Introduzione
I mattoni in carburo di silicio legati con nitruro di silicio (Si₃N₄-SiC) sono materiali refrattari avanzati composti principalmente da sabbia di carburo di silicio con nitruro di silicio come fase legante. Poiché sia SiC che Si₃N₄ sono composti covalenti, la sinterizzazione è impegnativa, quindi la produzione industriale utilizza tipicamente la sinterizzazione di reazione. Utilizzando SiC come aggregato, viene aggiunta polvere di silicio metallico e vengono selezionati una gradazione delle particelle, un sistema di miscelazione e un processo di stampaggio appropriati. Dopo l'essiccazione, i corpi verdi vengono sinterizzati in apparecchiature specializzate in atmosfera di azoto. Durante la cottura, la matrice Si₃N₄ (fase legante) forma cristalli grigio-bianchi che legano efficacemente le particelle di SiC (aggregato) in una struttura a rete spaziale, conferendo ai mattoni proprietà uniche ineguagliate da altri refrattari.
Vantaggio
Elevata durezza e resistenza all'usura
L'estrema durezza intrinseca del carburo di silicio, combinata con la tenacità e la resistenza della fase legante del nitruro di silicio, conferisce a questi mattoni un'eccezionale resistenza all'usura. In condizioni operative severe, comprese temperature elevate, pressioni e forze di attrito, le loro superfici rimangono lisce e intatte per periodi prolungati, riducendo al minimo la perdita di materiale e i guasti delle apparecchiature causati dall'abrasione.
Nelle applicazioni metallurgiche come gli altiforni e gli altiforni a caldo, questa proprietà consente un'efficace resistenza agli urti e all'attrito derivanti dai materiali caricati, prolungando significativamente la durata delle apparecchiature.
Elevata conduttività termica
Sia il carburo di silicio che il nitruro di silicio presentano un'elevata conduttività termica, consentendo ai mattoni di carburo di silicio legati con nitruro di silicio di trasferire rapidamente il calore. Questa proprietà mitiga efficacemente lo stress termico nelle apparecchiature ad alta temperatura e migliora la stabilità termica. In applicazioni come i forni per ceramica e i forni per la fusione del vetro, dove il rapido trasferimento di calore e il riscaldamento uniforme sono fondamentali, i mattoni facilitano un efficiente scambio termico, migliorano l’utilizzo dell’energia e garantiscono temperature costanti nel forno, migliorando così la qualità del prodotto.
Buona resistenza agli shock termici
I mattoni in carburo di silicio legati con nitruro di silicio presentano un basso coefficiente di dilatazione termica e la fase di nitruro di silicio tampona lo stress termico alle alte temperature, conferendo un'eccellente resistenza allo shock termico. Anche in caso di frequenti sbalzi di temperatura e shock termici, mantengono l'integrità strutturale, resistendo a fessurazioni e scheggiature. Nelle apparecchiature termiche come i forni rotanti per cemento e gli inceneritori di rifiuti, questi mattoni resistono a variazioni estreme di temperatura, garantendo un funzionamento continuo e riducendo la frequenza di manutenzione.
Elevata stabilità chimica
Questi mattoni mostrano una forte resistenza agli acidi, agli alcali e ad altri prodotti chimici, mantenendo prestazioni stabili in vari ambienti chimicamente corrosivi. Nelle apparecchiature dell'industria chimica ed energetica, come camini e torri di desolforazione, resistono efficacemente all'erosione causata da gas acidi e soluzioni alcaline, migliorando la resistenza alla corrosione e la durata delle apparecchiature. Inoltre, resistono alle reazioni chimiche con metalli, scorie e altre sostanze ad alte temperature, garantendo una stabilità chimica costante.
Alta resistenza
I mattoni in carburo di silicio legati con nitruro di silicio mostrano un'elevata resistenza alla compressione sia a temperature ambiente che elevate. A temperatura ambiente, la loro resistenza supera i 100 MPa e mantengono un'elevata resistenza in ambienti ad alta temperatura. Ciò consente loro di sopportare pressioni e carichi significativi. Nelle industrie metallurgiche e dei materiali da costruzione, se utilizzati per componenti portanti ad alta temperatura come fondi e focolari di altiforni, supportano stabilmente il peso dei materiali di caricamento superiori, garantendo un funzionamento sicuro delle apparecchiature.
Zinfon Refractory Technology Co.,Ltd.
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Materie prime
Carburo di silicio (SiC), polvere di silicio (Si)
Specifiche fisiche e chimiche
|
Apparentemente porosità |
% |
<17 |
|
Densità apparente |
g/cm3 |
>2.6 |
|
Forza di frantumazione a freddo |
MPa |
>150 |
|
Moduli di rottura |
(1400 gradi) MPa |
43 |
|
SIC |
% |
72 |
|
Si3N4 |
% |
21 |
|
Fe2O3 |
% |
1.5 |
processo
Lavorazione delle materie prime
Carburo di silicio: screening e classificazione per ottenere distribuzioni granulometriche specifiche.
