Các ống bảo vệ nhiệt cặp là thành phần quan trọng trong các hệ thống đo nhiệt độ công nghiệp nhiệt độ cao.
Chúng bảo vệ các cảm biến nhiệt cặp từ:
- Ôxy hóa ở nhiệt độ cao
- Khí ăn mòn
- Vật liệu nóng chảy
- Sốc nhiệt
- Thiệt hại cơ học
Trong số các vật liệu ống bảo vệ gốm, gốm dựa trên silicon carbide được sử dụng rộng rãi vì chất lượng tuyệt vời:
- Độ ổn định ở nhiệt độ cao
- Khả năng dẫn nhiệt
- Chống sốc nhiệt
- Chống ăn mòn hóa học
Tuy nhiên, không phải tất cả các ống bảo vệ silicon carbide hoạt động theo cùng một cách.
Ba vật liệu thường được sử dụng bao gồm:
- Silicon Carbide tái tinh thể (RSiC)
- Silicon Carbide liên kết phản ứng (SiSiC / RBSC)
- Silicon nitride bonded Silicon Carbide (Si3N4-SiC)
Mỗi vật liệu có những lợi thế khác nhau về mặt:
- Độ kín khí
- Nhiệt độ hoạt động tối đa
- Chống sốc nhiệt
- Chống ăn mòn
- Sức mạnh cơ học
Chọn đúng vật liệu đòi hỏi phải hiểu các điều kiện hoạt động thực tế.
Silicon carbide tái kết tinh được sản xuất bằng cách sử dụng các hạt SiC tinh khiết cao mà không có bất kỳ chất phụ gia hoặc chất kết dính nào.
Trong quá trình sinter ở khoảng:
2200~2400°C
Các hạt SiC mịn trải qua liên kết bốc hơi - ngưng tụ, tạo ra một cấu trúc gốm tinh khiết cao.
Tính chất điển hình:
| Tài sản | RSiC |
|---|---|
| Độ tinh khiết SiC | >99% |
| Nhiệt độ hoạt động tối đa | 1650°C |
| Mật độ khối lượng | ~ 2,70 g/cm3 |
| Sự xốp bề ngoài | ~15% |
| Khả năng dẫn nhiệt | ~25 W/m·K (1000°C) |
| Tỷ lệ mở rộng nhiệt | 4.8 ×10−6/°C |
RSiC duy trì hiệu suất ổn định ở nhiệt độ lên đến:
1650°C
Nó phù hợp cho:
- Các lò nóng chảy thủy tinh
- Máy đốt nhiệt độ cao
- Xử lý kim loại quý
- Môi trường khí khói chứa lưu huỳnh
Bởi vì RSiC chứa:
- Độ tinh khiết SiC cao
- Không có pha silic tự do
- Không có giai đoạn liên kết kim loại
nó cung cấp khả năng kháng tuyệt vời đối với:
- Không khí oxy hóa
- Các hợp chất lưu huỳnh
- Khí ăn mòn ở nhiệt độ cao
Sự kết hợp của:
- Sự mở rộng nhiệt thấp
- Độ dẫn nhiệt tốt
- Cấu trúc nhẹ
cho phép các ống RSiC chịu được sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng.
Do cấu trúc xốp được kiểm soát:
- Sự thấm khí tồn tại
- Không thể đảm bảo niêm phong hoàn toàn
Do đó, RSiC không được khuyến cáo cho:
- Hệ thống đo khí kín
- Bảo vệ nhiệt cặp kim loại quý mà không có lớp lót
Đối với nhiệt cặp Pt-Rh, một ống bên trong nhôm bổ sung thường cần thiết.
Silicon carbide liên kết phản ứng được sản xuất bằng cách thâm nhập silicon nóng chảy vào một cơ thể SiC-carbon xốp.
Silicon phản ứng với carbon để tạo thành SiC thứ cấp, trong khi silic còn lại lấp đầy các lỗ chân lông.
Điều này tạo ra một cấu trúc dày đặc với gần như không có lỗ chân lông.
Tính chất điển hình:
| Tài sản | SiSiC |
|---|---|
| Hàm lượng SiC | ~81% |
| Nhiệt độ hoạt động tối đa | 1350~1400°C |
| Mật độ khối lượng | 30,00 ∼3,05 g/cm3 |
| Sự xốp bề ngoài | ~ 0% |
| Khả năng dẫn nhiệt | 3536 W/m·K |
| Tỷ lệ mở rộng nhiệt | 4.4·4.5 ×10−6/°C |
Ưu điểm lớn nhất của SiSiC là:
Gần như không có lỗ hổng mở
Điều này cung cấp:
- Khóa khí tuyệt vời
- Bảo vệ chống xâm nhập khí quyển
- Đo nhiệt cặp ổn định
Nó đặc biệt phù hợp với:
- Các lò khí quyển
- Hệ thống phân tích khí
- Điều trị nhiệt khí quyển có kiểm soát
SiSiC cung cấp:
- Mật độ cao
- Sức mạnh uốn cong cao
- Độ chính xác kích thước tuyệt vời
Sức mạnh uốn cong điển hình:
260~300 MPa ở nhiệt độ phòng
Điều này làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền cơ học.
