はじめに:化学処理における腐食の課題
世界の化学処理産業は、想像を絶する厳しい環境下で操業しています。装置の部品は常にさらされています腐食性酸、腐食性アルカリ、溶融金属、高圧蒸気、研磨スラリー、および極端な温度サイクル。化学プラントにおける腐食の経済的影響は驚異的で、世界的な腐食コストは超過していると推定されています$毎年2兆5000億世界のgdpの約3 ~ 4%に相当します。
従来の金属材料(ステンレス鋼、ハステロイ、チタン合金)は、長い間化学装置の標準的な選択肢でしたが、基本的な限界があります。金属は本質的に影響を受けやすい孔食、隙間腐食、応力腐食割れ、ガルバニック腐食攻撃的な化学的環境に置かれますポリマーのライニングおよびコーティングは一時的な保護を提供しますが、高温では急速に劣化します。このため、業界はより耐久性があり、化学的に不活性な代替品を求めています。
窒化ケイ素(Si₃N₄)陶磁器化学産業のための革新的な材料ソリューションとして現れていますそのユニークな組み合わせでほぼ普遍的な化学的不活性性、優れた機械的強度、1400°cまでの熱安定性、優れた耐摩耗性、Si₃N₄取って代ろうとして金属化学の範囲拡大処理アプリケーションアシカやバルブコンポーネントポンプ~坩堝、热し、熱電対保護管ます。本総合技術ガイドエスアイ₃の次元N₄&ごと#39;化学工業での役割。
窒化ケイ素(Si₃N₄)-化学アプリケーション基本の材料
窒化ケイ素はaですセラミックnon-oxide岸から遠ざかって行くエスアイ₃N₄のとは化学式です。coocoohの結晶構造は、各シリコン原子が4つの窒素原子と共有結合し、各窒素原子が3つのシリコン原子と結合する高密度3次元ネットワークにつながっている。この強固に結合した構造は、化学物質が攻撃するための弱い面やイオン結合が存在しないため、化学的不活性の根本的な原因となっています。
化学Inertness
ほとんどの酸、アルカリ、溶融金属に耐える
マックスサービスオデール
最高1400°c(2550°f)
屈曲力
700-1000 MPa
密度
3。17-3。44 g / cm³
鍵化学的性质が
HCl耐性牛HNO₃、希釈H₂これ₄H₃ポー₄
naoh, kohに強い(中濃度/温度)
溶融al、cu、zn、pb、sn、およびそれらの合金に不活性
有機溶剤や炭化水素に耐性があります
ホット濃縮hfやホットconcには耐性がありません。H₂だから₄
キー機械&熱特性
破壊靭性:6-8 mpa・m½(陶磁器としては最高位)
ビッカース硬度:13-17 gpa
ワイン:32×10⁻⁶/°C(熱ショック抵抗に优れ)
熱伝導率:20-30 w /m・k
低摩擦係数の自己潤滑
分子構造Si₃N₄-財団の化学Inertness
窒化ケイ素の並外れた耐薬品性は、その原子レベルの構造に直接起因しています。イオン結合が化学攻撃のための潜在的なサイトを生成する酸化物セラミックスとは異なり、,強い共有結合si-n結合(結合エネルギー~335 kj /mol)弱い面、溶解しやすい粒界相、腐食性の種が侵入するためのイオン経路を持たない高密度、3次元ネットワークを形成する。この分子図】tetrahedralネットワーク構成事実上Si₃N₄たいていの環境で化学物質による攻撃の影響を受けています。
Si₃N₄Tetrahedral岸から遠ざかって行くネットワーク-■耐薬品性の由来。
なぜ共有結合=耐薬品性なのか
イオン陶磁器で(アル₂O₃またはMgO)のように、中断される危機静電気債券は白溶剤に襲われ陽子酸性または水酸化イオンた一方、岸から遠ざかって行くSi-N債券Si₃N₄シェア電子ぎゅっと原子の間、いや恥部さらし化学種料金攻撃を控えている。これらの結合を破るには、ほとんどの化学環境が提供できるものをはるかに超えるエネルギーが必要です。
