SiC原料と鉄分

下の写真はテスト的に取り寄せた今とは別のSiC原料サンプルを棚板の上に載せ、炉の中で焼成し取り出した物です。

08年他社SiC原料テストその3

SiC原料中の鉄分によって棚板が茶色く変色しているのが判るかと思います。

SiC原料は精製された後に粉砕・整粒されるのですが、その工程がしっかりとした設備と管理の元行われないと、鉄分が多く含まれた粗悪な原料となってしまいます。

このような原料を使用すると出来上がったSiC耐火物にもそのまま多量の鉄分が含まれる事となり、その耐火物でセラミック製品を焼成すると製品に茶色く色移りするなどの問題となります。

尚、我々使用のSiC原料ではこのような茶色にはならず、また更に耐火物製造工程の最初で脱鉄の工程もあり鉄分が多く含まれない様になっております。

SiC耐火物の品質・性能が決まるのには、耐火物製造の各工程で重要ポイントはありますが、出発点であるSiC原料の品質は一番重要であると言っても過言ではありません。

Si-SiC(反応焼結SiC)ビームの劣化と破損

十数年間使用されたSi-SiCビームの1本が折れました。

2016 8 SiSiC Beam1

外側もそうですが、内側表面にも白くSiO2(シリカ)が生成されています。

2016 8 SiSiC Beam2

使用されて行くうちに少しずつですが含浸されていたSiが析出して酸化されSiO2になったり、SiC自体も酸化されSiO2になったりします。

そうなると強度も本来の物よりも少しずつ弱くなり、あるところまで行くと折れたりします。

寿命は、焼成条件(最高温度・雰囲気・ヒートカーブ)やかかる荷重によって異なりますが、Si-SiC(反応焼結SiC)の場合は約2,500~3,000サイクルと言われております。ちなみにこのビームの場合は約4,000サイクル弱使用されました。

SiCストラクチャーパイプ

同じくシリカ結合(酸化物結合)SiCのパイプ形状製品、ストラクチャーパイプ(パイプ支柱)です。

SiC ストラクチャーパイプ

パイプ形状ですが、鋳込み成型ではなくプレスの縦打ち成型ですので、低気孔率で荒目の原料も使いますので丈夫で長持ちします。

SiCストラクチャーパイプ キャップ ビーム

通常、ストラクチャーパイプの上には、はまり込むキャップを載せ、その上に横渡しのビームを載せ台車棚組み等の土台とします。比較的昔からある支持方法で、Si-SiCビームを使った方法よりも比較的安価にできます。

プレス成型大型SiCスリーブ

シリカ結合(酸化物結合)SiCスリーブです。

SiC big sleeve2

サイズは外径φ310(内径250)x  長さ1300mm  フランジ部外径φ350 厚さ20mm で、縦打ちのプレス成型品です。重さは約100kg弱あります。

SiC big sleeve12

プレス成型品であるシリカ結合(酸化物結合)SiCは、鋳込み成形品である再結晶SiCや反応焼結SiC(Si-SiC)の様な薄手の物はできませんが、逆にt30mm等の厚手の物は製作でき、価格帯も他のSiC耐火物と比較すると安価です。最高使用温度はSiC棚板等と同じく1,500℃です。

SiCプレートのクラック

下の写真は他社のSiCプレートですが、珍しく板の真ん中にクラックが入っています。

2016 5 某N社SiCプレート 真ん中クラック

通常、板のクラックは板の端と中心部の温度差から来る膨張・収縮の差の歪によって発生しますので、必ずスリットの中心方向エンドからか、板の端からクラックが入ります。

写真の物の様な真ん中でのクラックの入り方はほぼ見た事は無く、原因ははっきりしませんが、プレス成型時の金型へのSiC原料充填の不均一で密度に大きなばらつきが出たのか、SiC原料由来の物なのか、成型のプレス機の問題なのか断定は難しいですが、このような状態になるSiCプレートは性能的に問題が出る可能性はあります。

SiC支柱

シリカ結合(酸化物結合)SiC支柱の紹介です。

2016 April blog SiC support

中実材のSiC耐火物で、プレス成型品です。写真の支柱は高さ900mmで、SiC棚板等を出っ張りに引っ掛けて使用します。

SiC原料は他の耐火物原料よりも流動性が低い為、大型で肉厚なSiC耐火物を均一な密度でプレス成型するのは簡単ではなく、ノウハウが必要とされます。

また更に、当社販売のSiC支柱は棚板と同じハイグレードなSiC原料配合で製造しておりますので、高性能で酸化膨張しにくく耐久性があります。

SiCプレート破断面からの割れタイミング判断

割れ方によりその原因がヒートショックなのか物理的衝撃なのかがおおよそ推測できると前回記事でご紹介致しましたが、割れたSiCプレート・SiC棚板の破断面から焼成のどの段階で割れたのかも推測できます。

下の写真は2枚のSiCプレートの破断面を並べた物です。

2016 blog crack cross section comparison

違いがお判りになるでしょうか?

