En muchos sectores industriales, los sistemas de tuberías enfrentan entornos operativos duros, con problemas frecuentes como el desgaste y la corrosión, impactando severamente la vida útil de la tubería y la estabilidad del sistema. Las tuberías de acero de cerámica forradas con cerámica especial SIC, con su rendimiento superior, son una solución ideal para estos problemas, revolucionando las aplicaciones de tuberías industriales.

I. Propiedades del material de los Revestimientos de cerámica SIC

(I) Alta dureza y excelente resistencia al desgaste

La cerámica SIC cuenta con una dureza de los MOHS de 9.5, solo superado por el diamante y el más alto entre todos los óxidos. Su microhardness, HV 2500-3000, proporciona tuberías con resistencia al desgaste incomparable. En la minería, la generación de energía, la metalurgia y otras aplicaciones que involucran el transporte de materiales granulares de alta duración, como los lavos de relaves que contienen grandes cantidades de arena de cuarzo, las tuberías convencionales sufren de desgaste severo. Sin embargo, las Tuberías forradas de cerámica SIC resisten efectivamente la erosión del material, extendiendo significativamente su vida útil y reduciendo el desgaste en más del 90% en comparación con las tuberías de acero ordinarias.

(2) Excelente resistencia a la corrosión

Desde una perspectiva química, SIC está compuesta de silicio (Si) y carbono (c) que forma una red tridimensional estable a través de enlaces covalentes de alta energía (energía de enlace 318 kJ/mol). Su estabilidad química supera con creces la de los metales (energía de enlace metálico 50-200 kJ/mol). Su energía superficial es tan baja como 25-40 mJ/m² (el acero inoxidable tiene una energía superficial de aproximadamente 1000 mJ/m²), lo que dificulta que los medios corrosivos se adhieran y penetraran. Ya sea expuesto a ácidos fuertes (como el ácido sulfúrico y el ácido clorhídrico) y las bases fuertes (como el hidróxido de sodio) en la industria química, o sales fundidas de alta temperatura y gases corrosivos en la industria metalúrgica, los forros de cerámica SIC permanecen estables. Su resistencia a la corrosión es más de 10 veces más fuerte que la del acero inoxidable, evitando efectivamente las fugas de la tubería debido a la corrosión y la garantía de seguridad y continuidad de producción.

(3) Excelente resistencia a alta temperatura

La cerámica SIC se desempeña excepcionalmente bien en entornos de alta temperatura. Pueden operar de manera estable y durante largos períodos de tiempo dentro de un rango de temperatura de -50 ° C a 1600 ° C. Cuando la temperatura excede los 800 ° C, una reacción de oxidación forma una densa capa de vidrio SiO₂ en la superficie (Fórmula de reacción: SIC + 2O₂ → SIO₂ + CO₂ ↑). El grosor es de aproximadamente 1-5 μm. Esta película de óxido actúa como un "escudo térmico", bloqueando efectivamente la difusión de oxígeno adicional y reduciendo la tasa de oxidación (<0.01 mm/año, según las pruebas ASTM G54). También mantiene la estabilidad de la estructura cerámica, asegurando el funcionamiento normal de la tubería en condiciones de alta temperatura, cumpliendo los requisitos de las industrias de alta temperatura, como la fundición de acero y la fabricación de vidrio.

(Iv) Alta conductividad térmica y bajo coeficiente de expansión térmica

La cerámica SIC tiene una conductividad térmica de 120-200 w/(m ・ k), permitiendo la transferencia de calor rápida, distribución de temperatura uniforme dentro de la tubería y evitando el sobrecalentamiento localizado. Al mismo tiempo, su coeficiente de expansión térmica es de aproximadamente 4.5 × 10⁻⁶/k, solo aproximadamente la mitad del acero. Esto le da a la tubería una excelente resistencia al choque térmico, lo que le permite resistir los frecuentes ciclos de calentamiento y enfriamiento rápido. Es menos susceptible al agrietamiento y el spalling debido al estrés térmico durante las fluctuaciones de temperatura drástica, lo que lo hace adecuado para procesos sujetos a grandes fluctuaciones de temperatura, como el inicio y el apagado de las calderas de las plantas de energía.

II. Diseño estructural de revestimientos SIC para tuberías de acero de cerámica

(I) Estructura compuesta

Los revestimientos SIC para tuberías de acero cerámica utilizan una estructura compuesta que consiste en una "capa de cerámica SIC - capa de transición - matriz de acero". La capa de cerámica SIC interna se expone directamente a la erosión y la corrosión del material, aprovechando su desgaste y resistencia a la corrosión. La capa de transición intermedia está hecha típicamente de materiales como Cermets, cuya composición y estructura combinan las características tanto de cerámica como de metales. Esto amortigua efectivamente la tensión generada por la diferencia en los coeficientes de expansión térmica entre la capa cerámica y el sustrato de acero, fortaleciendo el enlace entre los dos y evitando que la capa cerámica se caiga debido a fluctuaciones de temperatura o impacto mecánico. El sustrato de acero externo proporciona la resistencia y la tenacidad requeridas para la tubería, soportan la presión externa y las fuerzas mecánicas durante la instalación y el transporte, asegurando la estabilidad estructural general de la tubería.

