가혹한 환경에 적용할 수 있는 고급 세라믹 소재

공식적인 서비스 정의가 없습니다. 밸브 교체 비용이 많이 든다거나 처리 능력이 떨어지는 작업 조건을 의미한다고 볼 수 있습니다. 가혹한 서비스 조건과 관련된 모든 부문의 수익성을 향상시키기 위해 프로세스 생산 비용을 줄여야 하는 전 세계적 요구가 있습니다. 여기에는 석유 및 가스, 석유화학에서부터 원자력 및 발전, 광물 처리 및 광업에 이르기까지 다양합니다. 디자이너와 엔지니어는 다양한 방법으로 이 목표를 달성하려고 노력하고 있습니다. 가장 적절한 방법은 프로세스 매개변수(예: 효과적인 종료 및 최적화된 흐름 제어)를 효과적으로 제어하여 가동 시간과 효율성을 높이는 것입니다. 교체 횟수를 줄이면 더 안전한 생산 환경을 구축할 수 있으므로 안전 최적화도 중요한 역할을 합니다. 또한 회사는 장비(펌프 및 밸브 포함) 재고와 필요한 폐기를 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 동시에 시설 소유자는 자산의 막대한 회전율을 기대합니다. 따라서 처리 용량이 증가하면 동일한 제품 스트림에 대해 더 적은 수의(그러나 더 큰 직경) 파이프 및 장비와 더 적은 수의 기기가 사용됩니다. 이는 더 넓은 파이프 직경을 위해 더 큰 개별 시스템 구성 요소를 사용해야 하는 것 외에도 서비스 중 유지 관리 및 교체 요구 사항을 줄이기 위해 가혹한 환경에 장기간 노출을 견뎌야 함을 보여줍니다. 밸브 및 밸브 볼을 포함한 구성 요소는 원하는 응용 분야에 맞게 견고해야 하지만 수명을 연장할 수도 있습니다. 그러나 대부분의 응용 분야에서 가장 큰 문제는 금속 부품이 성능 한계에 도달했다는 것입니다. 이는 설계자가 까다로운 응용 분야, 특히 세라믹 재료에서 비금속 재료에 대한 대안을 찾을 수 있음을 나타냅니다. 열악한 조건에서 부품을 작동하는 데 필요한 일반적인 매개변수에는 열 충격 저항, 내식성, 피로 저항, 경도, 강도 및 인성이 포함됩니다. 탄력성이 떨어지는 구성 요소는 치명적인 오류를 일으킬 수 있으므로 탄력성은 핵심 매개 변수입니다. 세라믹 재료의 인성은 균열 전파에 대한 저항성으로 정의됩니다. 어떤 경우에는 압입법을 이용하여 측정하여 인위적으로 높은 값을 얻을 수도 있다. 단면 절개빔을 사용하면 정확한 측정 결과를 얻을 수 있습니다. 강도는 인성과 관련이 있지만 응력이 가해질 때 재료가 치명적으로 손상되는 단일 지점을 나타냅니다. 이는 일반적으로 "파단 계수"라고 하며 테스트 막대의 3점 또는 4점 굽힘 강도를 측정하여 얻습니다. 3점 테스트의 값은 4점 테스트의 값보다 1% 더 높습니다. 로크웰 경도계, 비커스 경도계 등 다양한 스케일을 사용하여 경도를 측정할 수 있지만, 비커스 마이크로 경도 스케일은 고급 세라믹 재료에 매우 적합합니다. 재료의 내마모성에 비례하여 경도가 변합니다. 순환 방식으로 작동하는 밸브에서는 밸브가 계속해서 열리고 닫히므로 피로가 주요 관심사입니다. 피로는 힘의 한계점입니다. 이 임계값을 초과하면 재료가 정상적인 굽힘 강도 미만으로 파손되는 경향이 있습니다. 내부식성은 작동 환경과 재료가 포함된 매체에 따라 달라집니다. "열수 분해" 외에도 많은 고급 세라믹 재료는 이 분야에서 금속보다 우수하며 특정 지르코니아 기반 재료는 고온 증기에 노출된 후 "열수 분해"를 겪습니다. 부품의 형상, 열팽창 계수, 열 전도성, 인성 및 강도는 열충격의 영향을 받습니다. 이 영역은 높은 열 전도성과 인성을 제공하므로 금속 구성 요소가 효과적으로 기능할 수 있습니다. 그러나 세라믹 소재의 발전으로 이제 허용 가능한 수준의 열 충격 저항이 제공됩니다. 고급 세라믹은 수년 동안 사용되어 왔으며 고성능과 높은 가치를 요구하는 신뢰성 엔지니어, 플랜트 엔지니어 및 밸브 설계자에게 인기가 있습니다. 특정 적용 요구 사항에 따라 다양한 산업 분야의 다양한 제형에 적합합니다. 그러나 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 알루미나 및 지르코니아를 포함한 4가지 고급 세라믹은 밸브의 엄격한 유지 관리 분야에서 매우 중요합니다. 