleichwertig.
Zu den drei häufig verwendeten Materialien gehören:
- Zubereitungen für die Herstellung von Zellstoff- oder Zellverbindungen
- Reaktionsgebundenes Siliziumkarbid (SiSiC / RBSC)
- Siliziumnitrid gebundenes Siliziumkarbid (Si3N4-SiC)
Jedes Material hat verschiedene Vorteile in Bezug auf:
- Gasdichtheit
- Höchstbetriebstemperatur
- Wärmeschlagfestigkeit
- Korrosionsbeständigkeit
- Mechanische Festigkeit
Die Wahl des richtigen Materials erfordert ein Verständnis der tatsächlichen Betriebsbedingungen.
Das rekrystallisierte Siliziumcarbid wird mit hochreinen SiC-Partikeln ohne Sinterzusatzstoffe oder Bindemittel hergestellt.
Bei Sinterung bei etwa:
2200°C bis 2400°C
Feine SiC-Partikel werden durch Verdunstungs-Kondensationsverbindungen erzeugt, wodurch eine hochreine keramische Struktur entsteht.
Typische Eigenschaften:
| Eigentum | RSiC |
|---|---|
| SiC-Reinheit | >99% |
| Höchstbetriebstemperatur | 1650°C |
| Massendichte | ~ 2,70 g/cm3 |
| Scheinbare Porosität | ~15% |
| Wärmeleitfähigkeit | ~ 25 W/m·K (1000°C) |
| Koeffizient der thermischen Ausdehnung | 4.8 × 10−6/°C |
RSiC unterhält eine stabile Leistung bei Temperaturen bis zu:
1650°C
Es eignet sich für:
- Schmelzofen für Glas
- Hochtemperaturverbrennungsanlagen
- Verarbeitung von Edelmetallen
- Schwefelhaltige Rauchgasumgebungen
Weil RSiC enthält:
- Hohe SiC-Reinheit
- Keine freie Siliziumphase
- Keine metallische Bindungsphase
Sie bietet eine hervorragende Beständigkeit gegen
- Oxidierende Atmosphären
- Schwefelverbindungen
- Hochtemperaturkorrosive Gase
Die Kombination von:
- Niedrige thermische Ausdehnung
- Gute Wärmeleitfähigkeit
- Leichte Struktur
ermöglicht es RSiC-Röhren, schnellen Temperaturänderungen standzuhalten.
Aufgrund seiner kontrollierten porösen Struktur:
- Gasdurchlässigkeit besteht
- Eine vollständige Versiegelung kann nicht garantiert werden.
Daher wird RSiC nicht empfohlen für:
- Gasdichte Messsysteme
- Schutz durch Edelmetallthermoelementen ohne Auskleidung
Bei Pt-Rh-Thermokopplungen ist in der Regel ein zusätzliches Aluminium-Innenrohr erforderlich.
Reaktionsgebundenes Siliziumkarbid wird hergestellt, indem geschmolzenes Silizium in einen porösen SiC-Kohlenstoffkörper infiltriert wird.
Das Silizium reagiert mit Kohlenstoff und bildet Sekundär-SiC, während das verbleibende Silizium die Poren füllt.
Dadurch entsteht eine dichte Struktur mit fast keiner Porosität.
Typische Eigenschaften:
| Eigentum | SiSiC |
|---|---|
| SiC-Gehalt | ~ 81% |
| Höchstbetriebstemperatur | 1350°C bis 1400°C |
| Massendichte | 30,00 ∼3,05 g/cm3 |
| Scheinbare Porosität | ~ 0% |
| Wärmeleitfähigkeit | 3536 W/m·K |
| Koeffizient der thermischen Ausdehnung | 4.4·4.5 ×10−6/°C |
Der größte Vorteil von SiSiC ist:
Nahezu Null offene Porosität
Sie sieht vor:
- Ausgezeichnete Gasdichtung
- Schutz vor dem Eindringen in die Atmosphäre
- Messung des stabilen Thermocouples
Es ist besonders geeignet für:
- Atmosphärenöfen
- Gasanalysesysteme
- Wärmebehandlung in kontrollierter Atmosphäre
SiSiC bietet:
- Hohe Dichte
- Hohe Biegefestigkeit
- Ausgezeichnete Maßgenauigkeit
Typische Biegfestigkeit:
260~300 MPa bei Raumtemperatur
Dadurch eignet es sich für Anwendungen, die mechanische Haltbarkeit erfordern.
Hohe Wärmeleitfähigkeit verbessert:
- Wärmeübertragungseffizienz
- Temperaturreaktionsgeschwindigkeit
- Messgenauigkeit
Die Hauptbeschränkung besteht darin:
Weil die Struktur freies Silizium enthält:
- Höchsttemperatur begrenzt
- Oxidationsbeständigkeit geringer als RSiC
- Bestimmte geschmolzenen Metallumgebungen können die Siliziumphase angreifen
Daher wird SiSiC im Allgemeinen nicht für den Dauerbetrieb empfohlen:
1400°C
Silikonkarbid mit Siliziumnitridbindung wird durch Reaktion von Siliziumpulver mit Stickstoff während des Sinterns hergestellt.
