서론:화학 처리에서의 부식 과제
세계 화학 가공 산업은 상상할 수 있는 가장 적대적인 환경 하에서 운영됩니다다다다다.장비 구성품은에 지속적으로 노출됩니다부식성 산, 가성 알칼리, 용융 금속, 고압 증기, 연마 슬러리 및 극단적인 온도 사이클링다.화학 공장에서 부식의 경제적 영향은 엄청나다-부식 비용은 전 세계적으로 초과될 것으로 추정된다$매년 2.5조전세계 GDP의 약 3-4%를 차지합니다.
스테인리스강, 하스텔로이, 티타늄 합금 등 전통적인 금속 소재는 오랫동안 화학 장비의 기본 선택이었지만 근본적인 한계가 따릅니다.금속은 본질적으로 영향을 받기 쉽다pitting corrosion, 틈부식, 응력부식균열, 갈바닉부식 등이 있다공격적인 화학 환경에서요.폴리머 라이닝과 코팅은 일시적인 보호를 제공하지만 상승된 온도에서 빠르게 저하됩니다.이로 인해 업계는보다 견고하고 화학적으로 비활성 대안을 모색하게 되었습니다.
실리콘 nitride (Si ₃ N ₄) 도자기화학 산업을 위한 혁신적인 소재 솔루션으로 부상했습니다.의 독특한 조합으로....... (중략범용에 가까운 화학적 비활성, 뛰어난 기계적 강도, 1400 ° C 까지의 열 안정성 및 뛰어난 마모 저항성, Si ₃ N ₄ 금속을 교체하는 것을 화학 처리 응용 프로그램의 범위 가 확대 되면서-펌프 밸브 바다표범과 구성 요소에서 crucibles에 이르기까지, 열교환기, 및 열전 대 보호 튜브다.이 종합적인 기술 가이드 탐구하는 모든 차원의 Si ₃ N ₄ '화학 산업에서 s 역할.
실리콘 Nitride (Si ₃ N ₄)-물질 기초 화학 응용 프로그램을
질화규소는 a비산화물 공유 세라믹 (non-oxide covalent ceramic의 화학 식을 가 진 Si ₃ N ₄ 입니다.크리스탈 구조로 이루어 져 있다 [죄 ₄] tetrahedra 짙은 3 차원 네트워크로 연결 되어 있고, 각 실리콘 원자 채권 covalently 4 각 질소 질소 원자와 원자 3 실리콘 원자 다리다.이 강하게 결합된 구조는 화학 무성의 근본적인 기원입니다-화학 약품이 공격할 수 있는 약한 평면이나 이온 결합이 없습니다.
화학 Inertness
대부분의 산, 알칼리, 용융 금속에 저항합니다
최대 서비스 온도.
최대 1400 ° C (2550°F)
휨 강도
700-1000 MPa
밀도
3.17-3.44 g/cm ³
주요 화학적 성질 (Key Chemical Properties)
HCl에 내성, HNO ₃, 그렇게 ₄ H ₂ 희석 시키고, H ₃ PO ₄
NaOH, KOH (적당한 농도/온도)에 저항성
Al, Cu, Zn, Pb, Sn 및 이들의 합금을 용융에 불활성
유기용제 및 탄화수소에 내성이 있습니다
뜨거운 농축 HF 또는 뜨거운 conc에 내성이 없습니다.그렇게 ₄ H ₂
키 기계 & 열 특성
파괴인성:6-8 MPa·m½(도자기 중에서 가장 높다)
비커스 경도:13-17 GPa
CTE:3. 2 × 10 ⁻ ⁶/° C (훌륭 한 열 충격 저항)
열전도도:20-30 W/m·K
마찰 계수가 낮은 자체 윤활
분자의 구조 Si ₃ N ₄-화학의 기초 Inertness
질화규소의 놀라운 화학적 저항성은 바로 원자 수준의 아키텍처에서 비롯됩니다.이온 결합이 화학 공격의 잠재적인 장소를 만드는 산화물 세라믹과는 달리, 그강한 공유결합 Si-N 결합 (결합에너지~335 kJ/mol)약한 평면, 분해되기 쉬운 곡물 경계상 또는 부식성 종이 침투할 수 있는 이온 경로가 없는 촘촘한 3차원 네트워크를 형성하십시오.이 분자 다이어 그램을 보여 준 사면 체게만 드는 네트워크 구조 Si ₃ N ₄ 사실상 대부분의 환경에서 화학 공격에 둔감하다
공유 결합 Si ₃ N ₄ 사면 체의 기원-화학 저항
왜 공유결합 = 내화학성인가
도자기에 이온 (알 ₂ O ₃처럼 또는 MgO), 정전기 채권을 북극에 의해 방해를 받고 용매, 할 수 있 산성 양성자, 또는 수산 이온.이와 대조적으로, 그공유 Si-N 결합전자를 공유에서 Si ₃ N ₄ 원자들 사이에 꽉 떠나을 공격하는 화학 종에 대한 노출 혐의 가 없습니다.이러한 결합을 깨려면 대부분의 화학 환경이 제공할 수 있는 것을 훨씬 초과하는 에너지가 필요합니다.
