SiC لایهی اول نسوز در کورههای اکسایتون
اکسایتون از سال ۱۳۷۹، پس از سه سال آزمون مثبت عملی برای اولین بار، یک کمپوزیت سرامیک-سرامیک پیشرفته بر اساس α-SiC را جایگزین لایهی اول نسوز مرسوم در کورههای خود نمود. لایهی اول نسوز به خصوص در کورههای آزمایشگاهی تعیین کنندهی کارائی، کیفیت و عمر مفید است. این پیشرفت، ویژگیهای حائز اهمیت کورههای ساخت اکسایتون را به نحو چشمگیری تغییر داد. مثلاً، مراجعهی کاربران برای تعویض المنت کورههای مافل آزمایشگاهی از متوسط سالی ۱٫۳ مورد بر خریدار به سالی۰٫۲ مورد بر خریدار کاسته شد و توان مصرفی در کورههای آزمایشگاهی در حجم ثابت ۳۰% تقلیل یافت. به دلیل اهمیت موضوع، در این قسمت شرح مختصری در خصوص ویژگیهای سرامیک SiC و کمپوزیت ساخته شده ارائه میگردد.
کاربید سیلیسیم (SiC) یک سرامیک با مجموعهای استثنائی از ویژگیهای مفید مهندسی میباشد. هدایت حرارتی آن نزدیک به فلزات است؛ استحکام مکانیکی آن بسیار بالا است و این استحکام با افزایش دما کاهش نمییابد؛ ضریب انبساط حرارتی آن، در مقایسه با بسیاری از سرامیکهای دمای بالا، کم است؛ سختی آن در بین مواد مهندسی پس از الماس بالاترین است؛ جزء دیرگدازترین سرامیکهاست؛ مقاومت شیمیائی بالائی دارد و به همین دلیل برای ساخت بدنهی حمامهای مذاب فلزات غیرآهنی مورد استفاده قرار میگیرد؛ در مقابل اکسیژن تا دمای ۱۵۰۰ºC مقاوم است؛ نیمه هادی است و ویفرتک کریستال آن پایهی اصلی الکترونیک دمای بالا را شکل میدهد؛ و مهمتر اینکه کاربید سیلیسیم مادهای غیرسمی و سازگار با محیط زیست است. این مجموعه خواص، SiC را – بصورت خالص یا بصورت کمپوزیت شده با سرامیکها یا فلزات دیگر- برای بسیاری ازکاربردهای مهم مهندسی در انتخاب اول قرار میدهد. برخی از موارد کاربرد SiC عبارتند از: کانالهای هدایت شعله، لوازم چینش و استقرار قطعات درون کوره، دیوارههای تشعشع و دیواره کورههای مافل، دیوارهها و ستونهای متحمل بار سنگین در دمای بالا، حمامهای مذاب و بوتهها برای فلزات غیرآهنی، سنگهای ساینده و ابزارهای برش، مقاومتهای پر توان دمای بالا، الکترونیک دمای بالا و مدارات مجتمع دمای بالا، ساخت دیودهای نوری آبی رنگ (اخیرتر از نیترید گالیم ساخته میشود)، حسگرهای گاز با کارکرد دمای بالا، پوشش بدنه شاتل فضائی و بسیاری دیگر از قطعات مهم هوا فضا.
SiC در طبیعت یافت نمیشود (آثاری از آن در شهاب سنگها یافت شده است) و مواد اولیه ساخت بدنههای سرامیکی SiC بر خلاف بیشتر مواد نسوز، سنتز شده میباشد. روش سنتز آن الکتریکی بوده به روش Acheson مشهور است. SiC دارای دو شکل متفاوت کریستالی α (هگزاگونال) و β (مکعبی) است. α-SiC شکل پایدارتر بوده و حائز ویژگیهای مهندسی برتر است؛ خود α-SiC نیز آلوتروپ است و تاکنون وجود حدود ۴۰۰ نوع متفاوت از آن مشخص شده است.
