По-горещ от RBSiC, по-здрав от старите тухли: Практическо ръководство за силициев карбид с нитридна връзка

Силициевият карбид с нитридна връзка не получава същото внимание като SiC с реакционна връзка или синтерирания SiC. Няма нищо лошо в това. Той е зает да поддържа вагоните на пещите, да облицова алуминиевите клетки и да понася абразивното износване, което тухлите с оксидна връзка не могат да издържат. Прекарал съм достатъчно време в работа с NSiC — изписван също като NBSiC или силициев карбид с нитридна връзка — за да го кажа ясно: това не е “икономична версия” на плътния SiC. Това е различен материал с различно предназначение.

На хартия рецептата е проста. Взема се зърно от силициев карбид, добавя се метален силиций, оформя се желаната форма, след което се подлага на термична обработка в азотна среда. Силицият се превръща в силициев нитрид, а този нитрид става свързващото вещество, което държи зърната от SiC заедно. Типичните съотношения са около 70–80% SiC и 20–30% Si₃N₄. Свиването по време на азотирането е малко, което позволява изработването на големи плочи, тухли и сложни форми без проблемите с изкривяване, характерни за някои други керамики.

Какво получавате в готовата детайл

Плътността обикновено е в диапазона 2,6–2,8 g/cm³. Отворената порьозност при стандартните марки често варира около 12–17%. Именно тази порьозност е първото нещо, което хората не разбират правилно. Тя не е дефект по подразбиране. Именно затова материалът може да издържи термичен шок, който би довел до напукване на напълно плътно тяло, и затова е по-лек от реакционно свързания SiC в пещната вагонетка. Някои съвременни марки се подлагат на повторно изпичане или се формулират така, че повърхностните пори да се затворят с силициева кора. Тези марки се държат по-скоро като уплътнен огнеупор, отколкото като гъба.

Якостта е по-ниска от тази на плътния SiSiC. Модулът на скъсване при стайна температура за обикновените пещни и огнеупорни марки може да бъде от порядъка на десетки MPa, а не 250 MPa, както се твърди за реакционно свързаните греди. Полезната информация е това, което се случва при висока температура. Силициевият карбид, свързан с нитрид, запазва носещата си способност значително над точката, в която свободният силиций в реакционно свързания SiC започва да омеква. Практичната експлоатационна температура често се посочва в диапазона 1450–1600 °C, в зависимост от атмосферата, натоварването и това дали сортът е фино тяло, отлято чрез слип-кастинг, или по-груб пресован тухлен блок. Ако се позовавате на маркетинговите данни, без да проверите експлоатационните условия, все пак ще огънете плочата.

Топлопроводимостта е добра в сравнение с кордиерита или мулита, но обикновено е по-ниска от тази на плътния RBSiC. Коефициентът на разширение е нисък. Именно тази комбинация, заедно с нитридната връзка, е причината мебелите да издържат на нагряване и охлаждане, вместо да се появят фини пукнатини още във вторник.

От химическа гледна точка той е устойчив в много промишлени среди. Разтопеният алуминий и криолитът са най-известният пример: SiC с нитридна връзка се превърна в предпочитания материал за страничните стени на редукционните клетки, тъй като въглеродът изгаряше, а тухлите от оксид не издържаха дълго. Той също така понася абразията, много видове шлаки и замърсените газове в циклоните по-добре от тухлите от SiC със глинена връзка. Той обаче не е вечен. Силните алкали, лошото нитридиране с остатъчен свободен силиций и небрежното окисляване на горещата повърхност все пак ще го разядат.

Където наистина работи

Пещните приспособления са част от ежедневната ни дейност. Блокове, плочи, подложки, стълбове и греди за санитарна керамика, съдове за хранене, електрически порцелан и техническа керамика. В сравнение с кордиерита те осигуряват по-висока температура, по-голяма товароносимост, по-тънки сечения и по-малко мъртва маса в пещта. Последната точка не е просто поезия. По-малката маса на пещното оборудване означава повече изделия и по-малко гориво на цикъл.