(Ii) El proceso de fabricación garantiza la estabilidad estructural

Los procesos de fabricación para tuberías forradas de cerámica SIC son diversos y sofisticados. Por ejemplo, la sinterización de la reacción implica primero contactar a un blanco que contiene carbono con silicio fundido. El silicio y el carbono reaccionan para formar SIC, que llena los poros y forma una capa de cerámica sólida. Este método es rentable y adecuado para fabricar componentes a gran escala y con forma compleja. La sinterización sin presión utiliza polvo de carburo de silicio submicrónico de alta pureza, agregado con ayudas de sinterización como boro y carbono, y sinterizado en una atmósfera inerte a temperaturas superiores a 2100 ° C. Esto produce un cuerpo sinterizado casi completamente denso, microestructuralmente uniforme, mejorando significativamente el rendimiento de la cerámica. Durante el proceso compuesto, la presión en caliente y el prensado isostático en caliente se utilizan para unir estrechamente las capas, asegurando la integridad estructural y la estabilidad.

Iii. Áreas de aplicación y ventajas

(I) Industria minera

En la minería, los relaves que transmiten tuberías están sujetas a erosión y desgaste a largo plazo de lloses de alta concentración y alta duración. El uso de tuberías forradas de cerámica SIC reduce significativamente la tasa de desgaste, extendiendo la vida útil de las tuberías a 5-10 veces la de las tuberías de acero ordinarias, reduciendo la frecuencia de los reemplazos de tuberías y los costos de mantenimiento, y garantizando la producción de minas continua. Además, su resistencia a la corrosión puede resistir la presencia potencial de sustancias ácidas en la suspensión, evitando la corrosión y la perforación de las tuberías y mitigando los riesgos de contaminación ambiental.

(Ii) Industria energética

Transporte de carbón pulverizado: en las centrales eléctricas, los flujos de carbón pulverizado a altas velocidades dentro de las tuberías, causando un desgaste severo en las paredes de las tuberías. Los revestimientos de cerámica SIC, con su alta dureza y superficie lisa, reducen efectivamente el desgaste de las tuberías causadas por el carbón pulverizado, minimizan las fugas y las reparaciones causadas por el desgaste, la mejora de la eficiencia de transmisión del carbón pulverizado y la garantía de un suministro de carbón estable a las calderas de las plantas de energía.

Ceniza y descarga de escoria: la ceniza y la escoria contienen una gran cantidad de partículas afiladas y son algo corrosivas. Las tuberías forradas de cerámica SIC pueden resistir la erosión y la corrosión de las cenizas y la escoria, asegurando el funcionamiento estable a largo plazo del sistema de descarga de cenizas y escoria, reduciendo las tasas de falla del equipo y mejorando la eficiencia económica general de las operaciones de la planta de energía.

(Iii) Industria metalúrgica

Inyección de carbón de alto horno: la alta temperatura y la alta velocidad del flujo de gas de carbón pulverizado causan un desgaste significativo en las tuberías de inyección de carbón. Las tuberías forradas de cerámica SIC mantienen la alta dureza y la resistencia al desgaste en ambientes de alta temperatura, asegurando la transmisión de carbón estable, asegurando la plancha de planchas de alto horno liso, la reducción de los apagados de alto horno debido al desgaste de la tubería y la mejora de la eficiencia de producción.

La escoria de transmisión: la escoria es caliente, dura y corrosiva, lo que dificulta que las tuberías comunes lo resistan. La alta temperatura, el desgaste y la resistencia a la corrosión de las tuberías forradas de cerámica SIC los convierten en una opción ideal para la transmisión de escoria, extendiendo efectivamente la vida útil del servicio de tuberías y reduciendo los costos de producción. (Iv) Industria química

En la producción química, las tuberías a menudo transportan medios corrosivos, como ácidos fuertes, bases fuertes y solventes orgánicos. La estabilidad química de los revestimientos de cerámica SIC les permite resistir la erosión de estos medios, evitando la corrosión y las fugas de la tubería, asegurando la seguridad de la producción química y la reducción de las pérdidas de producción causadas por el reemplazo de la tubería. Los revestimientos de cerámica SIC se usan ampliamente en la industria de cloro-alcali, la producción de fertilizantes, los petroquímicos y otros campos.