Studium przypadku: Dlaczego wałki ceramiczne rzadko ulegają awarii wyłącznie z powodu ściskania?

W zastosowaniach w piecach przemysłowych często zakłada się, że walce ceramiczne ulegają awariom z powodu „dużego obciążenia” lub „nadmiernego ciśnienia”.
Jednakże w większości rzeczywistych środowisk produkcyjnych walce z węglika krzemu (SiC) rzadko ulegają awariom z powodu samych naprężeń ściskających.

Zamiast tego awarie są zwykle kojarzone z:

• Naprężenie zginające
• Gradienty termiczne
• Zlokalizowane obciążenie podporowe
• Naprężenie rozciągające wywołane ograniczeniem
• Odpryski krawędzi i propagacja pęknięć

To rozróżnienie jest niezwykle ważne dla projektu pieca, optymalizacji konstrukcji wsporczej i oceny trwałości walców.

Materiały ceramiczne – w tym RSiC i SSiC – mają bardzo wysoką wytrzymałość na ściskanie.

Typowe wartości wytrzymałości na ściskanie:

W większości zastosowań w piecach rzeczywiste operacyjne naprężenie ściskające jest znacznie niższe od tych wartości granicznych.

Dlatego:

✅Jednolita kompresja sama w sobie nie jest główną przyczyną awarii.

W rzeczywistych systemach piecowych wsad nigdy nie jest idealnie równomierny.

Nawet jeśli całkowite obciążenie wydaje się rozsądne, kilka efektów wtórnych generuje niebezpieczną koncentrację naprężeń:

• Niewspółosiowość wsparcia
• Nierówna rozszerzalność cieplna
• Gięcie rolek
• Miejscowy nacisk kontaktowy
• Nagłe ochłodzenie
• Skurcz różnicowy podczas wyłączania

Warunki te powodują naprężenia rozciągające, a nie czyste ściskanie.

Ceramiczne walce SiC do systemów pieców wysokotemperaturowych

Ceramika jest bardzo wrażliwa na naprężenia rozciągające.

To jest kluczowy punkt inżynierii.

Dla rolek SiC:

• Kompresja ma tendencję do „zamykania” mikropęknięć
• Naprężenia rozciągające otwierają pęknięcia i powodują propagację pęknięć

Dlatego wiele awarii rolek ma swój początek w:

• Krawędzie
• Strefy wsparcia
• Narożniki
• Końcowe powierzchnie
• Obszary przejścia termicznego

—nie w środku obciążenia ściskającego.

Zwykle spowodowane przez:

• Lokalny kontakt z pomocą techniczną
• Niedopasowanie termiczne
• Ograniczenie podczas chłodzenia

Nie przez kruszenie ściskające.

Często kojarzone z:

• Nierówna siła sprężyny
• Nieprawidłowo ustawione bloki podporowe
• Lokalne gradienty termiczne

Pęknięcie inicjuje się w wyniku zginania i rozciągania w pobliżu powierzchni styku podpory.

Podczas szybkiego chłodzenia:

• Powierzchnia ochładza się szybciej
• Wnętrze pozostaje gorące
• Formy odwróconego gradientu termicznego

Wynik:

• Powierzchniowe naprężenie rozciągające szybko rośnie
• Pęknięcia inicjują się i rozprzestrzeniają

Powtórzę jeszcze raz: jest to uszkodzenie rozciągające, a nie ściskające.

Czyste uszkodzenie ściskające wymagałoby:

• Niezwykle wysokie obciążenie równomierne
• Idealne dopasowanie
• Żadnego zginania
• Brak gradientu termicznego
• Brak lokalnej koncentracji naprężeń

Podczas rzeczywistej pracy pieca taki stan prawie nigdy nie występuje.

Zanim naprężenie ściskające stanie się krytyczne, system zwykle doświadcza:

• Odkształcenie zginające
• Lokalne napięcie
• Stężenie naprężeń termicznych
• Pękanie powierzchni

Pierwszy.

Materiały ceramiczne z węglika krzemu i rozwiązania systemów piecowych:

Walec przenoszący cięższy, ale dobrze rozłożony ładunek może przetrwać dłużej niż lekko obciążony walec o słabych warunkach podparcia.

Dobry projekt podpory powinien:

• Zezwalaj na rozszerzalność cieplną
• Unikaj kontaktu punktowego
• Zmniejsz ograniczenie krawędzi
• Minimalizuj lokalną koncentrację naprężeń

Występuje wiele awarii:

• Podczas wyłączania
• Podczas uruchamiania
• Podczas szybkich przejść termicznych

—nie podczas stabilnej pracy w wysokiej temperaturze.

Częstym błędem jest:

„Walec złamał się, ponieważ obciążenie było zbyt duże.”

W wielu przypadkach prawdziwą przyczyną jest:

• Nierówne wsparcie
• Szok termiczny
• Miejscowe napięcie
• Ograniczenie strukturalne
• Propagacja istniejących mikropęknięć

Wałek nie zawodzi, ponieważ jest „zbyt mocno ściśnięty”.

Zawodzi, ponieważ gdzieś w systemie powstają naprężenia rozciągające.

Rolki ceramiczne rzadko ulegają awariom wyłącznie na skutek ściskania, ponieważ materiały SiC charakteryzują się wyjątkowo wysoką wytrzymałością na ściskanie.

W większości rzeczywistych zastosowań pieców awarie są zdominowane przez:

• Naprężenie zginające
• Gradienty termiczne
• Miejscowe naprężenia rozciągające
• Koncentracja stresu wywołana wsparciem

Aby zapewnić niezawodne i długotrwałe działanie, uwaga inżynierów powinna skupić się na:

• Projekt konstrukcji wsporczej
• Zarządzanie ciepłem
• Dodatek na rozbudowę
• Rozkład naprężeń
• Optymalizacja stanu styku

— a nie tylko samo zwiększanie ładowności.

Shaanxi Kegu New Material Technology Co., Ltd.