بهترین غلاف ترموکوپل برای اندازه گیری دمای مذاب آلومینیوم

انتخاب غلاف ترموکوپل مناسب برای اندازه‌گیری دمای داخل مذاب آلومینیوم،  بسیار امری ضروری و حیاتی می باشد. غلاف باید مقاومت بالایی در برابر خوردگی، شوک حرارتی و واکنش شیمیایی با آلومینیوم مذاب داشته باشد. بهترین گزینه‌ها برای غلاف ترموکوپل در این کاربرد عبارت‌اند از:

۱- سرامیکی از جنس سیلیکون نایتراید (Si₃N₄)

غلاف‌های سیلیکون نایتراید (Silicon Nitride – Si₃N₄) یکی از بهترین گزینه‌ها برای محافظت از ترموکوپل در شرایط سخت مانند اندازه‌گیری دمای فلزات مذاب، به‌ویژه آلومینیوم مذاب هستند. این ماده سرامیکی پیشرفته به دلیل ترکیب خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی برجسته، در صنعت ریخته‌گری آلومینیوم بسیار محبوب می باشد.

ویژگی‌ها و مزایای کلیدی سیلیکون نایتراید (Si₃N₄)

ترکیب شیمیایی: (Si₃N₄ با درصد خلوص بالا، معمولاً > 95%)

چگالی:  g/cm3)  ۳.۲-۳.۳)

رسانش حرارتی: W/m*K)  ۱۵-۳۰)

سختی(Vickers) : حدود HV) 1600)

مقاومت خمشی: MPa)  ۶۰۰-۱۰۰۰)

مقاومت در برابر شوک حرارتی: بسیار بالا (مقاوم در برابر تغییر دمای ناگهانی تا حدود ۸۰۰ درجه سانتی گراد)

مقاومت شیمیایی: بسیار مقاوم در برابر واکنش با آلومینیوم مذاب، منیزیم، و سایر آلیاژهای غیرآهنی

حداکثر دمای کاری در هوا: ۱۰۰۰-۱۲۰۰ درجه سانتی گراد

حداکثر دمای کاری در گاز خنثی: 1400-۱۵۰۰ درجه سانتی گراد

مقاومت در برابر چسبندگی آلومینیوم: بسیار بالا؛ آلومینیوم به سطح آن نمی‌چسبد.

مزایای کاربردی در صنعت آلومینیوم

•  عمر طولانی: در مقایسه با  سایرغلاف‌های آلومینا یا فلزی، عمر مفید بالاتری دارد.
•  پاسخ سریع: به دلیل هدایت حرارتی مناسب، پاسخ ترموکوپل سریع‌تر خواهد بود.
• کاهش آلودگی مذاب: واکنش‌پذیری پایین باعث عدم انتقال ناخالصی به فلز مذاب می‌شود.
•  مقاوم در برابر ترک‌خوردگی حرارتی: شوک‌های حرارتی مکرر (مثلاً هنگام ورود به مذاب داغ) را به‌خوبی تحمل می‌کند.

نکات مهم در نصب و نگهداری غلاف ترموکوپل

•  از تماس با مواد قلیایی قوی خودداری شود.
•  هنگام نصب، از وارد آوردن فشار مکانیکی شدید پرهیز شود.
• شوک مکانیکی یا ضربه ناگهانی ممکن است باعث ترک‌های میکروسکوپی شود.

مزایا:

•  مقاومت بالا در برابر شوک حرارتی
•  مقاومت عالی در برابر خوردگی ناشی از آلومینیوم مذاب
•  رسانش حرارتی خوب (پاسخ سریع)
•  طول عمر بالا

معایب:

•    قیمت نسبتاً بالا
•    شکستگی در مقابل ضربه مکانیکی

۲- غلاف سرامیکی از جنس سیلیکون کارباید (SIC)

غلاف‌های سیلیکون کارباید (Silicon Carbide – SiC) یکی از گزینه‌های مقاوم و پیشرفته برای استفاده در محیط‌های با دما و فشار بالا هستند. این نوع از غلاف‌ به‌ویژه در ترموکوپل های داخل مذاب آلومینوم کاربرد دارند. سیلیکون کارباید دارای خواص منحصر به فردی است که آن را برای استفاده در محیط‌های سخت و شدید مناسب می‌سازد.

