Grundämnena i kiselkarbid

Kiselkarbidelement är nyckelkomponenter i elektriska högtemperaturugnar och spelar en viktig roll inom flera industrier, bland annat metallurgi, glastillverkning, keramiktillverkning och elektronik.

Värmeelement av kiselkarbid finns i olika varianter för att uppfylla specifika industriella krav. Den här artikeln går igenom deras viktigaste egenskaper som hjälper dig att välja ett element som passar dina applikationsbehov.

Motståndskraft mot höga temperaturer

Kiselkarbid (SiC) är en extremt hård kristallin förening av kisel och kol med oöverträffad slitstyrka och har traditionellt använts för skärverktyg, sandpapper, pumpar, raketmotorer och halvledande substrat för lysdioder (LED). Dessutom används detta material i keramiska plattor i skottsäkra västar.

Kiselkarbidens hållbarhet i kombination med dess överlägsna värmeledningsförmåga och korrosionsbeständighet gör den till ett populärt val för värmeelement i industriugnar. Element av kiselkarbid kan ge jämn uppvärmning i stora ugnar i krävande miljöer där det är avgörande att arbeta vid högre temperaturer.

Dessa element har vanligen formen av cylindrar, rör eller stänger och tillverkas genom smältning av kiselkarbidkorn med hög renhet vid temperaturer som överstiger 2150oC för att skapa heta zoner med kalla ändar som infunderas med kiselmetall för att sänka temperaturen för användning vid lägre driftstemperaturer.

Eurotherms IFC-GD- och Alpha Rod-element finns i olika längder, diametrar och resistansnivåer för att passa olika applikationer. Deras enkla design underlättar också installation och anslutning till strömförsörjning; med strömanslutningar som görs vid basen av varje element bort från potentiellt reaktiva heta zoner och därmed elimineras risker relaterade till exponerad grafit som exponeras vid strömanslutningar.

Lågt korrosionsmotstånd

Kiselkarbid är ett extremt motståndskraftigt keramiskt ämne som är mycket motståndskraftigt mot korrosion och miljöpåfrestningar. Tyvärr kan dess hållbarhet dock inte vara obegränsad; korrosion uppstår genom ytsprickbildning som orsakar hållfasthetsförlust och ökar sannolikheten för brott under mekaniska eller termiska påfrestningar.

SiC:s korrosionsbeständighet beror på många faktorer, bland annat förekomsten av oxider, lösningens sammansättning och koncentration samt exponeringstemperaturen. SiC uppvisar vanligtvis lägre korrosionsbeständighet vid högre temperaturer eller i mindre oxiderande miljöer på grund av långsam diffusion av syre genom ytoxidskiktet som begränsar oxidationshastigheten.

Kiselkarbidens tetraedriska arrangemang av Si- och C-atomer gör den olöslig i vatten, alkohol och sura lösningar - vilket gör den till ett idealiskt material att använda i ugnar och annan industriell utrustning som utsätts för höga temperaturer och tryck.

Hög motståndskraft mot elektriska strömmar

SiC är ett eldfast material som är motståndskraftigt mot elektrisk ström och som används i många ugnar. Jämfört med konventionella eldfasta metaller erbjuder kiselkarbid större temperaturflexibilitet för användning i stora låd- och vagnugnar som används i industriella processer.

Vid tillverkning av moissanit används Lely-processen, i vilken SiC-pulver sublimeras till högtemperaturarter av kisel och kol under en argongasatmosfär vid 2 500 grader Celsius innan det deponeras på ett substrat vid något lägre temperaturer för deponering i hexagonala fasta ämnen med hexagonala kristallstrukturer - och senare slipas till ädelstenar för användning som moissanit.

Kiselkarbidelementens resistans varierar med temperatur och tid och ökar när de når arbetstemperaturen för att sedan gradvis minska under deras livslängd. Därför måste flera element parallellkopplas för att uppnå ett optimalt förhållande mellan effekt och resistans, vilket kräver ständig övervakning för att alla element ska vara korrekt inriktade.

De sökande har utvecklat ett innovativt sätt att mildra detta problem genom att använda kväve som dopningsmedel under kiselkarbidproduktionen, vilket främjar bildandet av (3-kiselkarbid med lägre elektrisk resistivitet än dess motsvarighet i a-kisel. Genom att utnyttja denna effekt kan värmeelement med resistanskurvor som faller till höger om kurvan för matningsspänning/transformatorspänning (vid punkt A i figur 6) avleda maximal tillåten effekt under hela sin livslängd.

Långsiktig tillförlitlighet

Kiselkarbidelement är konstruerade för att fungera tillförlitligt under lång tid även under extrema förhållanden, tack vare deras motståndskraft mot kemisk korrosion och deras långlivade egenskaper. Deras långa livslängd gör dem till populära val inom flyg- och försvarsutrustning, inklusive satelliter och missiler, där tillförlitlig drift är avgörande. Kiselkarbidmaterial tål också höga temperaturer och strålningsexponering utan att ta skada, vilket förlänger utrustningens livslängd ytterligare.

Värmeelement av kiselkarbid är beroende av sin driftsmiljö för långsiktig tillförlitlighet; processångor i synnerhet kan kemiskt angripa elementen eller kondensera på dem vid deras kalla ändar, vilket begränsar flödet och leder till brott. För att förlänga deras livslängd bör ett väl utformat utsugningssystem installeras som suger ut dessa flyktiga ångor innan de når dessa kritiska punkter i kammaren och orsakar skada.

Eurotherms kiselkarbidvärmeelement är skräddarsydda för industriella behov, med SC-, W-, DM- och SCR-typer som alla erbjuder lösningar för olika industriella uppgifter. SC-typen är t.ex. idealisk för applikationer som kräver jämn uppvärmning över stora områden samtidigt som temperaturvariationen minimeras; medan WG- och DM-typerna erbjuder överlägsen motståndskraft mot plötsliga temperaturförändringar samtidigt som de erbjuder överlägsen motståndskraft mot termisk chock och stabilitet; SCR-typen möjliggör slutligen avancerad termisk hantering för avancerade applikationer som flyg- och rymdindustrin medan GC-typen erbjuder tillförlitlig prestanda för kontinuerlig drift vid höga temperaturer, t.ex. i metallurgi eller glasproduktionsmiljöer.