예외:불산 (HF)
뜨 거 운 로부터 간섭을 집중은 하나의 화학물질이 몇 가지 Si ₃ N ₄ 공격 할 수 있다.불소 이온 실리콘에 대한 예외적인 호감을 가지고, 불안을 형성시 프 ₄ 가스 Si-N 네트워크를 부수고 있다.Si ₃ N ₄에서 또한 피 할 수 있어야뜨 거 운 집중 그렇게 ₄ H ₂ (> 90%)그리고용융 알칼리 금속(Na, K), 이는 극한의 온도에서 질화규소를 감소시킬 수 있다.
Si ₃ N ₄ 화학 저항 스펙트럼
이해 할 수 있는 화학물질 Si ₃ N ₄를 정확히 그리고 저항 할 수 없는 화학 처리에 적절 한 자재 선정을 위해 필수 적이다.다음 도표의 포괄적인 시각적 개요을 제공 한 Si ₃ N ₄ '산업 가공 환경에서 마주치는 화학 물질의 주요 범주에 걸쳐 s 저항 프로파일.
Si ₃ N ₄ 화학 저항 스펙트럼 지도
확장된 지식-부식 메커니즘: Si ₃ N ₄이 수용액을 환경에 노출 되었을 때, 얇고 self-passivating시 오 ₂ 층 (~2-10 nm) 표면에 형성 한다.이 실리카 층은 추가적인 보호 장벽 역할을 하여 화학 공격을 더욱 억제합니다.대부분의 산성 환경에서이 패시브 층은 안정적이고 자가 치유됩니다.시 오 해산 할 수 있는 유일한 로부터 간섭을 ₂ 계층 (형성 ₄) 휘발성 프, 왜 있는 뜨 거 운 로부터 간섭은 기본 화학을 피하기 위해 집중 했다.
화학 가공용 실리콘 나이트라이드는 왜?
Si ₃ N ₄ 6 그것을 더 우월하게 만들어 중요 한 장점를 배달하는 금속, 폴리머, 도자기 및 기타 화학 처리 환경에서:
1
거의 보편적인 화학적 관성입니다
Si ₃ N ₄ 저항 끝 났어화학물질의 90% 가산업 가공에서 마주치는-대부분의 미네랄 산, 알칼리, 용융 금속, 유기 용매, 염 용액, 고압 증기 포함.따라서 금속 기반 장비를 괴롭히는 빈번한 소재 변경, 보호 코팅 또는 복잡한 합금 선택이 필요하지 않습니다.
2
고온 안정
고분자 유행성 감기 와는 달리 (~250 ° C)으로 제한 되고 많은 금속 (400 ° C) 위 힘을 잃는, Si ₃ N ₄ 유지까지 전체 기계 성능1400°C다.이는 다른 비금속 재료가 경쟁할 수 없는 고온 반응기, 용광로 부품, 용융 금속 취급 및 열 처리 장비에 필수적입니다.
