Силициев карбид, свързан с нитрид: Надежден съюзник срещу топлина и износване в промишлеността

Знаете ли, след като прекарах повече от двадесет години в сферата на огнеупорите, занимавайки се с всички видове материали, които трябва да издържат на високи температури и сурови условия, аз наистина оценявам силициевия карбид, свързан с нитрид. Той не е от онези лъскави технологии, за които се говори в лекциите на TED, но в ежедневието на фабриките и заводите е спасителен. Този материал съчетава здравината на силициевия карбид със свързващо вещество нитрид, което го прави изключително устойчив, и се е превърнал в основен елемент за всички, които работят в екстремни условия. Това, което ми харесва в него, е, че решава проблеми без много шум - по-дълготрайни облицовки, по-малко престои и други подобни. В този материал ще ви разкажа от какво е направена, какви са основните ѝ предимства, къде се използва и за какво да внимавате въз основа на това, което съм видял на терен. Ако сте инженер или техник, който търси варианти за инсталации с висока температура, това може да ви даде някои полезни насоки.

Нека започнем с основните неща: как се получава нитридното свързване на сик. Ключовата съставка е силициев карбид, или SiC, който се получава по метода на Ачесън. При него се вземат силициев пясък и въглерод, нагряват се в голяма електрическа пещ до около 2000 градуса по Целзий или повече и се получават тези твърди кристали SiC. Те са твърди като пирони. За да направите свързаната версия, смесвате тези SiC зърна с малко силициев прах и ги оформяте в каквото ви е необходимо - тухли, плочи, може би дори тръби. След това ги изпичате в атмосфера, пълна с азот, при температура около 1400-1500 °C. Силицият се захваща за азота и се превръща в силициев нитрид, Si3N4, който образува тази свързваща мрежа, която държи всичко на място. Това е предимно SiC, примерно 85%, с нитрид, който запълва празнините. Ако го разгледате под микроскоп, ще видите тези игловидни нитридни кристали, които се увиват около SiC частиците, създавайки структура, която е твърда, но не твърде крехка. Няма нужда от допълнителни свързващи вещества, които могат да изгорят при високи температури, което е хубаво решение.

Сега към това, което го прави толкова добър. В термично отношение този материал може да издържи на удари до 1650°C на въздух, а понякога и повече, ако атмосферата намалява. Когато се окислява, на повърхността му се образува слой от силициев диоксид, който действа като щит срещу по-големи повреди. Топлопроводимостта е доста добра - между 20 и 40 вата на метър Келвин, така че се справя с топлинния поток без проблеми в неща като топлообменници. Степента на разширение е ниска, около 4 пъти по 10 до минус 6 на градус по Целзий, което означава, че не се напуква лесно, когато температурите се колебаят бясно. Механично е здрав - якост на натиск над 200 мегапаскала - и супер устойчив на износване, тъй като SiC е почти толкова твърд, колкото диаманта. Подлагал съм образци на тестове за ерозия с разтопена шлака и те излизат много по-добре от алуминиевите материали.

В химично отношение също е шампион. Киселини, основи, разтопени метали - те не го притесняват много. При работа с алуминий той издържа на флуориди, които биха изяли други огнеупорни материали живи. Плътността му е около 2,7-3,1 грама на кубичен сантиметър, така че не е прекалено тежък, а порьозността му е 10-20%, което му позволява да диша малко, без да се разпада. Но ето едно предупреждение: ако се намирате в парна среда с температура над 1400°C, нитридът може да реагира с вода и да се разпадне. Трябва да вземете това предвид.

Къде се появява в реалния свят? На много места. В стоманодобива той е чудесен за частите на доменните пещи, като зоните около туирите или комина, където топлината и ударите от материалите са постоянни. Спомням си една работа, при която сменихме облицовката на пещта със SiC и тя издържа два пъти по-дълго - от нужда от пренареждане на всеки шест месеца се стигна до повече от година. Големи икономии. За метали като мед или алуминий се използва в тигели и канали; повърхността не позволява на метала да залепне, така че няма запушвания. В керамиката от него се правят добри подпори за пещи и рафтове, които не се деформират при натоварване при високи температури.

Това не е само старата школа в индустрията. Можете да го откриете в инсинератори, работещи с неприятни газове, или в химически реактори с корозивни вещества. Напоследък го виждам в зелена енергия, като газификатори за биомаса или соларни инсталации. Можете да го оформите в почти всичко - стандартни тухли или нестандартни парчета - и да го монтирате със специални разтвори. Разходите са по-големи, може би пет до десет долара за килограм, но се изплащат бързо на трудни места.

Въпреки това той не е съвършен. За да се направи правилно, е необходим внимателен контрол; ако азотирането не е докрай, се получават слаби места. При рязане или шлайфане се отделя прах, който е лоша новина - може да бъде канцерогенен - затова носете маски и използвайте аспирация. Производството изразходва енергия, но рециклирането става все по-добро; на някои места от старите части се извлича 70% от SiC. Изследванията също разширяват границите, като например добавяне на материали, които да го направят по-здрав срещу пукнатини, или използване на 3D принтиране за намаляване на отпадъците.

Като се има предвид всичко това, силициевият карбид с нитридна връзка е един от онези материали, които просто работят, когато е необходимо. От това, с което съм се сблъсквал, той е променял сложни ситуации, като например в цинковия завод, където значително повиши ефективността. Ако смятате да го използвате, съобразете го с условията - топлина, химикали, напрежение - и проверете спецификациите на хора като Saint-Gobain. Той има солидно бъдеще, тъй като търсим по-добри и по-екологични начини за работа.