Contenido:
Vida útil y temperatura máxima admisible
Atmósferas de horno
Material de soporte cerámico
Compuestos de incrustación
VIDA ÚTIL Y TEMPERATURA MÁXIMA ADMISIBLE
Cuando se calientan, las aleaciones de calentamiento por resistencia forman una capa de óxido en su superficie, que ayuda a prevenir una mayor oxidación del material. Para que esta función protectora sea efectiva, la capa de óxido debe ser densa para resistir la difusión de gases, delgada para evitar añadir volumen y adherirse firmemente al metal incluso con fluctuaciones de temperatura.
La capa de óxido de aluminio que se forma en las aleaciones Kanthal® sobresale en estas cualidades cuando se compara con el óxido formado en las aleaciones Nikrothal®, lo que contribuye a una vida útil más prolongada de los elementos de calentamiento Kanthal®.
En el siguiente diagrama se ilustra la vida útil comparativa del elemento.
En este capítulo se ofrece orientación general sobre cómo maximizar la vida útil de los elementos de calentamiento.
Usar aleaciones Kanthal®
Los elementos de calentamiento fabricados con aleaciones Kanthal® pueden durar hasta cuatro veces más que los fabricados con materiales de níquel-cromo. Esta ventaja se hace más importante a temperaturas de funcionamiento más altas.
Evite las fluctuaciones de temperatura
Las fluctuaciones rápidas de temperatura pueden reducir la vida útil de los elementos calefactores. Para minimizar este efecto, se recomienda utilizar equipos de control eléctrico que mantengan una temperatura estable, como los tiristores, que proporcionan un control suave y continuo.
Elegir material grueso
El grosor del material del elemento afecta directamente su vida útil. A medida que aumenta el diámetro del alambre, hay más material de aleación disponible por unidad de superficie para formar una capa de óxido protectora, lo que da como resultado una mayor vida útil del elemento a una temperatura determinada. En consecuencia, los cables más gruesos ofrecen una vida útil más larga que los más delgados. De manera similar, en el caso de los elementos de tira, aumentar el espesor mejora su durabilidad. Como pauta general, se recomienda un diámetro de cable mínimo de 3 mm y un espesor de tira de 2 mm para maximizar la vida útil del elemento.
Ajustar la temperatura del elemento a la atmósfera del horno
La siguiente tabla muestra las atmósferas de hornos más comunes y su impacto en la temperatura máxima de funcionamiento de los elementos de calentamiento. Nikrothal® no debe utilizarse en hornos con una atmósfera de gas protector que contenga CO, ya que esto puede provocar la oxidación del cromo o "green rot" a temperaturas entre 800 y 950 °C (1472 y 1652 °F). En estas situaciones, se recomiendan aleaciones Kanthal, siempre que los elementos calefactores se preoxiden en el aire a 1050 °C (1922 °F) durante 7 a 10 horas. La reoxidación de los elementos de calentamiento también debe realizarse a intervalos regulares.
Evite la corrosión de sustancias sólidas, fluidos y gases.
Las impurezas en la atmósfera del horno, como aceite, polvo, compuestos volátiles o depósitos de carbón, pueden provocar daños en los elementos calefactores. El azufre es perjudicial para todas las aleaciones a base de níquel, mientras que el cloro, en cualquier forma, atacará tanto a las aleaciones Kanthal® como Nikrothal®. Además, las salpicaduras de metal fundido o sal también pueden provocar daños en los elementos de calentamiento.
Numerosas aplicaciones prácticas también muestran una vida útil mucho más larga de los elementos Kanthal®.
ATMÓSFERAS DEL HORNO
La vida útil de un elemento de calentamiento de resistencia depende de la presencia continua de una capa de óxido densa que cubra completamente la superficie del elemento. La corrosión se produce cuando compuestos específicos en la atmósfera del horno interfieren con la formación o reposición de esta capa de óxido. Cuanto mayor sea la interferencia, más corta será la vida del elemento y el impacto de los compuestos corrosivos a menudo depende de la temperatura.