3
열 충격 Resistance
화학 반응기 및 열교환기는 시동, 종료 및 배치 사이클링 중에 급격한 온도 변화를 자주 경험합니다.Si ₃ N ₄ 's 낮은 CTE (3. 2 × 10 ⁻ ⁶/° C) 제공과 온건 한 열전도 율열 충격 저항보다 우월 3-5 × 알 ₂ O ₃, 기존의 세라믹 선단을 파괴하는 치명적인 균열을 방지합니다.
4
마모 & 내마모성
많은 화학 과정들이 포함한다연마 슬러리, 촉매 입자 및 침식 흐름그것은 금속 표면을 빠르게 분해합니다.Si ₃ N ₄ '높은 경도 (HV 13-17 GPa), 낮은 마찰, 우수한 인성의 s 조합은 결합 된 내식성 마모에 뛰어난 내성을 제공합니다-금속 및 중합체가 빠르게 실패하는 고장 모드.
5
오염시키지 않는 & 고순도
의약품, 식품 등급 및 고순도 화학 제품 생산에서 장비 재료는 금속 이온이나 오염 물질을 공정 스트림에 침출해서는 안 됩니다.Si ₃ N ₄은화학적으로 비활성 및 비 침강, 민감한 응용 분야에서 제품 순도를 보장-Fe, Cr 및 Ni 이온을 방출 할 수있는 스테인레스 스틸과 달리.
6
연장 된 서비스 수명 & 더 낮은 TCO
반면 Si ₃ N ₄ 성분의 초기 비용보다 높은 금속,이총소유비용 (TCO)5-10× 더 긴 서비스 수명, 유지보수 중단 시간 감소, 교체 주기 감소, 부식 관련 제품 오염 제거로 인해 일반적으로 40-70% 더 낮습니다.많은 식물들이 6~18개월의 회수기간을 보고하고 있다.
화학 처리 장비에서 Si ₃ N ₄ 애플리케이션에
실리콘 나이라이드 세라믹 구성 요소는 화학 처리 공장의 사실상 모든 주요 장비 범주에 걸쳐 배치됩니다:
이처럼 기계 씰 & 펌프 구성 요소
메카니컬 실은 화학 펌프에서 가장 중요한 마모 구성 요소입니다.씰 페이스 실패는 다음과 같습니다#추정치를 나타내는 화학공장의 펌프 다운타임의 원인 1모든 펌프 유지 보수 비용의 40%.
Si ₃ N ₄ 구성 요소:씰면 (회전 링 및 고정 링), 샤프트 슬리브, 펌프 베어링, 임펠러 마모 링 및 도징 펌프 플런저.Si ₃ N ₄ 씰 얼굴에서 성공적으로 작동API 682 계획 준비HCl을 처리, 그렇게 ₄ H ₂ NaOH, 용매,고 서비스 연마 슬러리이다.자체 윤활 특성은 탄소/SiC 실 쌍을 신속하게 파괴하는 한계 윤활 조건-드라이-런 기능과 작동을 가능하게 합니다.서비스 수명은 일반적으로SiC/SiC보다 3-5× 길다내식성 연마 서비스를 쌍으로 연결합니다.
② 밸브 시트, 트림 & 유량 제어
부식성 서비스의 제어 밸브 및 격리 밸브는 공정 유체, 고속 흐름 및 캐비테이션 침식의 지속적인 공격에 직면합니다.
Si ₃ N ₄ 구성 요소:밸브 볼, 시트, 플러그, 트림 인서트 및 액추에이터 부싱.Si ₃ N ₄ 볼 밸브 및 표준 화학 식물에서 밸브는 지금 처리 공격적인 산이나 alkalis과이다.그 material's 낮은 마찰 계수는 압착 없이 원활한 밸브 작동을 보장합니다-부식성 서비스에서 금속 대 금속 밸브 트림으로 일반적인 고장 모드입니다.Si ₃ N ₄ 밸브 구성요소에 leak-tight 실링을지 켜100,000+ 작동 사이클.
다시 열 교환기 & 열 장비
화학 공장의 열교환기는 공정 및 공리측 유체로부터 부식에 저항하면서 효율적으로 열을 전달해야 합니다.