Алуминият е другата голяма област на приложение. Блоковете за страничните стени в електролизните линии изискват топлопроводимост, механична якост и устойчивост към химичния състав на електролита. NSiC изпълнява тази задача на цена, приемлива за заводите. Долната част на комина на доменната пещ, зоните на износване в инсталациите за преработка на отпадъци в енергия и облицовките на циклоните в минното дело или енергетиката се основават на същата логика: твърди SiC зърна, свързващо вещество, което издържа на топлината, и форма, която може да се монтира като тухла или отливка.

Появяват се и износващи се части — плочки, дюзи, елементи на помпите — когато средата е гореща и абразивна, но не е необходима почти нулевата порьозност на реакционно свързания SiC. Ако суспензията е студена и единственият проблем е абразивното триене при плъзгане, плътната SiSiC облицовка често издържа по-дълго. Ако врагът е комбинация от топлина, абразия и термични цикли, NSiC започва да изглежда като разумно решение.

Как стоят нещата, когато някой попита: “Защо просто да не използваме RBSiC?”

Силициевият карбид, получен чрез реакционно свързване, е с по-голяма плътност, по-здрав и с по-плътна структура. От него се изработват отлични греди, валци и прецизни износващи се детайли при температури под около 1350–1380 °C. При по-високи температури определящ фактор е свободният силиций. NSiC няма този резерв от метал в микроструктурата си, затова може да работи при по-високи температури. Той е и практичният избор за големи огнеупорни изделия, при които инфилтрацията на силиций в огромен блок не е целта.

Рекристализираният SiC издържа на още по-високи температури и остава по-чист в някои пещни среди, но е по-порест и обикновено по-слаб. SiC с оксидна връзка е по-евтин, но отстъпва по отношение на якостта при високи температури и удароустойчивостта. Синтерираният SiC е най-висококачественият плътен вариант и цената му е съответна. NSiC се използва в случаите, когато предприятията се нуждаят от характеристиките на SiC в големи парчета, без да се налага да купуват лабораторна керамика.

Какво не работи на практика

Непълното азотиране е „тихият убиец“. Един блок може да изглежда наред отвън, но да крие остатъчен силиций или слаба сърцевина. В алуминиева клетка това води до ранна корозия. В пещна плоча се превръща в окисляване, което превръща повърхността в прах и намалява якостта. Влага в порест материал, последвана от бързо изпичане, е друг класически пример. На парата не ѝ пука за производствения ви график.

Хората също така прилагат прекалено концентрирано мислене към порест материал. NSiC не е херметична тръба. Ако атмосферата може да проникне вътре, окисляването и химичните реакции на кондензата имат значение. А ако приложението е свързано с високоскоростна суспензия при умерена температура, може би сте си купили „застраховка“ срещу термичен шок, от която нямате нужда.

Как да го конфигурирате, така че да се получи както трябва

Не изпращайте просто “SiC тухла” и не разчитайте на късмета. Опишете я като „с нитридно свързване“. Посочете максималната температура, атмосферните условия, натоварването, продължителността на цикъла и химичния състав — алуминиева вана, алкални пари, пепел, капки глазура или каквото и да е, което действително влиза в контакт с детайла. Попитайте за плътността, видимата порьозност, модула на скъсване при висока температура и остатъчния свободен силиций. За печни приспособления попитайте дали изделието е излято чрез леене в калъп с фина зърнестост или е пресовано с груба зърнестост. Тези два продукта се износват и провеждат топлината по различен начин.

SiC с нитридно свързване е материалът, който се използва, когато оксидните съоръжения са износени, SiC с реакционно свързване е с твърде ограничена температурна устойчивост или е твърде скъп при големи размери, а производствената линия трябва да продължи да работи. Това не е нищо впечатляващо. Това е плочата, която излиза права от пещта, страничната стена, която не се срутва, и облицовката, която все още е на мястото си след последната производствена кампания. Изберете класа според натоварването и той ще остане такъв.