Aire
La capacidad de las aleaciones de resistencia para funcionar en aire a altas temperaturas depende enteramente de la capa de óxido protectora formada en su superficie. Sin embargo, las impurezas en el aire, como humos, gases, polvo y otros contaminantes procedentes de la carga o del aislamiento del horno, pueden alterar la formación de óxido. Una ventilación deficiente puede provocar que se escapen gases a lo largo de las terminales, lo que provoca corrosión excesiva y fallas prematuras.
En condiciones normales de funcionamiento, las aleaciones Nikrothal® tienen una mayor tendencia al desprendimiento de óxido que las aleaciones Kanthal®, lo que puede ser un problema al calentar materiales con superficies sensibles, como la porcelana blanca. Además, si los soportes cerámicos se contaminasen, se podrían generar fugas de corriente que provocarían fallos prematuros de los elementos.
Atmósferas controladas
En atmósferas con carbono, ya sean endotérmicas o exotérmicas, la capa de alúmina de las aleaciones Kanthal® proporciona una protección eficaz contra los componentes activos de estas mezclas de gases. Preoxidar los elementos en el aire a 1.050 °C (1.920 °F) durante siete a diez horas puede prolongar significativamente su vida útil en estas atmósferas "protectoras". Para una vida útil máxima, los elementos deben reoxidarse periódicamente según las condiciones de funcionamiento.
Por el contrario, la capa protectora de Nikrothal® 80 Plus no es eficaz en atmósferas exotérmicas y endotérmicas; en cambio, se produce una oxidación selectiva del cromo a lo largo de los límites de los granos ("green rot"), especialmente con bajo potencial de oxígeno y temperaturas de elementos de 500-950 °C (932-1742 °F). En estos casos se recomiendan las aleaciones Kanthal®.
Atmósferas de hidrógeno y nitrógeno
El hidrógeno puro no daña las aleaciones Kanthal® o Nikrothal®, pero su vida útil puede acortarse si la mezcla de gases contiene amoníaco sin craquear.
El nitrógeno muy seco, carente de oxígeno, puede provocar la formación de nitruro de aluminio, limitando la temperatura máxima permitida a 1.050 °C (1.920 °F) para Kanthal® A-1 y 1.100 °C (2.012 °F) para Kanthal® AF. Por el contrario, la fuerte afinidad de estas aleaciones por el oxígeno puede inhibir la formación de nitruros en atmósferas de nitrógeno técnicamente puro, que normalmente contiene algo de oxígeno.
Kanthal® AF permanece relativamente estable en una atmósfera de nitrógeno puro a temperaturas de hasta 1250 °C (2280 °F), siempre que se realice una preoxidación controlada a la temperatura de servicio.
Vacío
En alto vacío, la capa de óxido de las aleaciones Nikrothal® se descompone a temperaturas superiores a 1000 °C (1830 °F) y los componentes de la aleación pueden vaporizarse, dependiendo de la presión y la temperatura.
Por el contrario, el óxido protector de las aleaciones Kanthal® es más estable y los elementos preoxidados pueden funcionar a presiones más bajas y temperaturas más altas. A 5 × 10-4 torr y 1100 °C (2010 °F), los elementos Kanthal® tienen una excelente vida útil. Sin embargo, si la temperatura del elemento alcanza 1.150 °C (2.100 °F), se debe volver a oxidar después de 250 horas de servicio; a 1.250 °C (2.200 °F), se necesita volver a oxidar después de 100 horas (o a 1.050 °C (1.920 °F) después de 5 horas).
