Трубы защиты термопарой являются критическими компонентами в высокотемпературных промышленных системах измерения температуры.
Они защищают датчики термопары от:
- Окисление при высоких температурах
- Коррозионные газы
- Расплавленные материалы
- Тепловой удар
- Механические повреждения
Среди керамических материалов для защитных труб широко используются керамические изделия на основе карбида кремния из-за их превосходного качества:
- Стабильность при высоких температурах
- Теплопроводность
- Сопротивление тепловым ударам
- Устойчивость к химической коррозии
Тем не менее, не все защитные трубы из карбида кремния работают одинаково.
Три обычно используемых материала включают:
- Перекристаллизированный карбид кремния (RSiC)
- Силиконовый карбид (SiSiC / RBSC)
- Кремниевый карбид, связанный нитридом кремния (Si3N4-SiC)
Каждый материал имеет различные преимущества:
- Прочность газа
- Максимальная рабочая температура
- Сопротивление тепловым ударам
- Устойчивость к коррозии
- Механическая прочность
Выбор правильного материала требует понимания фактических условий эксплуатации.
Перекристаллизированный карбид кремния производится с использованием высокочистых частиц SiC без каких-либо синтетических добавок или связующих веществ.
Во время синтерации при приблизительно:
2200~2400°C
мелкие частицы SiC проходят процесс испарения-конденсации, создавая высокочистую керамическую структуру.
Типичные свойства:
| Недвижимость | RSiC |
|---|---|
| Чистота SiC | >99% |
| Максимальная рабочая температура | 1650°C |
| Плотность груза | ~ 2,70 г/см3 |
| Видимая пористость | ~ 15% |
| Теплопроводность | ~25 W/m·K (1000°C) |
| Коэффициент теплового расширения | 40,8 × 10−6/°C |
RSiC поддерживает стабильную производительность при температурах до:
1650°C
Он подходит для:
- Печи для плавки стекла
- Высокотемпературные сжигатели
- Переработка драгоценных металлов
- Окружающая среда с содержанием серы в дымовых газах
Потому что RSiC содержит:
- Высокая чистота SiC
- Нет свободной кремниевой фазы
- Никакой фазы металлического связывания
он обеспечивает отличную устойчивость к:
- Окислительные атмосферы
- Соединения серы
- Высокотемпературные коррозионные газы
Сочетание:
- Низкое тепловое расширение
- Хорошая теплопроводность
- Легкая конструкция
позволяет RSiC трубкам выдерживать быстрые изменения температуры.
Из-за его контролируемой пористой структуры:
- Проницаемость газа существует
- Невозможно гарантировать полную герметичность
Поэтому RSiC не рекомендуется для:
- Газонепроницаемые системы измерения
- Защита термопарой из драгоценных металлов без облицовки
Для термопар Pt-Rh обычно требуется дополнительная внутренняя трубка из глинозема.
Карбид кремния, связанный реакцией, изготавливается путем инфильтрации расплавленного кремния в пористое углеродное тело SiC.
Кремний вступает в реакцию с углеродом, образуя вторичный SiC, а оставшийся кремний заполняет поры.
Это создает плотную структуру с почти нулевой пористостью.
Типичные свойства:
| Недвижимость | SiSiC |
|---|---|
| Содержание SiC | ~81% |
| Максимальная рабочая температура | 1350−1400°C |
| Плотность груза | 30,00 ≈ 3,05 г/см3 |
| Видимая пористость | ~0% |
| Теплопроводность | 35·36 Вт/м·К |
| Коэффициент теплового расширения | 4.4 ≈ 4,5 × 10−6/°C |
Наибольшее преимущество SiSiC заключается:
Почти нулевая открытая пористость
Это предусматривает:
- Отличная герметика газа
- Защита от проникновения в атмосферу
- Измерение стабильной термопары
Он особенно подходит для:
- Печи атмосферные
- Системы анализа газов
- Контролируемая тепловая обработка атмосферы
SiSiC обеспечивает:
- Высокая плотность
- Высокая прочность на изгибе
- Отличная точность измерений
Типичная сила изгиба:
260-300 МПа при комнатной температуре
Это делает его подходящим для применений, требующих механической долговечности.