2枚とも元々全く同じ材質のSiCですが、低温時に割れた物(上)は破断面がキラキラしており元のSiC(炭化ケイ素)原料の粒の光沢が残っています。一方、高温時に割れた物(下)は破断面がつや消し状態になっており光沢が無くなっております。これは破断面が高温で酸化された為です。

焼成炉の中の状態は高温の為なかなか容易に見ることができませんが、SiCプレート等のSiC耐火物の破断面からは割れのタイミングがおおよそ推測でき、問題発生の原因究明の為の一つの情報となり得ます。

SiCプレートの割れ方の違いとその原因

使用中にSiCプレート等の板状耐火物が割れる原因で最も多いのがヒートショック(熱衝撃)です。

ヒートショック(熱衝撃)による割れとは、炉内の温度変化の際に1枚のプレートで縁と中心部分とで温度差が生まれ、膨張・収縮のひずみが発生しプレートがそのひずみに耐え切れずに割れてまう現象です。下の写真はヒートショックにより割れたSiCプレートです。

2016 blog crack by heat shock

炉内降温時には板の中心が一番温度が高く、即ち一番膨張している部分の為、(スリットの無いプレートの場合は)大体この様に比較的緩やかなカーブで、割れ目は縁から中心を通りプレートは真っ二つに割れます。

一方下の写真は全て物理的衝撃により割れたSiCプレートです。

2016 blog crack by impact

割れ目が二股以上になっていたり、割れ目に鋭角な部分があったりと、割れ方の違いが見て取れると思います。

この写真のSiCプレートは故意に落として割ってみた物ですが、例えば、炉に入れる前にどこかに当ててしまったり、立て掛けてあった物を倒してしまったりとプレートに物理的衝撃が加わった場合、その時割れていなくても目に見えにくい微細なクラックが入ってしまい、炉内で昇温/降温し、膨張/収縮した時にその微細クラックに沿ってプレートが割れるというケースもございます。その場合はこの下の写真のような割れ方になります。

Si-SiC(反応焼結SiC)プレート

Si-SiC(反応焼結SiC)プレートのご紹介です。

2015 12 blog SiSiC plate 485x328x12t

Si-SiC(反応焼結SiC)とはSiC約90%に金属シリコンSiを含浸させ緻密体になっている耐火物で、他のSiC耐火物と比べても、高強度・高熱伝導率と高い耐酸化性能が特徴です。但し、1350℃を超える使用条件ですと、含浸させた金属シリコンが溶け出てしまいますので、最高使用温度は他のSiC耐火物よりも低いです。

写真のプレートは485 x 328 x 12mm です。Siを含浸させる関係からプレート厚さは均一である必要があり、一般的には最大の厚みも12mm 程となります。又、緻密体ですのであまりサイズが大きくなると製造時にクラックや反りが出やすくなるため、(要求される反り公差にもよりますが)大きなサイズの板は製造が難しいです。

ちなみに、出来上がった製品は非常に硬い材質ですので、切断等の加工はかなり難しく、ダイヤモンド工具がみるみる減ってしまいますので、加工賃は高額になります。

SiC耐火物の切断加工

SiC(炭化ケイ素)はダイヤモンドの次くらいに固い材質ですので、SiCプレート等のSiC耐火物を切断するには専用の湿式ダイヤモンドカッターを使用する必要があります。

SiC Cutting2

写真は酸化物結合SiCプレートを切断しているところですが、水をかけながらダイヤモンド入りの丸鋸でゆっくり少しずつ切断してゆきます。この時使用するダイヤモンドカッターもSiC切断に最適な専用の特注品を使用します。

それでも少し厚手の板を切ったり、数を切ってゆくと高価なダイヤモンドの刃がみるみる減ってゆきますので、SiC耐火物の中で比較的まだ加工しやすい酸化物結合SiCといえども費用はそれなりに高額になります。

更に同じSiC耐火物の中でも、ち密体のSi-SiC(反応焼結SiC)は特に固く、ダイヤモンドカッターの消耗も著しく激しいので、加工は非常に困難で、できたとしてもかなり高額になってしまいます。