例外:フッ化水素酸(hf)
熱い集中HF有数の化学物質がいくつも攻撃Si₃N₄。フッ化物イオンはシリコンとの親和性が高く、揮発性のsif coogasを生成し、si-nネットワークを破壊する。Si₃N₄も避けるべきで辛いので集中H₂₄(> 90%)と融解アルカリ金属極低温で窒化ケイ素を減少させることができる(na, k)。
Si₃N₄■耐薬品性スペクトル
正確に理解化学物質Si₃N₄ができて抵抗には欠かせない化学処理適した教材の抜擢であった。以下の図エスアイ₃の総合視覚概括を提供して,N₄'工業処理環境で遭遇する化学物質の主要なカテゴリ全体のs抵抗プロファイル。
Si₃N₄■耐薬品性スペクトルマップと
拡張知識-腐食メカニズム: 確信Si₃N₄明らかになって環境細いながらもself-passivating SiO₂層(10 ~ nm)表面に形成。このシリカ層は、追加の保護バリアとして機能し、化学攻撃をさらに抑制します。ほとんどの酸性環境では、この受動層は安定して自己治癒します。soclを溶解させるのは、soclが生成する二酸化硫黄であり、soclを溶解させるとsoclが生成する。
なぜ化学処理に窒化ケイ素を使うのか?
Si₃N₄6優れさせる重要な利点をお届けする金属ポリマ-,陶磁器などで化学処理環境类:
1
Near-Universal化学Inertness
Si₃N₄以上に抵抗化学物質の90%ほとんどのミネラル酸、アルカリ、溶融金属、有機溶媒、塩溶液、高圧蒸気を含む-工業処理で発生しました。これにより、頻繁に材料を交換したり、保護コーティングを施したり、金属ベースの装置を悩ませる複雑な合金を選択したりする必要がなくなります。
2
高温安定
ポリマーと違って裏地(~ 250°Cに限る)多くの金属(以上強度が失う400°C)であり、Si₃N₄はいっぱい機械性能まで1400°C。これは、他の非金属材料が競合できない高温リアクター、炉部品、溶融金属ハンドリング、熱処理装置に不可欠です。
3
熱ショック抵抗
化学反応器や熱交換器では、起動時、シャットダウン時、バッチサイクル時に急激な温度変化が発生することがよくあります。Si₃N₄'s低ワイン(3。2×10⁻⁶/°C)と適度な熱伝導率を提供する熱ショック3 ~ 5×上司アル₂O₃に抵抗すること従来のセラミックライニングを破壊する壊滅的な亀裂を防止します。
4
摩耗&耐摩耗性
多くの化学プロセスには研磨スラリー、触媒粒子、および浸食流金属表面を急速に劣化させますSi₃N₄'s高硬度(hv13-17 gpa)、低摩擦、優れた靭性の組み合わせにより、複合腐食性アブレッシブ摩耗(金属やポリマーが急速に破壊する破壊モード)に対する優れた耐性を提供します。
5
非汚染&高純度
医薬品、食品グレード、および高純度化学品の製造では、装置材料が金属イオンや汚染物質をプロセスストリームに溶出してはなりません。Si₃N₄化学的に不活性で非浸出性fe、cr、niイオンを放出するステンレス鋼とは異なり、敏感な用途で製品の純度を確保できます。
6
延長寿命&低いtco
エスアイ₃のイニシャルコストN₄の構成要素は金属より高いの総所有コスト(tco)5 ~ 10倍の寿命、メンテナンスダウンタイムの短縮、交換サイクルの短縮、腐食関連製品の汚染の排除により、一般的に40 ~ 70%低くなります。多くのプラントは6 ~ 18ヶ月の回収期間を報告しています。
Si₃N₄アプリケーションを化学処理装置
窒化ケイ素セラミック部品は、化学処理プラントのほぼすべての主要な機器カテゴリで使用されています。