Polvere di Silicio: Rimozione delle impurità e raffinazione tramite macinazione o processi chimici.
Additivi e agenti leganti: preparazione di leganti (ad es. argilla, resine) e additivi (ad es. antiossidanti).
Miscelazione
Dosaggio e omogeneizzazione: miscelazione precisa delle materie prime per garantire una composizione uniforme.
Stampaggio
Selezione del metodo: a seconda della geometria del mattone (ad es. pressatura, pressatura isostatica, estrusione).
Preparazione degli stampi: pulizia e lubrificazione degli stampi per facilitare la sformatura.
Operazione di formatura: compattazione della miscela nelle forme desiderate sotto pressione controllata.
Essiccazione
Rimozione dell'umidità: asciugatura sequenziale tramite essiccazione all'aria naturale seguita da essiccazione termica fino a un contenuto di umidità inferiore o uguale allo 0,5%.
Cottura
Caricamento del forno: disposizione dei corpi verdi con una spaziatura adeguata per garantire una distribuzione uniforme del calore.
Sinterizzazione di nitrurazione: legame di reazione in un'atmosfera di azoto a 1400–1500 gradi per formare la fase legante Si₃N₄.
Raffreddamento controllato: raffreddamento graduale per prevenire rotture da stress termico.
Applicazioni
I mattoni in carburo di silicio legati con nitruro di silicio hanno un'ampia gamma di applicazioni in vari settori. Di seguito sono riportati alcuni esempi:
Forni di azoto per fertilizzanti, vaporizzatori di olio, forni di desolforazione
I rivestimenti di queste unità utilizzano prodotti Si₃N₄-SiC per resistere alla corrosione chimica proveniente da vari mezzi di processo. La loro elevata resistenza agli attacchi chimici garantisce l'affidabilità delle apparecchiature e prolunga la vita operativa.
Forni per ceramica
I prodotti in carburo di silicio legato con nitruro di silicio (Si₃N₄-SiC) sono utilizzati nei componenti dei forni ceramici, inclusi separatori di fiamma, mobili del forno (impalcature, colonne, rulli, staffe, travi, piastre di sostegno, contenitori), piastre a forma di pesce e bruciatori ad alta temperatura. Sfruttando la resistenza alle alte temperature, la resistenza agli shock termici, la resistenza all'ossidazione e la conduttività termica, questi materiali consentono:
Riduzione del peso: i mobili del forno più leggeri riducono il consumo energetico.
Efficienza migliorata: un trasferimento di calore più rapido e un riscaldamento uniforme migliorano la qualità e la resa del prodotto.
Durata di vita estesa: la resistenza ai cicli termici e all'ossidazione prolunga la durata di servizio dei componenti del forno.
Forni per ricottura del vetro e forni per cottura dello smalto
I rivestimenti di questi forni utilizzano materiali in carburo di silicio (Si₃N₄-SiC) legato con nitruro di silicio grazie alla loro eccezionale stabilità alle alte temperature, resistenza all'ossidazione e resistenza agli shock termici. Queste proprietà consentono ai rivestimenti di resistere a temperature estreme e cicli termici all'interno dei forni, garantendo un funzionamento continuo e prolungando la durata.
Forni di zinco
Nelle storte verticali di zinco, le pareti esterne sono esposte a fiamme a 1300–1340 gradi, mentre le superfici interne entrano in contatto con vapori di zinco e scorie fino a 1200 gradi.
Elevata conduttività termica: riduce i gradienti di temperatura nella zona ad alta temperatura di circa 30 gradi, migliorando l'efficienza energetica.
Resistenza all'erosione: dopo 20 mesi di servizio, lo spessore residuo nelle zone più calde supera quello dei mattoni SiC legati con argilla di 40–50 mm.
Altre applicazioni della metallurgia non ferrosa
Forni di raffinazione dell'alluminio: Rivestimenti
Storte di distillazione dello zinco: rivestimenti e vassoi
Movimentazione del metallo fuso: rotori di degasaggio, tubazioni, pompe di aspirazione, filtri, crogioli
Componenti di processo: Tubi di protezione per termocoppie per la misurazione della temperatura di fusione di Al-Zn, colate ceramiche per fusione di alluminio
Queste applicazioni sfruttano proprietà chiave come la resistenza all'erosione del metallo fuso, l'elevata resistenza a temperature elevate, la resistenza all'ossidazione e allo shock termico, la resistenza alla corrosione chimica contro la criolite e altri elettroliti e l'elevata conduttività termica per un efficiente trasferimento di calore.
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