طی پروژه پژوهشی بلند مدت و پر هزینهای، دانش فنی ساخت بدنههای کمپوزیت سرامیک-سرامیک بر اساسSiC در داخل کشور حاصل گردیده است. ریز ساختار نمونهای از این بدنهها در شکلهای ۱ و ۲ ارائه شده است. در این ساختار دانههای تک کریستال α-SiC توسط لایهی نازکی از اکسید آلومینیوم به یکدیگر متصل شده است. برای این اتصال از روش Sol-Gel سود جستهایم که طی آن، لایهی اکسید آلومینیم از طریق تجزیه مواد آلی-فلزی (organometalic) در بین دانههای α-SiC حاصل میگردد.
روش استفاده شده برای پوشش همه جانبه دانهها، دانش فنی ویژه بدست آمده طی این پژوهش طولانی بوده است. خصوصاً اهمیت این دستاورد فنی در این است که ضخامت اکسید آلومینیم را بطور مستقل قابل کنترل میسازد و اجازه میدهد که ریز ساختار سرامیک مورد نیاز برای کاربردهای خاص طراحی گردد. در نهایت بدنهها تحت اتمسفر کنترل شده، در ۱۶۰۰ºC پخت میگردند. در این کمپوزیت از ویژگیهای حرارتی استثنائی SiC استفاده میگردد و در عین حال ضریب مقاومت الکتریکی توسط استقرار لایهی عایق کنترل میشود.
این بدنههای تولید داخل، پس از دو سال تست عملی موفق از سال ۱۳۷۷ به عنوان مافل کورههای الکتریکی، نگهدارندههای المانهای الکتریکی، لایه نسوز اول در کورههای جعبهای، ستونهای متحمل بار، پوشش المانها و … به تدریج در محصولات دمای بالای شرکت اکسایتون وارد گردید. در شکل ۳ تصاویر برخی از این قطعات ارائه شده است. شرکت اکسایتون سعی نموده است تا محصولات سنتی قبلی خود را نیز که با لایه اول از جرم ریختنی آلومینائی (در واقع نوعی سیمان نسوز) یا “بورد سبک آلومینیوسیلیکاتی” میباشند، از ردهی تولید خارج نکرده با قیمت نازلتری به موازات محصولات SiC خود به بازار ارائه نماید. لیکن استقبال کاربران از کورههای دارای لایه نسوز اول SiC به حدی بوده است که عملاً کورههای با لایه نسوز اول از جرم ریختنی را به موزهی محصولات اسبق سوق میدهد.
اساساً کاربران با تجربه از خرید کورههای دارای لایه اول از بورد سرامیکی سبک خودداری میکنند. یک دلیل بسیار واضح، استحکام مکانیکی ناچیز این بوردها میباشد. این دیوارهها حتی در دمای محیط هم با کوچکترین تماس ابزار کار معیوب میگردند. البته ویژگیهای عایقی این بدنهها عالی است و بهترین انتخاب برای ایزولاسیون حرارتی محفظه میباشند. به همین دلیل بوردهای سرامیکی سبک، در کورههای ساخت اکسایتون به عنوان عایق حرارتی لایه دوم (پشت SiC) و لایههای بعدی مورد استفاده قرار میگیرد. در شکل ۴ طرحوارهی چینش بردهای سرامیکی عایق پشت مافل SiC نشان داده شده است.
مزیت اول SiC نسبت به جرمهای ریختنی آلومینائی کاملاً واضح است. در استحکام برابر، ضخامت دیوارههای جرم ریختنی باید حداقل ۲ برابر دیوارههای SiC منظور گردد. از طرفی دیگر وزن مخصوص جرم ریختنی حدود ۱٫۵ برابر بیشتر از SiC است. لذا به فرض سطح ثابت، دیوارهی ریختنی سه برابر سنگینتر خواهد بود. این سنگینی، به همین نسبت وزن کل کوره را افزایش میدهد زیرا عملاً وزن سایر قسمتهای کوره نیز باید تقریباً متناسب با وزن محفظه تغییر نماید. از طرف دیگر در یک کورهی آزمایشگاهی، در هر سیکل حرارتی مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده با وزن کل کوره متناسب است! این ویژگی مهم در شکل ۵ با ارائه دو منحنی دما-زمان برای دو کورهی مشابه از نظر توان و حجم ولی متفاوت در جنس لایهی نسوز اول، عملاً نمایش داده شده است.