ویژگی‌ها و مزایای غلاف سیلیکون کارباید(SiC):

۱. مقاومت بسیار بالا در برابر دما تا حدود ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد

۲. مقاومت شیمیایی عالی

مقاومت بالا در برابر بسیاری از اسیدها و بازها: سیلیکون کارباید در برابر مواد شیمیایی خورنده مانند اسیدها و بازهای قوی، همچنین در برابر بیشتر فلزات مذاب غیر آهنی، مقاوم است.

عدم واکنش با آلومینیوم مذاب: یکی از ویژگی‌های برجسته سیلیکون کارباید این است که در تماس با آلومینیوم مذاب یا سایر فلزات، به‌طور قابل توجهی کمتر دچار خوردگی و واکنش‌های شیمیایی می‌شود.

۳. استحکام مکانیکی بالا

سیلیکون کارباید به‌طور طبیعی مقاوم در برابر فشار و کشش است. در شرایط دمای بالا، همچنان ساختار خود را حفظ می‌کند و نمی‌شکند.این ماده مقاومت خوبی در برابر سایش و خوردگی مکانیکی دارد که آن را برای کاربردهای طولانی‌مدت در شرایط دشوار مناسب می‌سازد.

۴. هدایت حرارتی بالا

سیلیکون کارباید دارای هدایت حرارتی بالا است، که به آن اجازه می‌دهد که به سرعت دمای محیط را انتقال دهد و در نتیجه پاسخ سریع‌تر در اندازه‌گیری دما داشته باشد.

۵. مقاومت در برابر شوک حرارتی

سیلیکون کارباید به‌طور خاص در برابر شوک حرارتی مقاوم است، به این معنی که تغییرات ناگهانی دما (مثلاً ورود به مذاب داغ یا سرمای شدید) را به‌خوبی تحمل می‌کند.

۶. طول عمر بالا

به دلیل مقاومت بالای این ماده در برابر شرایط شیمیایی و مکانیکی سخت، غلاف‌های سیلیکون کارباید عمر مفید طولانی‌تری نسبت به بسیاری از مواد دیگر دارند.

معایب غلاف سیلیکون کارباید (SiC):

۱. قیمت بالا

سیلیکون کارباید به‌طور کلی یک ماده پرهزینه است. هزینه تولید غلاف‌های SiC به‌دلیل فرآیندهای تولید پیچیده‌تر و استفاده از مواد اولیه گران‌قیمت، بیشتر از بسیاری از سرامیک‌های دیگر است.

۲. شکنندگی و حساسیت به ضربه

اگرچه سیلیکون کارباید در برابر فشار و سایش مقاومت خوبی دارد، اما شکننده است. این ویژگی در صورت وارد آمدن ضربه‌های مکانیکی یا فشارهای شدید ممکن است باعث ترک خوردن غلاف شود.

نیاز به مراقبت ویژه در حین نصب و جابجایی دارد.

۳. محدودیت در دماهای بسیار بالا (بالاتر از ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد)

اگرچه SiC دمای بسیار بالایی را تحمل می‌کند، اما در دماهای بالاتر از حدود ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد ممکن است خواص مکانیکی و شیمیایی آن دچار تغییر شود.

این ماده ممکن است برای استفاده در شرایطی که دماهای بیشتر از ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد مورد نیاز است، مناسب نباشد.

۴. مقاومت شیمیایی در برابر برخی مواد خاص

با اینکه سیلیکون کارباید در برابر بسیاری از مواد شیمیایی مقاوم است، در برابر برخی از مواد خاص مانند فلورین یا مواد قلیایی شدید ممکن است دچار خوردگی شود.

بنابراین، انتخاب این ماده برای شرایط خاص نیازمند دقت است.