Si ₃ N ₄ 구성 요소:열교환기 튜브, 튜브 시트, 용광로 롤러, 킬른 가구, 버너 노즐, 및 난연 라이닝.Si ₃ N ₄ 's 적당한 열전도도 (20-30 W/m·K)는 금속이 어울릴 수 없는 부식 저항성을 제공하는 동시에 많은 열교환 응용 분야에 충분합니다.고온 용광로에서 (800-1400 ° C), Si ₃ N ₄ 기구와 선구 자는 유지 차원의 안정성을 수천 명의 뒤틀림이나 금이 가 없이 열 사이클다.
녹인 금속 ④ Crucibles, Ladles & 처리
주조 공장 및 야금 공장에는 오염이나 저하 없이 600~1600 ° C에서 용융 금속과의 접촉을 견딜 수 있는 용기와 공구가 필요합니다.
Si ₃ N ₄ 구성 요소:크루서블, 국자 라이닝, 부어넣기 노즐, 열전대 보호관, 저압 다이캐스팅용 라이저 튜브, 탈가스 로터, 담금질 히터.Si ₃ N ₄은용융된 알루미늄, 구리, 아연, 납 및 이들의 합금에 의하여 습윤하지 않은 것-용융된 금속이 세라믹 표면에 달라붙거나 반응하지 않는다는 의미.이를 통해 깨끗한 금속 이송을 보장하고 주물에 포함된 것을 방지하며 흑연 또는 기존의 난연 도가니에 비해 도가니 수명을 3-8× 연장합니다.
⑤ 열전 대 보호 튜브 &하 므로 계측
부식성 및 고온 화학 공정에서의 온도 측정에는 열전대 요소를 화학적 공격 및 기계적 손상으로부터 보호해 주는 보호 sheaths 가 필요합니다.
Si ₃ N ₄ 구성 요소:열전대 보호관, pH 전극체, 레벨 센서 프로브 및 분석 기기 구성품.Si ₃ N ₄ 열전 대까지 튜브 온도에서 지속적으로 작동 할 수 있부식성 분위기에서 1400°C-스테인레스 스틸 (부식성 서비스에서~600°C) 또는 인코넬 (~900°C)의 능력을 훨씬 초과합니다.그 material's 열 충격 저항으로 예열 없이 용융 금속에 직접 담금질 할 수 있습니다.
⑥ 촉매 지원, 필터 & 원자로 킨
화학 반응기는 공정의 화학적으로 가장 공격적인 영역에서 작동하는 촉매 베드, 필터 요소, 분배기 플레이트 등 내부 구성요소에 의존합니다.
Si ₃ N ₄ 구성 요소:촉매 지지 그리드, 필터 멤브레인 및 초 필터, 반응기 분배기 플레이트, 버블 캡, 스프레이 노즐 및 정적 믹서 요소.Si ₃ N ₄ 's 화학적 inertness는 촉매 지지 구조가 비싼 촉매와 상호 작용하지 않거나 독극물-제약 및 미세 화학 합성에 금속 지지체에 대한 중대한 문제를 보장합니다.다 공성 Si ₃ N ₄ 필터 요소 제공sub-micron 여과 기능폴리머와 금속 필터가 고장나는 뜨거운 부식성 가스 흐름에서.
Si ₃ N ₄ 구성 요소를 화학 펌프로 & 원자로 시스템
다음 단면도는 질화 실리콘 세라믹 구성 요소가 일반적인 것으로 어떻게 통합되는지를 보여줍니다화학 펌프 및 원자로 시스템-화학 처리 공장에서 가장 일반적인 장비 구성 중 하나입니다.각 라벨 위치 특정을나 타 낸 Si ₃ N을 활용하는 응용 프로그램 ₄ material's 부식 방지, 마모 방지, 및 열 안정성.
Si ₃ N ₄ 성분에 화학 처리 시스템
② 재순환 펌프 ② 재순환 펌프
Si ₃ N ₄ 씰 얼굴, 샤프트 소매,과 베어링 corrosion-driven 펌프 고장을 제거 합니다.결합 corrosive-abrasive SiC 바다표범 터 12 개월 있을 파괴하는 서비스 할 것을 일상적으로 3-5년 Si ₃ N ₄으로 실행 합니다.