밸브 및 밸브 볼의 재질은 특정 적용 요구 사항에 따라 선택됩니다. 밸브는 강철과 동일한 열팽창 계수와 강성을 갖는 두 가지 주요 형태의 지르코니아를 사용합니다. 산화마그네슘 부분적으로 안정화된 지르코니아(Mg-PSZ)는 열충격 저항성과 인성이 가장 높은 반면, 이트리아 정방정 지르코니아 다결정(Y-TZP)은 더 단단하지만 열수 분해에 취약합니다. 질화규소(Si3N4)는 조성이 다릅니다. GPPSN(가스 압력 소결 실리콘 질화물)은 밸브 및 밸브 부품에 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다. 평균 인성 ​​외에도 높은 경도와 강도, 우수한 열 충격 저항 및 열 안정성을 갖추고 있습니다. 또한, 고온 증기 환경에서 Si3N4는 열수 분해를 방지하기 위해 지르코니아를 대체할 수 있습니다. 예산이 더 엄격할수록 농축기는 SiC 또는 알루미나 중에서 선택할 수 있습니다. 두 재료 모두 경도가 높지만 지르코니아나 질화규소보다 단단하지는 않습니다. 이는 이 소재가 더 높은 응력을 받는 밸브 볼이나 디스크보다는 밸브 라이너 및 밸브 시트와 같은 정적 부품 응용 분야에 매우 적합하다는 것을 보여줍니다. 까다로운 밸브 응용 분야에 사용되는 금속 재료(크롬철(CrFe), 텅스텐 카바이드, 하스텔로이 및 Stellite 포함)에 비해 고급 세라믹 재료는 인성이 낮고 강도는 비슷합니다. 까다로운 서비스 응용 분야에는 버터플라이 밸브, 트러니언, 플로팅 볼 밸브 및 스프링과 같은 로터리 밸브의 사용이 포함됩니다. 이러한 응용 분야에서 Si3N4와 지르코니아는 열충격 저항성, 인성 및 강도를 가지며 가장 까다로운 환경에 적응할 수 있습니다. 재료의 경도와 내식성으로 인해 부품의 수명은 금속 부품의 수명보다 몇 배나 깁니다. 다른 이점으로는 특히 차단 및 제어 기능이 유지되는 영역에서 밸브 수명 동안의 성능 특성이 있습니다. 이는 65mm(2.6인치) 밸브 kynar/RTFE 볼과 라이너가 98% 황산과 일메나이트에 노출된 경우에 입증되었으며, 일메나이트는 티타늄 산화물 안료로 전환됩니다. 미디어의 부식성 특성으로 인해 이러한 구성 요소의 수명은 최대 6주까지 지속될 수 있습니다. 그러나 Nilcra™에서 제조한 구형 밸브 트림(독점 산화마그네슘 부분 안정화 지르코니아(Mg-PSZ))(그림 1)을 사용하면 경도와 내식성이 뛰어나며 3년 동안 제공되었습니다. 눈에 띄는 마모 없이 간헐적으로 서비스됩니다. 선형 밸브(앵글 밸브, 스로틀 밸브 또는 글로브 밸브 포함)에서는 이러한 제품의 "하드 시트" 특성으로 인해 지르코니아 및 질화규소가 밸브 플러그와 밸브 시트 모두에 적합합니다. 마찬가지로, 알루미나는 특정 라이닝과 케이지에 사용될 수 있습니다. 시트 링의 일치하는 볼을 통해 높은 수준의 밀봉이 달성될 수 있습니다. 스풀 밸브, 입구 및 출구 또는 밸브 본체 부싱을 포함한 밸브 코어의 경우 응용 요구 사항에 따라 4가지 주요 세라믹 재료 중 하나를 사용할 수 있습니다. 재료의 높은 경도와 내식성은 제품 성능과 서비스 수명 측면에서 유리한 것으로 입증되었습니다. 호주 보크사이트 정유소에서 사용되는 DN150 버터플라이 밸브를 예로 들어 보겠습니다. 매체의 높은 실리카 함량은 밸브 부싱의 마모 수준을 높입니다. 처음에 사용된 라이너와 밸브 디스크는 28% CrFe 합금으로 제작되었으며 수명은 8~10주에 불과했습니다. 그러나 Nilcra™ 지르코니아(그림 2)로 제작된 밸브의 도입으로 사용 수명이 70주로 늘어났습니다. 인성과 강도로 인해 세라믹은 대부분의 밸브 응용 분야에서 잘 작동합니다. 그러나 밸브의 수명을 연장하는 데 도움이 되는 것은 경도와 내식성입니다. 결과적으로 이는 교체 부품의 가동 중지 시간 감소, 운전 자본 및 재고 감소, 수동 처리 최소화, 누출 감소를 통한 안전성 향상을 통해 전체 수명 주기 비용을 절감합니다. 오랫동안 고압 밸브에 세라믹 재료를 적용하는 것이 주요 관심사 중 하나였습니다. 