Vantagens de metais refratários para componentes de aquecimento de fornos

Vantagens de metais refratários para componentes de aquecimento de fornos

O termo “metais refratários” é normalmente aplicado a metais que possuem ponto de fusão acima de 2000ºC. Metais refratários são amplamente utilizados na construção e no projeto de componentes para fornos de elevadas temperaturas

Os principais metais refratários são o Tungstênio (W); Molibdênio (Mo); ligas de Molibdênio-Lantânio (MoLa) com 0,3%, 0,6%, ou 1,1% de La2O3 (porcentagem em massa); ligas de Molibdênio (TZM) com 0,5% Ti e 0,08% Zr; Tântalo (Ta) e Nióbio (Nb). Um dos componentes mais importantes para fornos de elevada temperatura é o elemento de aquecimento (Fig. 1). Para encontrar um material adequado para esses componentes e seu formato de projeto, os engenheiros necessitam seguir algum critério padrão, incluindo:

A – O tipo de processo a temperatura de trabalho versus a atmosfera versus o produto de tratamento térmico;

B – A capacidade de aquecimento considerando toda a perda de calor tanto como a taxa de aquecimento;

C – Parâmetros geométricos de elementos de aquecimento, tais como largura, comprimento e espessura para aquecedores do tipo tira metálica, diâmetro interno para elementos como hastes; diâmetro interno e externo no caso de elementos tubulares diâmetro do fio, diâmetro do mandril, número de bobinas paralelas, passo da bobina e a razão da superfície total na área frontal para elementos de malha;

D – Tipo de conexão elétrica (por exemplo, transformadores do tipo estrela, delta ou Scott);

E – Parâmetros específicos elétricos, físicos e de resistência os quais pertencem aos seguintes critérios:

i. Radiação da superfície (W/cm2) em temperatura de trabalho;

ii. Emissividade na temperatura de trabalho;

iii. Resistividade (Ohm mm2/m) na temperatura de trabalho – para cálculo de resistência substituta (Ohm) para completo controle de zona de aquecimento, tamanho e tensão secundária do transformador (tensão, kW) e finalmente corrente nos amplificadores de alimentação (amperagem-corrente);

iv. Propriedades mecânicas como módulo de elasticidades (Fig. 2), coeficiente de expansão linear (Fig. 3) e máxima resistência à tração.

 

Metais Refratários da H.C. Starck

Ao escolher um metal refratário para uma aplicação em fornos, devem ser consideradas as condições de operação e as propriedades do produto que será processado. A Tabela 1 mostra a compatibilidade dos metais refratários mais usados com atmosfera do forno, e a Tabela 2 mostra a compatibilidade com os refratários comuns.

Metais refratários como o Tungstênio (W); Molibdênio (Mo); ligas de Molibdênio-Lantânio (MoLa) com 0,3%, 0,6%, ou 1,1% de La2O3 (porcentagem em massa); ligas de Molibdênio (TZM) com 0,5% Ti e 0,08% Zr são as “melhores escolhas” para processos metalúrgicos e para produção de peças que devem terminar brilhantes e limpas. Esses processos sensíveis incluem soldagem por difusão, brasagem de alumínio, recozimento, alívio de tensão, desgaseificação e limpeza, brasagem a vácuo e com gás protetor, sinterização e os processos de moldagem de pós metálicos por injeção (Processo MIM) em fornos contínuos e de batelada.

Metais refratários projetados especificamente para tratamento térmico são materiais como as superligas (por exemplo, titânio, Rene-80 superliga à base de níquel, Hastelloy e tungstênio). Elementos de aquecimento feitos de metais refratários devem respeitar os padrões Classe 1 AMS 2750E com faixa de uniformidade de temperatura entre +/- 2.8°C comparado com componentes de aquecimento de grafite. Os elementos de grafite não são recomendados para uso acima de 1315-1482°C. A máxima taxa de rampa para temperaturas abaixo de 1315°C para componentes de grafite é 7,2°C/minuto. Fornos com aquecedores de grafite são definidos pelos padrões Classe 2 da AMS 2750E.

 

Ligas de Molibdênio – Lantânio (MoLa)

Ligas MoLa com 0,3%, 0.6% ou 1,1% de La2O3 (porcentagem em massa) são as ligas com um tipo de tensão de dispersão de óxido (ODS) contendo molibdênio com um arranjo muito fino de partículas de trióxido de lantânio. Essa combinação cria características extraordinárias do MoLa, as quais demonstram resistência para recristalização e elevada temperatura de empenamento.

Ligas MoLa possuem uma microestrutura estável acima de 2000°C. Para componentes de fornos como elementos de aquecimento, estas ligas são as melhores escolhas para faixa de ajuste de 1350-1600°C. A temperatura das resistências possui um ponto de ajuste muito mais elevado. A temperatura aproximada do elemento de aquecimento pode ser calculada utilizando a fórmula abaixo.

