Γιατί πρέπει να επιτρέπεται η θερμική επέκταση;

Σε συστήματα φούρνων υψηλής θερμοκρασίας, η θερμική επέκταση είναι αναπόφευκτη.

Ωστόσο, πολλές βλάβες των κυλίνδρων δεν προκαλούνται από:

• υπερβολικό εξωτερικό φορτίο,
• ανεπαρκής αντοχή του υλικού,
• ή ελαττώματα κατασκευής.

Αντίθετα, οι αποτυχίες συχνά προέρχονται από:

περιορισμένη θερμική επέκταση.

Η παρούσα μελέτη περιπτώσεων εξηγεί γιατί η δυνατότητα θερμικής επέκτασης είναι κρίσιμη για την αξιόπιστη λειτουργία των κυλίνδρων SiC.

Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται:

• οι ρόλοι επεκτείνονται,
• οι δομές υποστήριξης επεκτείνονται,
• οι άξονες επεκτείνονται,
• και τα εξαρτήματα του φούρνου κινούνται.

Για κυλίνδρους καρβιδίου του πυριτίου που λειτουργούν σε:

• 1200~1600°C,

Ακόμη και σχετικά μικροί συντελεστές θερμικής διαστολής παράγουν:

• μετρήσιμη μεταβολή διαστάσεων σε μεγάλες διαστάσεις.

Αυτή η επέκταση δεν είναι επικίνδυνη.

Το πραγματικό πρόβλημα αρχίζει όταν:

• Η επέκταση είναι περιορισμένη.

Εάν ο ρόλος είναι:

• υπερβολικά σταθερή,
• σφιχτά συνδεδεμένα,
• ή κλειδωμένο τοπικά,

Η θερμική επέκταση δεν μπορεί να συμβεί ελεύθερα.

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται:

• Η πίεση συμπίεσης συσσωρεύεται εσωτερικά.

Κατά τη διάρκεια της ψύξης:

• η συστολή περιορίζεται,
  που συχνά παράγει:
• στρες έλξης κοντά σε επιφάνειες και άκρες.

Για κεραμικές ύλες:

• Η τεντωτική πίεση είναι ιδιαίτερα κρίσιμη.

Σε πολλά συστήματα:

• Η επαφή υποστήριξης φαίνεται αποδεκτή σε θερμοκρασία δωματίου.

Ωστόσο, μετά την θέρμανση:

• Η διαφορική επέκταση αλλάζει την κατάσταση επαφής.

Παραδείγματα:

• άκαμπτα δοκάρια στήριξης,
• ανισόμετρη δύναμη ελατηρίου,
• υπερβολική συμπίεση,
• κλειδαριά τοπικής τριβής,
• ή υποστήριξη της δυσσύνδεσης.

Ακόμη και ένας μικρός γεωμετρικός περιορισμός μπορεί να προκαλέσει:

• μεγάλη τοπική συγκέντρωση στρες.

Η ανάλυση πεδίου δείχνει ότι:

• οι βλάβες προκαλούνται συχνά κοντά σε ζώνες υποστήριξης,
  Όχι στο κεντρικό διάστημα.

Τυπικές ζημιές περιλαμβάνουν:

• σπασμός άκρων,
• κάταγμα της ζώνης υποστήριξης,
• τοποθετημένη θραύση,
• ασύμμετρη φθορά,
• και ζημιές στις γωνίες.

Αυτό συμβαίνει επειδή:

• οι περιφέρειες υποστήριξης βιώνουν και τα δύο:
  • θερμικός περιορισμός,
  • και μεταφορά μηχανικού φορτίου.

Κατά τη σταθερή λειτουργία:

• Η κατανομή της θερμοκρασίας είναι σχετικά ομοιόμορφη.

Αλλά κατά τη διάρκεια της διακοπής λειτουργίας:

• η επιφάνεια ψύχεται πιο γρήγορα,
• Ενώ το εσωτερικό παραμένει ζεστό.

Αυτό δημιουργεί:

• αντιστροφή θερμικών κλίσεων,
• διαφορική συστολή,
• και ελαστική πίεση στην επιφάνεια.

Αν η επέκταση και η συστολή περιορίζονται:

• Η πίεση αυξάνεται γρήγορα κοντά στις άκρες και τις στήριξεις.

Να γιατί:

Πολλές βλάβες συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της ψύξης και όχι κατά τη διάρκεια της λειτουργίας.

Σε συστήματα με γρήγορη καύση,Ρολίστες SSiC για φούρνους εστίασης με κυλίνδρουςσυμβάλλουν στη διατήρηση καλύτερης σταθερότητας διαστάσεων κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων θερμικών κύκλων και συνθηκών ταχείας ψύξης.

Τα ευέλικτα συστήματα υποστήριξης βοηθούν στην απορρόφηση:

• διαστασιακή διαφορά,
• θερμική διαστολή,
• και τοπικό εκτοπισμό.

Οι δομές που υποστηρίζονται από ελατήριο μπορούν:

• μείωση της πίεσης περιορισμού,
• να αναδιανέμουν το φορτίο πιο ομοιόμορφα,
• και ελαχιστοποιεί την τοπική πίεση επαφής.

Σε σύγκριση με τα άκαμπτα στηρίγματα:

• τα ευέλικτα συστήματα αντέχουν καλύτερα τον θερμικό κύκλο.

Ο αξιόπιστος σχεδιασμός του κλιβάνου απαιτεί:

• ελεγχόμενη γεωμετρία στήριξης,
• επιδότηση επέκτασης,
• ομοιόμορφη επαφή
• και αντιστάθμιση θερμικής κίνησης.

Η υλική δύναμη από μόνη της είναι ανεπαρκής.

Ακόμη και οι υψηλής αντοχής κυλίνδροι SiC ενδέχεται να αποτύχουν εάν:

• Η θερμική επέκταση είναι υπερβολικά περιορισμένη.

Σε συστήματα κεραμικής υψηλής θερμοκρασίας:

• Η θερμική πίεση είναι συχνά πιο κρίσιμη από το στατικό φορτίο.

Πολλές αποτυχίες προέρχονται από:

1. περιορισμένη επέκταση,
2. σχηματισμός θερμικής κλίσης,
3. τοπική ενίσχυση της πίεσης,
4. επαναλαμβανόμενος θερμικός κύκλος,
5. Αρχή ρωγμών κοντά στις περιοχές υποστήριξης.

Συνεπώς:

Ο σχεδιασμός υποστήριξης επηρεάζει άμεσα την αξιοπιστία των ρόλων.

Η θερμική επέκταση δεν είναι το πρόβλημα.
Ο πραγματικός κίνδυνος είναι η περιορισμένη θερμική επέκταση.

Για αξιόπιστη λειτουργία κυλίνδρων SiC:

• επιδότηση επέκτασης,
• ευέλικτη σχεδίαση στήριξης,
• και ικανότητα ανακούφισης από στρες

είναι βασικές τεχνικές απαιτήσεις σε συστήματα φούρνων υψηλής θερμοκρασίας.