왜냐하면 이러한 밸브는 높은 축방향 또는 비틀림 하중을 받기 때문입니다. 그러나 이 분야의 주요 업체들은 작동 토크의 생존성을 향상시키는 밸브 볼 설계를 개발하고 있습니다. 또 다른 주요 제한 사항은 크기입니다. 마그네시아 부분 안정화 지르코니아로 생산된 가장 큰 밸브 시트와 가장 큰 밸브 볼(그림 3)의 크기는 각각 DN500과 DN250입니다. 그러나 대부분의 현재 지정자는 치수가 이러한 치수를 초과하지 않는 부품을 만들기 위해 세라믹을 사용하는 것을 선호합니다. 이제 세라믹 재료가 적합한 선택임이 입증되었지만 성능을 극대화하기 위해 따라야 할 몇 가지 간단한 지침이 여전히 있습니다. 세라믹 소재는 비용 절감이 필요한 경우에만 먼저 사용해야 합니다. 내부와 외부 모두 날카로운 모서리와 응력 집중을 피해야 합니다. 잠재적인 열팽창 불일치는 설계 단계에서 고려해야 합니다. 후프 응력을 줄이기 위해서는 세라믹을 내부가 아닌 외부에 유지하는 것이 필요합니다. 마지막으로, 기하학적 공차 및 표면 마감의 필요성을 신중하게 고려해야 합니다. 이러한 공차로 인해 불필요한 비용이 크게 증가할 수 있기 때문입니다. 프로젝트 초기부터 자재 선택 및 공급업체와의 조정에 있어 이러한 지침과 모범 사례를 따르면 각각의 까다로운 서비스 애플리케이션에 이상적인 솔루션을 얻을 수 있습니다. 이 정보는 Morgan Advanced Materials에서 제공한 자료를 통해 획득, 검토 및 조정되었습니다. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. (2019년 11월 28일) 심각한 서비스 응용 분야에 적합한 고급 세라믹 소재입니다. 아조엠. 2021년 5월 26일 https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305에서 검색함. Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "심각한 서비스 응용 분야를 위한 고급 세라믹 재료". 아조엠. 2021년 5월 26일 . Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. "심각한 서비스 응용 분야를 위한 고급 세라믹 재료". 아조엠. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12305. (2021년 5월 26일에 액세스함). Morgan Advanced Materials-Technical Ceramics. 2019. 심각한 서비스 응용 분야에 적합한 고급 세라믹 소재. AZoM, 2021년 5월 26일에 확인됨, https://www.azom.com/article.aspx? ArticleID = 12305. AZoM은 워싱턴 주립 대학의 Arda Gozen, George 및 Joan Berry 부교수와 대화를 나눴습니다. Arda는 인간 조직의 특성을 모방하여 공학적 조직의 지지체를 만드는 데 전념하는 여러 기관으로 구성된 팀의 일원입니다. 이번 인터뷰에서 AZoM은 Thermo Fisher Scientific의 Tim Nunney 박사 및 Adam Bushell 박사와 Nexsa G2 표면 분석 시스템에 대해 이야기를 나눴습니다. 이번 인터뷰에서 AZoM과 Nanalytic의 응용화학 책임자인 Juan Araneda 박사는 NMR의 사용 및 유용성이 증가하고 리튬 침전물 분석을 돕는 방법에 대해 이야기했습니다. Leco의 GDS850 글로우 방전 분광계는 다양한 야금 재료를 분석하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 재료의 정량적 깊이 프로파일링을 제공합니다. 범위는 120-800nm이며 다용도입니다. Hardinge® T 시리즈 터닝 센터와 SUPER-PRECISION® T 시리즈 터닝 센터는 초정밀 및 하드 터닝 응용 분야에서 시장 선두주자로 인정받고 있습니다. 우리는 귀하의 경험을 향상시키기 위해 쿠키를 사용합니다. 이 웹사이트를 계속 탐색하면 귀하는 당사의 쿠키 사용에 동의하게 됩니다. 추가 정보.