 

 

Onde Te é a temperatura do elemento de aquecimento em °C, Tf é a temperatura de ajuste do forno em °C, Rfs é a radiação da superfície em W/in2 e Em é a emissividade.

A radiação da superfície (W/cm2) para metais refratários cresce linearmente (por exemplo, 3,86-116,7 W/cm2 de 1127-2527°C). Para cálculos de engenharia, valores de radiação (Rfs) comumente assumidos são 3,86 W/cm2 a 1127°C, 8,7 W/cm2 a 2527°C e 30,3 W/cm2 a 1827°C. Emissividade média e parâmetros de resistividade para o molibdênio, ligas de molibdênio e tungstênio (não oxidado) estão resumidas na Tabela 3 e na Fig. 4.

O “melhor valor” da liga MoLa é o que contém 0,6% de lantânio. Isso exibe a melhor combinação geral de propriedades. Ligas MoLa com baixo lantânio (0,3%) é um substituto equivalente para Mo puro na faixa de temperatura 1100-1900°C. As vantagens de ligas MoLa com alto lantânio são superior resistência a fluência, são apenas realizadas se o material está previamente recristalizado para uso a elevadas temperaturas. De 1100°C a tensão de fluência em 1000 horas decresce de aproximadamente 26 Ksi (1,8 x 105 Pa) para aproximadamente 1,45 Ksi (103 Pa) a 1800°C.

 

Liga Titânio-Zircônio-Molibdênio (TZM)

TZM é uma liga estabilizada de molibdênio (0,50% de Ti, 0,08% de Zr e Mo balanceado), na qual é consolidada tanto pela metalurgia do pó ou processos de fundição a arco a vácuo. Proporciona excelente desempenho em aplicações que exigem resistência a alta tensão e resistência a fluência em elevadas temperaturas.

TZM também permite temperaturas de trabalho ainda maiores sem esferoidização ou weakening. Para aplicações em fornos como elementos de aquecimento TZM é o mais adequado para faixa de ajuste do forno de 1150°C a 1350°C se o processo puder aceitar componentes de Ti e Zr. De 1350°C, a tensão de fluência em 1000 horas decresce de aproximadamente 3 Ksi (2x 104 Pa) a 0,5 Ksi (3,4x 103 Pa) a 1450°C. Para 1150°C, a tensão de fluência em 1000 horas é aproximadamente 4,4 Ksi (3x 104 Pa).

 

Conclusão

Os dados disponíveis pelo comportamento mecânico do molibdênio e tungstênio são críticos para a correta seleção de material e tipo dos elementos de aquecimento. Muitas conclusões importantes foram alcançadas como resultado deste estudo breve. O mais importante é que há suficientes  dados de engenharia disponíveis para o projeto de sistemas complexos de aquecimento utilizando metais refratários.

Engenheiros podem descobrir que cada material revisado possui determinadas propriedades que podem torná-lo desejável para aplicações específicas. Molibdênio e tungstênio possuem baixos coeficientes de expansão térmica, excelente condutividade térmica (Fig. 5), compatibilidade química com uma variedade de meios e um alto módulo de elasticidade. Isso significa que metais refratários podem ser usados em um amplo espectro de aplicações de fornos metalúrgicos e são ideais para elementos de aquecimento para processos precisos.

Componentes de aquecimento podem ser construídos de metais não refratários em uma variedade de estilos. A geometria dos elementos de aquecimento é muito frequente devido a soluções patenteadas do passado- particularmente, maneiras de conectar componentes de aquecimento neles mesmos e não de limitações tecnológicas.

Engenheiros devem ser sempre cuidadosos ao projetar sistemas de componentes de aquecimento com materiais não refratários. Metais refratários não possuem as mesmas limitações, o que é uma das mais importantes vantagens. Para criar uma plataforma de discussão quase comparativa, é necessário comparar características dos parâmetros principais dos metais refratários versus metais não refratários usados para elementos de aquecimento em fornos de tratamento térmico.

Para mais informações: Greg Matula, Msc. Dipl-Ing, Engenheiro de aplicação, H.C. Starck Fabricated Products Division, 21801, Rodovia Tungstênio, Euclid, Ohio – EUA; Tel: +1 +49 151/14794604; fax: +1 216 692 0031; e-mail: grzegorz.matula@hcstarck.com; web: www.hcstarck.com.

 

Greg Matula
Greg Matula
Msc. Dipl-Ing, Engenheiro de aplicação, H.C. Starck Fabricated Products Division, 21801, Rodovia Tungstênio, Euclid, Ohio - EUA; Tel: +1 +49 151/14794604; fax: +1 216 692 0031; e-mail: grzegorz.matula@hcstarck.com; web: www.hcstarck.com.

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