Высокая теплопроводность улучшает:
- Эффективность теплопередачи
- Скорость реагирования на температуру
- Точность измерений
Основными ограничениями являются:
Потому что структура содержит свободный кремний:
- Максимальная температура ограничена
- Сопротивление окислению ниже, чем у RSiC
- Некоторые среды расплавленного металла могут атаковать кремниевую фазу
Следовательно, SiSiC обычно не рекомендуется для непрерывной работы выше:
1400°C
Кремниевый карбид, связанный нитридом кремния, получается путем реакции кремниевого порошка с азотом во время синтерации.
Фаза Si3N4 образует связующую сеть между зернами SiC.
Типичные свойства:
| Недвижимость | Si3N4-SiC |
|---|---|
| Содержание SiC | 73% 75% |
| Максимальная рабочая температура | ~1450°C |
| Плотность груза | 20,70 ≈ 2,80 г/см3 |
| Видимая пористость | 828% |
| Теплопроводность | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Коэффициент теплового расширения | 40,55,1 × 10−6/°C |
Материал работает очень хорошо при:
- Быстрое нагревание
- Быстрое охлаждение
- Частые циклы печи
Широко используется в:
- Печи с прерывистыми работами
- Печи для тепловой обработки
- Системы керамического обжига
Фаза связывания нитрида кремния обеспечивает:
- Низкое сокращение
- Стабильная структура
- Хорошая точность производства
По сравнению с высокочистыми материалами RSiC или плотными материалами SiC:
Si3N4-SiC обеспечивает:
- Более низкие издержки производства
- Возможность больших размеров
- Хороший общий баланс производительности
По сравнению с SiSiC:
- Газовая герметичность ниже
По сравнению с RSiC:
- Максимальная температура меньше.
Не рекомендуется использовать при:
- Сильно щелочная среда
- Воздействие расплавленной соли
- Очень коррозионные атмосферы
| Недвижимость | RSiC | SiSiC | Si3N4-SiC |
|---|---|---|---|
| Способ производства | Перекристаллизация | Кремниевая инфильтрационная реакция связывания | Нитридные связи |
| Чистота SiC | >99% | ~81% | 73% 75% |
| Максимальная рабочая температура | 1650°C | 1350−1400°C | ~1450°C |
| Порозность | ~ 15% | ~0% | 828% |
| Прочность газа | Умеренный | Отлично. | Хорошо. |
| Сопротивление тепловым ударам | Отлично. | Отлично. | Отлично. |
| Теплопроводность | ~25 В/м·К | 35·36 Вт/м·К | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Устойчивость к коррозии | Отлично. | Хорошо. | Умеренный |
| Механическая прочность | Средний | Высокий | Средний |
| Уровень затрат | Высокий | Средний | Ниже |
| Типичное применение | Коррозия при высоких температурах | Измерение газонепроницаемости | Тепловой цикл |
✓ Температура превышает 1500°C
✓ Оксидационная устойчивость критична
✓ Существуют газы, содержащие серу
✓ Требуется термостойкость
Типичные применения:
- Печи для плавки стекла
- Сжигательные установки
- Химические системы высокой температуры
✓ Приоритетом является герметичность газа
✓ Защита термопары требует уплотнения
✓ Контроль атмосферы важен
Типичные применения:
- Печи атмосферные
- Оборудование для анализа газов
- Системы тепловой обработки
✓ Частые тепловые циклы
✓ Эффективность затрат важна
✓ Требуются трубки большого диаметра
Типичные применения:
- Керамические печи
- Печи с прерывистыми работами
- Оборудование для тепловой обработки
Не существует единого материала для защитных труб с термопарой карбида кремния.
Оптимальный выбор зависит от рабочей среды:
- RSiC обеспечивает высокую температурную способность и коррозионную стойкость.
- SiSiC обеспечивает лучшую герметичность газа и механическую прочность.
- Связанный с Si3N4 SiC обеспечивает отличную термоупорность и экономическую эффективность.
Для надежной защиты термопары инженеры должны оценить:
- Рабочая температура
- Атмосфера печи
- Требования к проницаемости газа
- Частота теплового цикла
- Условия коррозии
Выбор правильного SiC-материала может значительно улучшить срок службы термопары, точность измерений и надежность работы печи.