۵. دسترس‌پذیری محدود و تولید سفارشی

مشابه با سیلیکون نایتراید، تولید سیلیکون کارباید نیازمند تجهیزات خاص است و ممکن است در بازار برخی کشورها دسترس‌پذیری آن محدود باشد.

همچنین ممکن است نیاز به تولید سفارشی برای اندازه‌ها و ویژگی‌های خاص باشد که زمان تولید را افزایش می‌دهد.

ویژگی ها و مشخصات فنی غلاف سیلیکون کارباید (SiC):

•  ترکیب شیمیایی: (SiC سیلیکون کارباید)
• چگالی:  g/cm³)   ۳.۱-۳.۲)
• رسانش حرارتی:  W/m*K)  ۱۲۰-۲۰۰)
• سختی: HV)  ۲۵۰۰-۳۰۰۰)
• مقاومت خمشی: MPa) 400-700)
• مقاومت در برابر شوک حرارتی: بالا (تحمل تغییرات دمای ناگهانی)
• حداکثر دمای کاری: حدود درجه سانتیگراد ۱۳۰۰
• مقاومت شیمیایی: عالی در برابر فلزات مذاب، اسیدها و بازها (غیرمقاوم در برابر فلورین و مواد قلیایی)

مقایسه طول عمر هر کدام از این دو غلاف با یکدیگر 

طول عمر غلاف‌های ترموکوپل به عوامل متعددی مانند نوع ماده، شرایط کاری، نحوه استفاده، میزان شوک حرارتی، تماس شیمیایی، و کیفیت ساخت بستگی دارد. در ادامه، برآورد تقریبی طول عمر هر یک از این دو غلاف‌ برای اندازه‌گیری دمای آلومینیوم مذاب (با فرض شرایط کاری نرمال و نصب صحیح) ارائه می‌شود:

۱. سیلیکون نایتراید (Si₃N₄)

طول عمر معمول:  بین ۶ ماه تا ۲ سال

در شرایط ایده‌آل (استفاده پیوسته، بدون ضربه یا شوک حرارتی شدید) حتی تا ۳ سال قابل استفاده است.

نقاط قوت مؤثر بر طول عمر: مقاومت عالی در برابر شوک حرارتی و واکنش شیمیایی با آلومینیوم

دلایل کاهش عمر: ضربه مکانیکی، ترک‌خوردگی، یا نصب نادرست

۲. سیلیکون کارباید (SiC)

طول عمر معمول:  ۳ ماه تا ۱ سال

در شرایط خوب (تمیزکاری منظم، بدون ضربه یا شوک شدید) تا ۱.۵ سال قابل استفاده است.

نقاط قوت مؤثر بر طول عمر: هدایت حرارتی بالا و مقاومت خوب در برابر مذاب فلز

دلایل کاهش عمر: شکنندگی در برابر ضربه، حساسیت به ترک‌های مویی، خوردگی شیمیایی در برخی محیط‌ها (مثلاً قلیایی‌ها یا فلورین)

ویژگی های غلاف SiC

• شکنندگی بالا: تحمل فشار یا ضربه فیزیکی را ندارد؛ نصب باید با دقت بالا انجام شود.
• حساسیت به شوک حرارتی: در برابر تغییر دمای ناگهانی ممکن است ترک بردارد.
• قیمت ارزان تر نسبت به Si₃N₄  ولی با عمر کمتر در برخی کاربردها.
• هدایت حرارتی بسیار خوب، مناسب برای کاربردهایی که نیاز به پاسخ سریع دمایی دارند.

برای استفاده و کاربرد غلاف های سیلیکون کارباید و سیلیکون نایتراید به چه نکاتی می بایست توجه نمود؟

برای استفاده مؤثر، ایمن و با دوام از غلاف‌های سیلیکون کارباید (SiC) و سیلیکون نایتراید (Si₃N₄) در اندازه‌گیری دمای مذاب فلزات، باید به مجموعه‌ای از نکات کلیدی فنی، عملیاتی و نگهداری توجه نمود. این نکات، طول عمر غلاف را بهینه کرده و از شکست یا خطای اندازه‌گیری جلوگیری می‌کنند.