Die Si3N4-Phase bildet das Bindungsnetzwerk zwischen SiC-Körnern.
Typische Eigenschaften:
| Eigentum | Si3N4-SiC |
|---|---|
| SiC-Gehalt | 73% 75% |
| Höchstbetriebstemperatur | ~ 1450°C |
| Massendichte | 20,70 ∼ 2,80 g/cm3 |
| Scheinbare Porosität | 8·28% |
| Wärmeleitfähigkeit | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Koeffizient der thermischen Ausdehnung | 4.5·5.1 ×10−6/°C |
Das Material funktioniert unter folgenden Bedingungen sehr gut:
- Schnelle Erwärmung
- Schnelle Abkühlung
- Häufige Brennstoffwechsel
Es wird häufig in:
- Brennstoffe und andere Brennstoffe
- Heizbehandlungsöfen
- Keramische Feuersysteme
Die Silikonnitridbindungsphase liefert:
- Niedrige Schrumpfung
- Stabile Struktur
- Gute Fertigungspräzision
Im Vergleich zu hochreinen RSiC- oder dichten SiC-Materialien:
Si3N4-SiC liefert:
- Niedrigere Produktionskosten
- Große Größenfähigkeit
- Gute Leistungsbilanz insgesamt
Im Vergleich zu SiSiC:
- Die Gasdichte ist geringer.
Im Vergleich zu RSiC:
- Höchsttemperaturfähigkeit ist niedriger
Es wird nicht empfohlen:
- starke alkalische Umgebungen
- Exposition gegenüber geschmolzenem Salz
- Extrem ätzende Atmosphären
| Eigentum | RSiC | SiSiC | Si3N4-SiC |
|---|---|---|---|
| Herstellungsart | Wiederkristallisation | Silikon-Infiltrations-Bindung | Nitridbindung |
| SiC-Reinheit | >99% | ~ 81% | 73% 75% |
| Höchstbetriebstemperatur | 1650°C | 1350°C bis 1400°C | ~ 1450°C |
| Porosität | ~15% | ~ 0% | 8·28% |
| Gasdichtheit | Moderate | Ausgezeichnet. | Das ist gut. |
| Wärmeschlagfestigkeit | Ausgezeichnet. | Ausgezeichnet. | Ausgezeichnet. |
| Wärmeleitfähigkeit | ~ 25 W/m·K | 3536 W/m·K | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Korrosionsbeständigkeit | Ausgezeichnet. | Das ist gut. | Moderate |
| Mechanische Festigkeit | Mittelfristig | Hoch | Mittelfristig |
| Kostenniveau | Hoch | Mittelfristig | Niedriger |
| Typische Anwendung | Korrosion bei hohen Temperaturen | Gasdichte Messung | Wärmekreislauf |
✓ Temperatur über 1500°C
✓ Die Oxidationsbeständigkeit ist kritisch
✓ Schwefelhaltige Gase existieren
✓ Wärmeschlagfestigkeit erforderlich
Typische Anwendungen:
- Schmelzofen für Glas
- Verbrennungsanlagen
- Hochtemperaturchemische Systeme
✓ Gasdichtheit hat Priorität
✓ Der Schutz des Thermocouples erfordert eine Dichtung
✓ Atmosphärenkontrolle ist wichtig
Typische Anwendungen:
- Atmosphärenöfen
- Gasanalyseausrüstung
- Wärmebehandlungssysteme
✓ Häufige thermische Zyklen
✓ Kosteneffizienz ist wichtig
✓ Es werden große Durchmesserröhren benötigt
Typische Anwendungen:
- Keramiköfen
- mit einer Leistung von mehr als 1000 W
- Geräte zur Wärmebehandlung
Es gibt kein einziges "bestes" Rohrmaterial für Siliziumcarbid-Thermokopfschutz.
Die optimale Wahl hängt von der Betriebsumgebung ab:
- RSiC bietet höchste Temperaturfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
- SiSiC bietet die beste Gasdichte und mechanische Festigkeit.
- Si3N4-gebundenes SiC bietet eine hervorragende Wärmeschlagfestigkeit und Kosteneffizienz.
Für einen zuverlässigen Thermoelementschutz sollten die Ingenieure Folgendes bewerten:
- Betriebstemperatur
- Ofenatmosphäre
- Anforderungen an die Gasdurchlässigkeit
- Frequenz des thermischen Zyklus
- Korrosionsbedingungen
Die Wahl des richtigen SiC-Materials kann die Thermoelementlebensdauer, die Messgenauigkeit und die Zuverlässigkeit des Ofenbetriebs erheblich verbessern.
