Nitriidiga seotud ränikarbiid: Tööstuses usaldusväärne liitlane kuumuse ja kulumise vastu

Teate, pärast seda, kui olen üle kahekümne aasta veetnud tulekindlate materjalide valdkonnas, kus ma olen tegelenud igasuguste materjalidega, mis peavad vastu pidama kuumale temperatuurile ja karmidele tingimustele, olen hakanud nitriidiga seotud ränikarbiidi väga kõrgelt hindama. See ei ole selline silmatorkav tehnoloogia, millest räägitakse TED-ettekannetes, kuid tehaste ja rajatiste igapäevases töös on see elupäästja. Selles materjalis on ühendatud ränikarbiidi sitkus nitriidse sideainega, mis muudab selle eriti vastupidavaks, ja sellest on saanud põhitarvik kõigile, kes tegelevad ekstreemsetes tingimustes. Mulle meeldib see, et see lahendab probleeme ilma suurema vaeva nägemata - pikemaajaline vooderdus, vähem seisakuid ja muu selline asi. Selles artiklis tutvustan teile, millest see on valmistatud, selle peamisi tugevusi, kus seda kasutatakse ja mõningaid asju, mille suhtes tuleb ettevaatlik olla, tuginedes sellele, mida ma olen kohapeal näinud. Kui te olete insener või tehnik, kes otsib kõrgkuumuse seadistuste võimalusi, võib see teile kasulikke näpunäiteid anda.

Alustame põhitõdedest: kuidas nitriidiga seotud sic kokku tuleb. Peamine koostisosa on ränikarbiid ehk SiC, mis pärineb Achesoni protsessist. See on protsess, kus võetakse räniliiv ja süsinik, kuumutatakse neid suures elektriahjus umbes 2000 kraadini või rohkem, ja välja tulevad kõvad SiC-kristallid. Need on kõvad kui naelad. Et teha seotud versiooni, segatakse need SiC terad ränipulbriga ja vormitakse sellest mis iganes, mida vajate - tellised, plaadid, võib-olla isegi torud. Siis põletate seda lämmastikuga täidetud atmosfääris, umbes 1400 kuni 1500 °C juures. Räni haarab lämmastikku ja muutub räninitriidiks, Si3N4, mis moodustab selle sidusvõrgustiku, mis hoiab kõike paigal. See on enamasti SiC, näiteks 85% või nii, nitriidiga, mis täidab tühimikud. Kui te vaatate seda mikroskoobi all, näete neid nõelakujulisi nitriidikristalle, mis mähivad SiC-osakesi ümber, luues struktuuri, mis on tahke, kuid mitte liiga rabe. Ei ole vaja täiendavaid sideaineid, mis võivad kõrgel temperatuuril läbi põleda, mis on väga meeldiv.

Nüüd selle juurde, mis teeb selle nii hästi toimivaks. Termiliselt võib see materjal vastu võtta kuni 1650 °C õhus ja mõnikord ka rohkem, kui atmosfäär on vähendav. Oksüdeerudes moodustab see pinnale ränidioksiidi kihi, mis toimib nagu kilp suurema kahjustuse vastu. Soojusjuhtivus on üsna hea, vahemikus 20-40 vatti meetri kelvini kohta, nii et see talub soojusvoolu probleemideta näiteks soojusvahetites. Paisumise kiirus on madal, umbes 4 korda 10 kuni miinus 6 kraadi C kohta, mis tähendab, et see ei pragune kergesti, kui temperatuurid järsult kõiguvad. Mehaaniliselt on see tugev - survetugevus on üle 200 megapaskali - ja väga vastupidav kulumisele, sest SiC on peaaegu sama kõva kui teemant. Olen teinud näidiseid erosioonikatseid sulatatud räbuga ja need tulevad välja palju paremad kui alumiiniumoksiidi kraam.

Keemiliselt on see samuti tšempion. Happed, leelised, sulatatud metallid - need ei häiri seda eriti. Alumiiniumitöödel peab see vastu fluoriididele, mis muud tulekindlad materjalid elusalt ära sööksid. Tihedus on umbes 2,7-3,1 grammi kuupsentimeetri kohta, nii et see ei ole liiga raske, ja poorsus on 10-20 protsenti, mis võimaldab tal veidi hingata, ilma et ta laguneks. Kuid siin on hoiatus: kui olete üle 1400 °C aurustunud keskkonnas, võib nitriid reageerida veega ja laguneda. Seda tuleb arvestada.

Kus see reaalses maailmas ilmneb? Paljudes kohtades. Terasetootmises sobib see suurepäraselt kõrgahju osade jaoks, näiteks tuueride või korstna ümbruses, kus kuumus ja materjalide löömine on pidev. Mäletan ühte tööd, kus me vahetasime ahju vooderduse SiC vastu ja see kestis kaks korda kauem - see vajas kord kuue kuu tagant uut vooderdust, kuid nüüd oli vaja üle aasta. See oli suur kokkuhoid. Metallide, nagu vask või alumiinium, puhul kasutatakse seda tiiglitesse ja kanalitesse; pind ei lase metallil kinni jääda, seega ei teki ummistusi. Keraamika puhul on see hea ahjutugi ja riiulid, mis ei paindu koormuse all kõrge tulekahju korral.

See ei ole ka ainult vanakooli tööstus. Leiad seda vastikute gaasidega tegelevates põletusahjudes või söövitava kraamiga keemilistes reaktorites. Viimasel ajal olen näinud seda rohelise energia puhul, nagu biomassi gaasistajad või päikeseenergia seadeldised. Seda saab vormida peaaegu kõigeks - standardtellisteks või kohandatud tükkideks - ja paigaldada spetsiaalsete mörssidega. See maksab algselt rohkem, võib-olla viis kuni kümme dollarit kilo kohta, kuid rasketes kohtades tasub see kiiresti ära.

See tähendab, et see ei ole täiuslik. Selle õigeks tegemine nõuab hoolikat kontrolli; kui nitreerimine ei lähe lõpuni, tekivad nõrgad kohad. Lõikamine või lihvimine tekitab tolmu, mis on halb uudis - see võib olla kantserogeenne, seega kandke maske ja kasutage väljatõmbamist. Tootmine sööb energiat, kuid ringlussevõtt muutub paremaks; mõnedes kohtades võetakse vanadest osadest tagasi 70% SiC. Teadusuuringud nihutavad samuti piire, näiteks lisades aineid, mis muudavad selle vastupidavamaks pragude vastu, või kasutades 3D-trükkimist, et vähendada jäätmeid.

Kokkuvõttes on nitriidiga seotud ränikarbiid üks neist materjalidest, mis lihtsalt töötab, kui seda vajate. Selle põhjal, millega ma olen tegelenud, on see keerulisi olukordi ümber pööranud, nagu selles tsingitehases, kus see suurendas tõhusust suurel määral. Kui mõtlete selle kasutamisele, sobitage see oma tingimustega - kuumuse, kemikaalide ja stressiga - ning vaadake selliste firmade nagu Saint-Gobain spetsifikatsioone. Sellel on kindel tulevik, kui me otsime paremaid ja keskkonnahoidlikumaid viise, kuidas asju teha.