۱. انتخاب صحیح بر اساس شرایط کاری

•  مقاومت به شوک حرارتی در غلاف سیلیکون نایتراید بسیار عالی بوده ولی این پارامتر در غلاف سیلیکون کارباید متوسط می باشد.
•  مقاومت مکانیکی غلاف سیلیکون نایتراید بسیاربالا و در خصوص غلاف سیلیکون کارباید شکننده‌تر می باشد.
•  مقاومت شیمیایی غلاف سیلیکون نایتراید عالی (حتی در برابر فلاکس) و برای  غلاف سیلیکون کارباید خوب می باشد.
•  هدایت حرارتی غلاف سیلیکون نایتراید کارباید متوسط و غلاف سیلیکون کارباید بسیار بالا می باشد.
• دمای کاری غلاف سیلیکون نایتراید تا ۱۴۰۰ و غلاف سیلیکون کارباید تا ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد در شرایط خاص می باشد.
•  قیمت غلاف سیلیکون نایتراید بالاتر و قیمت غلاف سیلیکون کارباید  پایین‌تر می باشد.

در نتیجه، اگر دقت و دوام  غلاف مهم‌تر است غلاف سیلیکون نایتراید و اگر پاسخ سریع‌تر و هزینه کمتر ملاک می باشد غلاف سیلیکون کارباید پیشنهاد می گردد.

۲. نکات مهم در نصب و راه‌اندازی

•   عدم وارد کردن ضربه یا فشار مکانیکی هنگام نصب، به‌ویژه برای غلاف SiC که شکننده‌تر است.
•  استفاده از نگهدارنده مناسب (Clamp) یا (Flange) برای جلوگیری از حرکت، لرزش و شکست.
• جلوگیری از تماس مستقیم با دیواره پاتیل یا کف کوره که ممکن است نقطه داغ یا ساییدگی ایجاد کند.
•  استفاده از زاویه مناسب ورود به مذاب برای جلوگیری از شوک حرارتی (ترجیحاً زاویه مورب، نه عمودی ناگهانی).

۳. مراقبت‌های حرارتی

•  پیش‌گرمایش  (Preheating) غلاف پیش از ورود به مذاب، به‌ویژه برای SiC، به کاهش شوک حرارتی کمک می‌کند.
• دمای پیشنهادی پیش‌گرمایش: ۲۰۰–۳۰۰ درجه سانتیگراد
• عدم ورود ناگهانی به مذاب داغ یا خروج سریع که باعث ترک‌خوردگی یا خردشدن غلاف می‌شود.

۴. نگهداری دوره‌ای

•  تمیز کردن مرتب سطح غلاف با پارچه نسوز یا برس نرم غیر فلزی برای حذف فلاکس، اکسید و سرباره چسبیده.
• بازرسی دوره‌ای برای مشاهده ترک‌های ریز یا سایش سطحی
•  عدم استفاده از مواد ساینده سخت یا ضربه‌زننده در پاک‌سازی

۵. جلوگیری از تماس مستقیم با فلاکس یا اکسیژن فعال

•   تا حد امکان، در ناحیه‌ای از مذاب قرار گیرد که فلاکس کمتر تجمع یافته باشد.
•   در منیزیم یا آلیاژهای حساس، از پوشش محافظ یا ترموول استفاده شود.

۶. انتخاب ابعاد مناسب

•  انتخاب قطر و ضخامت دیواره متناسب با عمق غوطه‌وری، نوع مذاب و فاصله از منبع حرارت
•  استفاده از طول مناسب (نه خیلی بلند که موجب لرزش شود، نه خیلی کوتاه که به سطح مذاب نزدیک بماند)

۷. جلوگیری از انجماد فلز روی غلاف

• بعد از استفاده، خارج کردن غلاف از مذاب و جلوگیری از انجماد آلومینیوم یا فلز روی سطح آن
•  در صورت انجماد، هرگز با ضربه جدا نکنید؛ فقط با گرمادهی تدریجی