Tính dẫn nhiệt cao cải thiện:
- Hiệu suất chuyển nhiệt
- Tốc độ phản ứng nhiệt độ
- Độ chính xác đo
Các hạn chế chính là:
Bởi vì cấu trúc chứa silicon tự do:
- Nhiệt độ tối đa được giới hạn
- Kháng oxy hóa thấp hơn RSiC
- Một số môi trường kim loại nóng chảy có thể tấn công giai đoạn silicon
Do đó, SiSiC thường không được khuyến cáo cho hoạt động liên tục ở trên:
1400°C
Silicon nitride liên kết silicon carbide được tạo ra bằng cách phản ứng bột silicon với nitơ trong quá trình ngâm.
Giai đoạn Si3N4 tạo thành mạng lưới liên kết giữa các hạt SiC.
Tính chất điển hình:
| Tài sản | Si3N4-SiC |
|---|---|
| Hàm lượng SiC | 73% 75% |
| Nhiệt độ hoạt động tối đa | ~1450°C |
| Mật độ khối lượng | 20,70 ∼ 2,80 g/cm3 |
| Sự xốp bề ngoài | 828% |
| Khả năng dẫn nhiệt | 19 ¢20 W/m·K |
| Tỷ lệ mở rộng nhiệt | 4.5·5.1 ×10−6/°C |
Vật liệu này hoạt động rất tốt dưới:
- Sưởi ấm nhanh
- Làm mát nhanh
- Chu kỳ lò thường xuyên
Nó được sử dụng rộng rãi trong:
- Các lò sưởi liên tục
- Các lò xử lý nhiệt
- Các hệ thống đốt gốm
Giai đoạn liên kết silic nitrure cung cấp:
- Tốc độ co lại thấp
- Cấu trúc ổn định
- Độ chính xác sản xuất tốt
So với các vật liệu RSiC tinh khiết cao hoặc SiC dày đặc:
Si3N4-SiC cung cấp:
- Chi phí sản xuất thấp hơn
- Khả năng kích thước lớn
- Cân bằng hiệu suất tổng thể tốt
So với SiSiC:
- Độ kín khí thấp hơn
So với RSiC:
- Khả năng nhiệt độ tối đa thấp hơn
Nó không được khuyến cáo cho:
- Môi trường kiềm mạnh
- Phơi nhiễm muối tan
- Không khí ăn mòn đặc biệt
| Tài sản | RSiC | SiSiC | Si3N4-SiC |
|---|---|---|---|
| Phương pháp sản xuất | Tái kết tinh | Phản ứng xâm nhập silicon liên kết | Nitride bonding |
| Độ tinh khiết SiC | >99% | ~81% | 73% 75% |
| Nhiệt độ hoạt động tối đa | 1650°C | 1350~1400°C | ~1450°C |
| Độ xốp | ~15% | ~ 0% | 828% |
| Độ kín khí | Trung bình | Tốt lắm. | Tốt lắm. |
| Chống sốc nhiệt | Tốt lắm. | Tốt lắm. | Tốt lắm. |
| Khả năng dẫn nhiệt | ~25 W/m·K | 3536 W/m·K | 19 ¢20 W/m·K |
| Chống ăn mòn | Tốt lắm. | Tốt lắm. | Trung bình |
| Sức mạnh cơ học | Trung bình | Cao | Trung bình |
| Mức chi phí | Cao | Trung bình | Hạ |
| Ứng dụng điển hình | Sự ăn mòn ở nhiệt độ cao | Đo độ kín khí | Chu trình nhiệt |
✓ Nhiệt độ vượt quá 1500°C
✓ Kháng oxy hóa là rất quan trọng
✓ Có khí chứa lưu huỳnh
✓ Cần có khả năng chống sốc nhiệt
Ứng dụng điển hình:
- Các lò nóng chảy thủy tinh
- Máy đốt
- Hệ thống hóa học nhiệt độ cao
✓ Sự kín khí là ưu tiên
✓ Bảo vệ nhiệt cặp đòi hỏi phải niêm phong
✓ Kiểm soát khí quyển rất quan trọng
Ứng dụng điển hình:
- Các lò khí quyển
- Thiết bị phân tích khí
- Hệ thống xử lý nhiệt
✓ Có chu kỳ nhiệt thường xuyên
✓ Hiệu quả chi phí là quan trọng
✓ Cần ống đường kính lớn
Ứng dụng điển hình:
- Các lò gốm
- Các lò sưởi liên tục
- Thiết bị xử lý nhiệt
Không có một vật liệu ống bảo vệ nhiệt cặp silicon carbide tốt nhất.
Sự lựa chọn tối ưu phụ thuộc vào môi trường hoạt động:
- RSiC cung cấp khả năng nhiệt độ cao nhất và khả năng chống ăn mòn.
- SiSiC cung cấp độ kín khí tốt nhất và sức mạnh cơ học.
- SiC liên kết Si3N4 cung cấp khả năng chống sốc nhiệt tuyệt vời và hiệu quả chi phí.
Để bảo vệ nhiệt cặp đáng tin cậy, các kỹ sư nên đánh giá:
- Nhiệt độ hoạt động
- Không khí lò
- Yêu cầu về độ thấm khí
- Tần số chu kỳ nhiệt
- Điều kiện ăn mòn
Chọn đúng vật liệu SiC có thể cải thiện đáng kể tuổi thọ của nhiệt cặp, độ chính xác đo lường và độ tin cậy hoạt động lò.
