Resistência de SiC e tubo de nitreto de silício integrados para banho em alumínio fundido

Resistência de SiC e tubo de nitreto de silício integrados para banho em alumínio fundido

Fig. 1. Tubos de proteção de resistência de nitreto de silício

Este artigo descreve um resistência de carbeto de silício (SiC) combinado com um tubo de proteção de nitreto de silício, como um único aparelho para o aquecimento de alumínio fundido. A Tokai Konetsu Kogyo Co., Ltd. (TKK) do Japão tem fabricado e vendido elementos de aquecimento de SiC desde 1936, de forma que tem um grande corpo de conhecimento e experiência em resistências para muitas aplicações

O nitreto de silício é geralmente usado para o tubo de proteção do elemento de aquecimento devido às suas características superiores de resistência ao calor e a corrosão. A TKK tem fabricado tubos de proteção de nitreto de silício (Si3N4) desde 2006. Os populares aquecedores por imersão para o banho de alumínio fundido são comumente construídos com um elemento de aquecimento e tubo de proteção emparelhados. A TKK fabrica estes dois produtos e tem comercializado a unidade combinada para o mercado em geral.

Unidade de Aquecimento de Imersão para Aplicações de Alumínio Fundido

O nitreto de silício é um material que tem muitas características excelentes, tais como alta resistência, elevada resistência mecânica à fratura, alta capacidade de isolamento elétrico e boa condutividade térmica.

Ele é amplamente usado em muitas áreas da indústria, mas especialmente para o processamento de alumínio. As aplicações mais comuns são o uso em forma de tubos de proteção para termopares em fusão, manutenção e fundição de baixa pressão, tubos de proteção para elementos de aquecimento e como tubos para risers. A Fig. 2 mostra os principais componentes e produtos utilizados no banho de alumínio fundido.

As Fig. 1 e 3 mostram produtos de tubos de nitreto de silício da nossa empresa para essas aplicações. O tamanho dos produtos varia de pequeno a grande, mas as dimensões típicas são de 20 a 150 mm (0,8 a 6,0 polegadas) de diâmetro e até 1200 mm (47,25 polegadas) de comprimento para itens de alta procura.

O gás natural e a eletricidade são fontes de calor comuns para a operação de fundição de alumínio. A queima de gás tem uma vantagem em seu custo de operação, mas a eletricidade oferece menos emissões para um ambiente de fábrica limpo. Para o aquecimento elétrico, metal e SiC são os dois principais materiais utilizados como fonte de calor. Como mencionado anteriormente, a TKK tem sido um dos principais fabricantes de elementos de aquecimento de SiC por muitos anos. Com este passado, foi natural para nós desenvolver a unidade combinada de um tubo externo de nitreto de silício e uma resistência interna de SiC.

Um benefício para o usuário do aparelho combinado é que a compra de dois produtos diferentes – tubo de nitreto de silício e a resistência de SiC – de diferentes fabricantes não é mais necessária. Com esta unidade aquecedora de imersão, a aquisição pelos usuários será muito mais simples e menos problemática. Outra vantagem é a eficiência dos seus recursos técnicos. Estes produtos de dois componentes – um tubo de proteção e um elemento de aquecimento – exigem especificações precisas para serem combinados entre si para uso na faixa de temperatura pretendida.

Os parâmetros, tais como a folga entre os dois materiais e a tolerância dimensional necessária para acomodar a expansão térmica, são concebidos para a unidade combinada. A unidade pode ser controlada de forma eficiente a uma temperatura exata no banho de alumínio fundido, devido ao grande aquecimento por efeito Joule e consequente elevada produção de calor do SiC.

Além disso, o design compacto desta unidade faz com que seja de fácil manuseio. Ele utiliza uma fonte de alimentação de 200 V e pode ser protegido de sobrecarga com um termopar embutido. Esta unidade combinada não irá restringir a flexibilidade de design dos seus equipamentos, porque nós podemos produzir unidades especificadas sob encomenda. Por exemplo, nós podemos fornecer uma unidade combinada com design personalizado para necessidades elétrica e de espaço específicas que os clientes podem encontrar em seus equipamentos.