受注生産(受注生産)、受注生産(受注生産)
メカニカルシールは、化学ポンプで最も重要な摩耗部品です。シール面の故障です#1推定を占める化学プラントのポンプ停止時間の原因すべてのポンプメンテナンスコストの40%。
Si₃N₄成分:シール面(回転および固定リング)、シャフトスリーブ、ポンプベアリング、羽根車摩耗リング、および投薬ポンププランジャー。Si₃N₄印顔で成功裏に運営したapi 682計画の策定hcl、hを処理するためにso cooh、naoh、溶媒、および研磨スラリーサービス。これらの自己潤滑特性は、カーボン/ sicシールペアを急速に破壊する条件である限界潤滑でのドライラン機能と動作を可能にします。耐用年数は通常sic / sicより3 ~ 5倍長いです腐食研磨サービスのペア。
②バルブ席整え&フロー制御
腐食性サービスの制御バルブおよび遮断バルブは、プロセス流体、高速フロー、およびキャビテーション浸食からの絶え間ない攻撃に直面しています。
Si₃N₄成分:バルブボール、シート、プラグ、トリム挿入、およびアクチュエータブッシュ。Si₃N₄ボールバルブやチェック弁は现代标准進取的な酸やアルカリ取扱化学工場で見掛けることができる。のmaterial's低摩擦係数は、腐食性のあるサービスで金属間バルブトリムを使用する一般的な故障モードである、シールすることなくスムーズなバルブ操作を保証します。Si₃N₄バルブコンポーネントleak-tight封印維持10万+営業サイクル.
③おめでとう&熱設備
化学プラントの熱交換器は、プロセス側と功利側の両方の流体からの腐食に抵抗しながら、効率的に熱を伝達する必要があります。
Si₃N₄成分:熱交換器チューブ、チューブシート、炉ローラー、窯家具、バーナーノズル、および耐火ライニング。Si₃N₄'s中程度の熱伝導率(20-30 w /m・k)は、金属が対応できない耐食性を提供しながら、多くの熱交換用途に十分です。高温炉(800-1400°C) Si治具および設定者次元安定測量士₃N₄や曲りしなくても熱サイクルの数千の解読"
溶融金属④坩堝柄杓&処理
鋳造工場や冶金工場では、600 ~ 1600°cの溶融金属との接触に耐え、汚染や劣化を生じない容器や工具が必要です。
Si₃N₄成分:るつぼ、取鍋ライニング、注ぎノズル、熱電対保護管、低圧ダイカスト用ライザーチューブ、ローターを脱ガス、および浸漬ヒーター。Si₃N₄溶融アルミニウム、銅、亜鉛、鉛、およびそれらの合金による接液性はありません-溶融した金属がセラミック表面に付着したり反応したりしないこと。これにより、クリーンな金属移動が保証され、鋳物内のインクルージョンが防止され、グラファイトまたは従来の耐火るつぼと比較してるつぼの寿命が3 ~ 8倍延長されます。
⑤熱電対保護管&出せる
腐食性および高温の化学プロセスにおける温度測定には、熱電対エレメントを化学的攻撃や機械的損傷から保護する保護シースが必要です。
Si₃N₄成分:熱電対保護管、ph電極本体、レベルセンサープローブ、および分析機器コンポーネント。Si₃N₄熱電対管で連続の連続動作が可能な気温まで1400°cの腐食性雰囲気中ステンレス鋼(腐食性耐用温度~600°c)やインコネル(耐用温度~900°c)をはるかに超えています。のmaterial's耐熱衝撃性により、予熱せずに溶融金属に直接浸漬することができます。
⑥触媒を支持しようフィルタ&原子炉飲まない
化学反応器は、触媒層、フィルターエレメント、ディストリビュータープレートなどの内部コンポーネントに依存しています。これらのコンポーネントは、プロセスの中で最も化学的に攻撃性の高い領域で動作します。