④ 파이프라인 밸브
Si ₃ N ₄ 공/좌석 밸브 트림 부식 성 산성과 알칼리에 leak-tight아서 끄 서비스를 제공 합니다.압착 또는 갤링 없이 100,000+ 사이클 이상 밀봉 무결성을 유지합니다.
⑤ ⑥ ⑦ 원자로 킨
열전 대 튜브, 원자로 라이너, 그리고 분사 노즐 Si 저항 ₃ N ₄ 과정에서 작동 온도에서 화학물질, 측정 정확도 보호 및 선박 부식을 방지 할 수 있습니다.
⑨ 녹인 금속 ⑩ 처리
Si ₃ N ₄ 도가니 유행성 감기와 몰입 경관 탐침은 녹인 알에 non-wetted/Cu/Zn.도가니 수명은 3-8 × vs 흑연 연장.TC 프로브는 직접 담금질시 발생하는 열 충격에서 살아남습니다.
금속 물질 비교:Si ₃ N ₄ vs & 다른 도자기를 화학 서비스
다음 표는 화학 처리 장비에 일반적으로 사용되는 재료와 질화 규소를 비교합니다:
| 속성 | Si ₃ N ₄ | 316L SS | Hastelloy C-276 | 알 ₂ O ₃ | SiC | 도록 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 산성 저항 | 훌륭 한 ★ | 가난 한-좋은 | 좋은 | 좋은 | 좋은 | 훌륭 한 |
| 맥스 온도 | 1400 ° C ★ | 400°C | 450 ° C | 1200 ° C | 1600°C | 260 ° C |
| 골절 인성 | 6-8 ★ | - | - | 3-5 | 3-5 | - |
| 열 충격 | 훌륭 한 ★ | 좋은 | 좋은 | 적당 한 | Good | 가난 한 |
| 내마모성 | 훌륭 한 ★ | 가난 한 | 가난 한 | 훌륭 한 | 훌륭 한 | Poor |
| 밀도 (g/cm ³) | 3. 2-3.4 | 8. 0 | 8. 9 | 3. 9 | 3.2 | 2. ★ |
| 상대적 비용 | 높은 | 낮은 ★ | 매우 높은 | 적당 한 | 높은 | 낮은 ★ |
'무협 = 베스트'부문.Si ₃ N ₄은 동시에 모든 범주에 걸 쳐 우수 한 성능을 제공하는 유일한 물질이다.
키 통찰력: Si의 중요 한 이점 ₃ N ₄은 그것이고온 능력 (>1000°C), 범용에 가까운 내화학성, 뛰어난 파괴 인성, 우수한 내마모성을 결합한 소재만이 가능합니다하나의 패키지로.금속이 부식 환경에서 실패도록 실패, 높은 온도에서, 알 ₂ O ₃와 SiC은 부서 지기 쉬 운-하지만 Si ₃ N ₄ 결합에 성공 부식 성 + 고온 + 연마 + thermally-shocking 생존 조건 없는 기타 재료이다.
Si ₃을 지정 할 때 선택 가이드:N ₄ 화학 응용 프로그램을
선택 Si ₃ N ₄ 때:
공정유체는 다음과 같다부식성 산 + 연마성 입자(combined attack mode) (합체 공격 모드)
작동 온도 (Operating temperature) 초과부식성 환경에서 300°C(고분자/금속 능력 이상)
열 사이클 링빈번한가 (일괄반응기, 시동/종료주기)
구성품이에 접촉하고 있습니다용융된 비철금속
순도 제품요구 사항은 금속 이온 침출을 금지합니다
총 소유 비용 Total cost of ownership(다운타임 포함)은 초기 비용만이 아닌 평가 기준입니다
피하 Si ₃ N ₄ 때:
Process fluid는 포함뜨거운 농축 HF (불산)
과정뜨 거 운 집중 그렇게 ₄ H ₂ (> 90%, > 150 ° C)
환경에는용융 알칼리 금속(나, 크,리)
응용 프로그램이 필요flexible 또는 deformable입니다구성품 (개스킷, o-링)
서비스 조건은가 벼 운/부식 되그리고 표준 금속은 더 낮은 비용으로 적절한 성능을 발휘합니다
결론
질화규소 세라믹스는 a를 나타낸다재료 선택의 패러다임 전환 (paradigm shift화학 가공 산업을 위해서요.금속을 부식시 킬 곳 중 합 체, 녹이고 전통적인 도자기 균열 열 충격에서 Si ₃ N ₄ 제공 신뢰 할 수 있는, 오래 지속 되는 가장 공격적인 화학 노출의 조합에 걸 쳐 성능, 높은 온도, 찰과상, 및 열 사이클이다.