A Fig. 4 é um exemplo de montagem customizada de uma unidade combinada que precisava ter um comprimento da zona quente de 500 mm (19,7 polegadas), tensão de entrada de 230 V e uma potência de saída de 18 kW. Neste caso, o espaçador para manter o elemento de aquecimento junto ao tubo de proteção foi feito com o nitreto de silício, o que assegura a integridade mecânica da unidade combinada através da gama de temperaturas.

Outra aplicação da mulita porosa na indústria de não ferrosos é como tubos de proteção dos elementos de aquecimento da fundição de alumínio, que protegem os elementos de aquecimento de respingos de alumínio. Esses tubos têm a resistência ao choque térmico adequada, e não reagem com os elementos de aquecimento.

Abordagem Técnica sobre a Unidade de Aquecimento de Imersão

Para efetivamente fornecer energia suficiente para todo o banho de alumínio fundido, é necessário muitas vezes um aquecedor de alta potência. Para utilizar uma potência de entrada tão alta, no entanto, ambos os componentes precisam ser projetados para suportar calor e densidade de potência. Para fabricar um sistema de aquecimento eficiente como esse, é necessário compreender o mecanismo de transferência de calor no banho.

Para este mecanismo de transferência de calor, como mostrado nas Fig. 5 e 6, a energia irá mover-se do elemento de aquecimento, com o calor produzido nele por efeito Joule, para a parede interior do tubo de proteção, em seguida, para a parede exterior do tubo, em seguida, para o alumínio fundido e, finalmente, para as paredes do forno de fusão.

Este fluxo de calor consiste de radiação, convecção e condução térmicas em série. É difícil calcular o valor exato da energia necessária por meio de cálculos simples. A TKK abordou este problema de concepção, medindo as temperaturas em elementos de aquecimento no interior e no exterior dos tubos de proteção e no banho de alumínio fundido para diferentes unidades de aquecimento de saída e diferentes projetos de aquecedores. A Fig. 7 mostra as temperaturas de tais pontos de medição. Como você pode ver, a temperatura da resistência sobe com maiores potências de saída, mas as temperaturas do tubo de proteção permanecem em um valor constante. Isto é porque a condutividade térmica relativamente alta do tubo de nitreto de silício rapidamente transfere o calor do elemento de SiC para o alumínio fundido, o qual, em seguida, transfere o calor por convecção por todo o banho.

Uma vez que a temperatura do alumínio fundido permanece constante, os elementos com maiores potências de entrada resultarão numa mais rápida transferência de calor e em uma temperatura mais estável do alumínio, já que as correntes convectivas recirculam o alumínio mais frio das paredes frias do forno. Por razões de esclarecimento, a condutividade de calor do ar é de 0,024 W/cm2, do alumínio é de 237 W/cm2 e do nosso tubo de proteção de nitreto de silício é de 40 W/cm2. Pode-se dizer a partir desta observação que o sistema de imersão é um método eficiente para introduzir energia no banho.

A Fig. 8 mostra a temperatura da superfície da resistência por densidade de Watt, em que a temperatura do aquecedor pode ir tão alto quanto 1450°C. Os elementos de metal não podem alcançar uma temperatura de superfície tão elevada, devido às limitações de oxidação e fusão. Isto significa que a transferência de calor de um elemento de SiC para o banho de alumínio pode ser muito mais rápida e, portanto, mais eficiente do que a de um elemento de metal.

Resumo

Os dados técnicos apresentados neste artigo são uma pequena parte de nosso corpo de conhecimento. A TKK se esforça continuamente para produzir aquecedores combinados e tubos de proteção melhores, mais duradouros e mais eficientes, por meio de estudos práticos de nossos materiais e de seus processos.

Para mais informações, contate Toshio Nakai, Tokai Carbon EUA, +1-503-640-2039; tnakai@tokaicarbon.com; www.eremaproducts.com.

 

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