مزیت دوم SiC نسبت به سایر نسوزهای سرامیکی خصوصاً جرمهای ریختنی، هدایت حرارتی بالای آن است. این ویژگی از دو جهت کارآئی سامانهی دمای بالا را افزایش میدهد. اول آن که باعث میشود تا قسمتهای مختلف محفظه از نظر حرارتی با یکدیگر تبادل قابل ملاحظه داشته تفاوت دمائی در محفظه کمتر گردد. یعنی استفاده از دیوارها و کف SiC باعث یکنواختی دمائی در محفظه کوره میگردد. دوم اینکه، SiC در تماس با المنتهای داغ گرمای حاصل را با راندمان عالی از المان اخذ و آن را در دیواره پخش میکند. به این ترتیب توزیع دما از المانها فقط به تشعشع محدود نبوده المانها در حالت تعادل دمای متوسط پایینتری خواهند داشت. این مورد، با باز کردن “درب” کوره حدود ۱۰ دقیقه پس از رسیدن به دمای تعادل قابل مشاهده است. در کوره با محفظه SiC ، المنت و دیواره تقریباً تشعشع مشابهی دارند، در صورتیکه در کورهی با دیواره جرم ریختنی المنتها نسبت به دیواره، تشعشع شدیدی را نشان میدهند. این تفاوت دما نه تنها عمر المنتها را کم میکند بلکه از کیفیت حرارتی محفظه میکاهد. در این حالت گرمایش بیشتر بر اساس تشعشع صورت میگیرد و نقش هدایت حرارتی دیوارهها اندک است. در شکلهای ۷ و ۸ تصاویری از دو کورهی روشن مشابه با محفظه متفاوت و در شکل ۶ منحنیهای مقایسهای مکان-دمای آنها ارائه شده است.
مزیت سوم SiC از شوک پذیری حرارتی آن سرچشمه میگیرد. دیوارهها و مافلهای SiC سیکلهای حرارتی متعدد و مرسوم در کورههای آزمایشگاهی را به راحتی میپذیرند. در صورتیکه در دیوارههای ساخته شده از جرم ریختنی ترکهای ریز حتی پس از سیکل اول گرمایش آشکار میشود.
به طور خلاصه، اهم مزایای استفاده از SiC به عنوان لایهی اول نسوز کورههای الکتریکی عبارتند از:
- افزایش قدرت شوکپذیری محفظه حرارتی در برابر تغییرات متناوب دما؛
- کاهش وزن کوره و مصرف انرژی الکتریکی کمتر؛
- افزایش سرعت گرمایش در توان الکتریکی مشابه؛
- افزایش استحکام و عمر مفید محفظه (سختی SiC با اندکی تفاوت فقط کمتر از الماس میباشد.)؛
- افزایش هم دمایی در کل محفظه از طریق هدایت حرارتی در لایهی SiC (رسانندگی حرارتی SiC نزدیک به فلزات میباشد.)؛
-
هدایت گرما از المنتهای حرارتی به لایهی SiC باعث ازدیاد سطح مؤثر المنتها شده منجر به افزایش عمر آنها میگردد.
- افزایش مقاومت در برابر خوردگی محفظه در دمای بالا؛
- کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری، به علت افزایش عمر مفید لایهی نسوز اول و المنتهای حرارتی؛
- استفاده از بوردهای سبک سرامیکی در لایههای پشت SiC, ضعف مکانیکی این بوردها را پوشش میدهد.
- عدم استفاده از جرمهای ریختنی در ساخت محفظه. استفاده از این گونه نسوزها در لایهی اول، عمر و عملکرد کوره را غیر قابل پیشبینی میسازد.
2 دیدگاه. ترک جدید
سلام خیلی خوشحالم که این ماده در کشور تولید میشه فقط واسه سفارش نمدونم چه مسیری رو طی کنم لطفا راهنمایی کنید
سلام. از ارسال نظر شما کمال تشکر را داریم. جهت سفارش این محصول میتوانید با واحد فروش شرکت اکسایتون تماس حاصل فرمایید.