펌프에서 지난 5는 물개 × 종래의 옵션보다 더 오래,하면, 그것을 crucibles은 녹인 금속에 non-wetted 열전 대 튜브로 생존하는 직접적인 몰입 1400 ° C 녹-Si ₃ N ₄ 성분을 일관 되게 전달총 소유 비용을 낮추고, 프로세스 가동 시간을 단축하며, 제품 품질을 개선합니다.
샤먼 HUACIJULI 신소재 유한 회사.제조하는 포괄적인 chemical-grade Si ₃의 범위에서 N ₄ 성분-표준 씰 고리와 베어링 할 배짱 custom-engineered crucibles, 노즐,과 원자로 킨-정밀도, 순수함, 성과 신뢰성을 요구 화학 산업이다.
자주 묻는 질문 (FAQ)
Q1:실리콘 나이트라이드는 왜 화학 처리 장비에 사용됩니까?
Si ₃ N ₄ 제공대부분의 산, 알칼리, 용융 비철 금속 및 유기 용매에 대한 예외적인 저항성, 높은 기계적 강도 (700-1000 MPa), 최대 1400°C의 열 안정성 및 뛰어난 마모 저항성과 결합되었습니다.그것은 금속에 비해 내식성 연마제 서비스에서 5-10×만큼 부품 수명을 연장합니다.
질문:화학 산업 구성 요소는 무엇으로 만들어 졌 Si ₃ N ₄?
주요 구성 요소 include기계 실면, 펌프 샤프트 슬리브, 베어링, 밸브 볼 및 시트, 열교환기 튜브, 크루시블, 열전대 보호 튜브, 스프레이 노즐, 필터 멤브레인, 촉매 지지 그리드, 내식성 반응기 라이닝.
Q3:어떻게 Si ₃ N ₄ 스테인리스 화학적 환경에서을 비교 할까?
Si ₃ N 극적으로 ₄ outperforms 부식 환경에서 스테인리스 있습니다.316L SS 패인 자국을 앓고 있는 동안, 갈 라진 틈 부식, 그리고 염화/산성 서비스에 SCC, Si ₃ N ₄은화학적으로 대부분의 공정액에 불활성다.Si ₃ N ₄ 또한 무게 가 60% 덜하고 제공에 더 이상 사용 수명이 5-10 × corrosive-abrasive 애플리케이션을 결합시 켰다.
Q4:실리콘 질화물은 어떤 화학 물질이 저항할 수 있습니까?
Si ₃ N ₄ 저항HCl, HNO ₃, 그렇게 ₄ H ₂ 희석 시키고, H ₃, PO ₄ NaOH/고씨 (적당 한), 녹은 Al/Cu/Zn/Pb/Sn, 유기 용제, 소금과 솔루션, 바닷물, 증기다.피하:뜨 거 운 로부터 간섭을 집중, 뜨 거 운 집중 그렇게 ₄ H ₂ (> 90%),과 녹은 알칼리 금속이 (Na, K)이다.
우리:무엇은 소유권의 총 비용의 이점을 Si ₃ N ₄ 화학 응용 프로그램에서?
비록 Si ₃ N ₄ 성분 금속보다 더 높은 초기 비용을총소유비용 (TCO)은 일반적으로 40-70% 더 낮습니다5-10× 더 긴 서비스 수명, 계획되지 않은 셧다운 감소, 유지 보수 노동력 감소, 부식 관련 제품 오염 제거로 인해.대부분의 식물은 보고서 6-18 개월 이내에 보복을 한 금속을 Si ₃ N ₄ 구성 품에서로 전환 했다.