Si₃N₄成分:触媒サポートグリッド、フィルター膜とキャンドルフィルター、反応器ディストリビュータープレート、バブルキャップ、スプレーノズル、および静的ミキサー要素。Si₃N₄'sの化学的不活性性により、触媒担体構造が高価な触媒と相互作用したり、汚染したりしないことが保証されます。多孔質Si₃N₄フィルタ要素を提供するsub-micron濾過能力ポリマーと金属フィルターが故障する高温の腐食性ガス流で。
Si₃N₄成分化学ポンプ&で原子炉システム
以下の断面図は、窒化ケイ素セラミック部品が標準的なものにどのように統合されるかを示しています化学ポンプと反応器システム-化学処理プラントで最も一般的な機器構成の1つ。各位置特定を表すSi₃N₄とラベル付けされたアプリケーションを利用material's耐食性、耐摩耗性、および熱安定性。
Si₃N₄システムの化学処理構成要素
①②③ポンプ部
Si₃N₄印顔dui,軸袖corrosion-drivenベアリング絶たポンプ失敗を経験しました結合を破壊するcorrosive-abrasiveサービスSiC 6 ~ 12ヵ月にわたるにおける印章の日常的にSi₃N₄と3 ~ 5年を営んでいる。
④パイプラインバルブ
Si₃単座阀整えるN₄ボール/座酸やアルカリ腐食強くサービスのleak-tightを塞ぐを提供する。押収やかじりなしで100,000サイクル以上のシールの完全性を維持します。
⑤⑥⑦炉飲まない
熱電対チューブ原子炉やスプレーをしノズルエス・アイで₃N₄プロセス化学物質温度はせいぜいけん制のため、精度保護と船腐食防止を打ち出している。
⑨溶融金属⑩処理
Si₃N₄トガニ裏地や液浸式TC探査機は融解周りアル/クー/ Znによってnon-wetted。るつぼの寿命は3 - 8×対グラファイトを拡張します。tcプローブは、直接浸漬による熱衝撃に耐えます。
材质比較:螺纹种类:Si₃N₄vs金属&、他の陶磁器の化学サービス
以下の表は、窒化ケイ素と化学処理装置で一般的に使用される材料を比較したものです。
| 財産 | Si₃N₄ | 316L SS | Hastelloy C-276 | アル₂O₃ | SiC | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 酸抵抗 | 優秀な★ | 貧しい-良い | 良い | 良い | 良い | 優秀な |
| マックス温度 | 1400°C★ | 400°C | 450°C | 1200°C | 1600°C | 260°C |
| タフネス骨折です | 6 ~ 8★ | - | - | 3 ~ 5 | 3 ~ 5 | - |
| 熱ショック | 優秀な★ | 良い | 良い | 適度な | Good | 貧しい |
| 耐摩耗 | 優秀な★ | 貧しい | 貧しい | 優秀な | 優秀な | Poor |
| 密度(g / cm³) | 3.2-3.4 | 8.0 | 8.9 | 3.9 | 3.2 | 2.2★ |
| 相対費用 | 高い | 低★ | 高い | 適度な | 高い | 低★ |
★=最高のカテゴリー。Si₃N₄、全品目をはさんで,物質的な提供のみ活躍できる。
見識によって: エスアイ₃の批判の利点N₄は高温能力(>1000°c)、ほぼ普遍的な耐薬品性、優れた破壊靭性、優れた耐摩耗性を兼ね備えた材料のみ1つのパッケージに収められています金属腐食環境できなくても、失敗PTFE高温アル₂O₃とSiCがもろい- Si₃N₄合算腐食+高温+を研磨+)に成功すればthermally-shocking条件ここから物質他生き残っています。
選択する指导(者):指定がSi₃N₄化学アプリケーション
Siする際に、₃N₄:を選ぶ
プロセス流体を含む腐食性酸+研磨粒子(合体攻撃モード)
作動温度を超え腐食性環境下で300°c高分子/金属能力)を超えた(
熱自転車頻繁です(バッチ反応器、起動/停止サイクル)
コンポーネントが接触しています融解非鉄金属
製品純度金属イオンの浸出は禁止されている
総所有コスト初期コストだけではなく、ダウンタイムも含めて評価します
場合にSi₃N₄を回避する:
プロセス流体は高温濃縮hf(フッ化水素酸)
製造方法は辛いので集中H₂₄(> 90%、フェイス> 150°C)
環境は融解アルカリ金属(娜、K、里)
アプリケーションが必要または変形可能成分(詰物用、O-rings)
兵役環境は軽い/ non-corrosive標準的な金属は低コストで十分に機能します
結論
窒化ケイ素セラミックスは、aを表します材料選択におけるパラダイムシフト化学処理産業のために。金属を腐食さどこ、溶け高分子、従来の陶磁器亀裂で熱ショックSi₃N₄は信頼できる、長期公演全国もっとも積極的化学露光の露光時間組み合わせ高温、摩擦力、し、自転車の使用熱力です
最終5×ポンプ印から従来のオプションより長く、にによってnon-wetted製のるつぼ融解金属があり熱電対への直通液浸式1400°C管は一貫して溶けSi₃N₄コンポーネントの数を総所有コストの削減、プロセス稼働時間の向上、製品品質の向上.
厦門huacijuli新材料有限公司総合範囲のchemical-grade Siを製造してからの₃N₄素子——標準指輪受容しやすかったボールとに封じられたcustom-engineeredを坩堝ノズル、、原子炉飲まない-精度は清浄信頼性化学工業要求があらゆる。
よくある質問(faq)
q1:なぜ窒化ケイ素が化学処理装置に使われるのですか?
Si₃N₄提供ほとんどの酸、アルカリ、溶融非鉄金属、有機溶剤に優れた耐性があります高い機械的強度(700 ~ 1000 mpa)、1400°cまでの熱安定性、優れた耐摩耗性を兼ね備えています。金属と比較して、腐食研磨サービスにおいて5 ~ 10倍の部品寿命を延長します。
Q2:化学工業の構成要素は何からできSi₃N₄?
鍵コンポーネントには機械的シール面、ポンプシャフトスリーブ、ベアリング、バルブボールとシート、熱交換器チューブ、るつぼ、熱電対保護管、スプレーノズル、フィルター膜、触媒支持グリッド、および耐腐食反応器ライニング.
Q3: Si₃はどうやってN₄ステンレス化学環境と比べると?
Si₃N₄劇的腐食環境で性能ステンレスである。316L SS苦しんでいるが、そんな裂けめ腐食、SCC塩化/酸性サービスSi₃N₄ほとんどのプロセス流体に対して化学的に不活性。Si₃N₄やって来なくが体重60%少なくとも5 ~ 10×も結合corrosive-abrasive寿命作成しました
q4:窒化ケイ素はどのような化学物質に抵抗できますか?
Si₃N₄抵抗HCl、HNO₃、希釈H₂これ₄H₃₄仮釈放係官NaOH /(穏健な)経済研究院の許融解アル・/クー/ Zn / Pb / Sn成分有機溶剤,蒸気、解決策の塩辛や海水など。socooh (>90%)と溶融アルカリ金属(na, k)は避けるべきである。
Q5:エスアイ₃の総所有コストの強みはN₄化学アプリケーション?
Si₃はN₄構成要素より高いイニシャルコストを持って金属の総所有コスト(tco)は通常40 ~ 70%低くなります5 ~ 10倍の長寿命により、予定外のシャットダウンを減らし、メンテナンス作業を削減し、腐食関連の製品汚染を排除します。大部分の植物報告切替と金属製の6-18ヵ月後の仕返しをSi₃N₄成分。