| Atmósfera |
KANTHAL® A-1 Y |
KANTHAL® AF °C (°F) |
KANTHAL® D °C (°F) |
NIKROTHAL® 80 °C (°F) |
NIKROTHAL® 70 °C (°F) |
NIKROTHAL® 60 °C (°F) |
NIKROTHAL® 40 °C (°F) |
| Oxidante | |||||||
| Aire, seca | 1400* (2550) | 1,300 (2,370) | 1,300 (2,370) | 1,200 (2,190) | 1,250 (2,280) | 1,150 (2,100) | 1100 (2010) |
| Aire húmedo** (3% H2O) | 1200 (2190) | 1200 (2190) | 1200 (2190) | 1150 (2100) | 1150 (2100) | 1100 (2010) | 1050 (1920) |
| N₂, Nitrógeno*** | 1200/1050 (2190/1920) | 1250/1100 (2280/2010) | 1150/1000 (2100/1830) | 1250 (2280) | 1250 (2280) | 1200 (2190) | 1150 (2100) |
| Ar, Argón | 1400 (2550) | 1400 (2550) | 1300 (2370) | 1250 (2280) | 1250 (2280) | 1200 (2190) | 1150 (2100) |
| Exotérmica: 10% CO, 15% H₂, 5% CO2, 70% N2**** |
1150 (2100) | 1150 (2100) | 1100 (2010) | 1100 (2010) | 1100 (2010) | 1100 (2010) | 1100 (2010) |
| Reduciendo: | |||||||
| Endotérmica: 20 % CO, 40 % H₂, 40 % N2**** |
1050 (1920) | 1050 (1920) | 1000 (1830) | 1100 (2010) | 1100 (2010) | 1100 (2010) | 1100 (2010) |
| H₂, Hidrógeno | 1400 (2550) | 1400 (2550) | 1300 (2370) | 1250 (2280) | 1250 (2280) | 1200 (2190) | 1150 (2100) |
| 75%H2, 25%N2***** | 1200 (2190) | 1200 (2190) | 1100 (2010) | 1100 (2010) | 1100 (2010) | 1100 (2010) | 1100 (2010) |
| Vacío | |||||||
| 10-3 torr | 1150 (2100) | 1200 (2190) | 1100 (2010) | 1100 (2010) | 1100 (2010) | 1000 (1830) | 900 (1650) |
** La temperatura máxima de las aleaciones Nikrothal® disminuirá con el aumento del contenido de agua y el caudal de gas.
*** Los valores más altos se aplican para material preoxidado.
**** Tenga en cuenta el riesgo de oxidación del cromo o "green rot" en las aleaciones Nikrothal® en atmósferas carburantes. Se prefiere el uso de aleaciones Kanthal.
***** Las atmósferas de amoníaco o que contengan amoníaco tendrán una temperatura máxima permitida más baja.
MATERIALES DE SOPORTE CERÁMICO
En el caso de los hornos eléctricos, se debe prestar especial atención a los soportes cerámicos que entran en contacto directo con los elementos calefactores. Los ladrillos refractarios utilizados como soporte de elementos deben tener un contenido de alúmina de al menos el 45%. En hornos de alta temperatura, a menudo se recomiendan ladrillos refractarios de silimanita o de alto contenido de alúmina. Se debe minimizar el contenido de sílice libre (cuarzo sin combinar), ya que la sílice puede reaccionar con el óxido de la superficie a altas temperaturas. El contenido de óxido de hierro (Fe2O3) debe mantenerse lo más bajo posible, preferiblemente por debajo del 1%, y los óxidos alcalinos (Na2O, K2O, etc.) deben permanecer por debajo del 0,1%.
El vidrio soluble, a menudo utilizado como aglutinante en el cemento, puede afectar negativamente a los materiales de calentamiento por resistencia y debería evitarse.
Las corrientes de fuga y de deslizamiento a altas temperaturas pueden atacar los puntos de contacto entre el soporte cerámico y el elemento calefactor, lo que podría provocar una falla prematura. Por lo tanto, los materiales de soporte deben tener una alta resistencia aislante a la temperatura de servicio.
COMPUESTOS DE INCRUSTACIÓN
La mayoría de los compuestos de incrustación, incluidas las fibras cerámicas, son adecuados para Kanthal® y Nikrothal® si están formados por alúmina, alúmina-silicato, magnesia o circonio, y si se siguen las directrices de "Material de soporte cerámico". Generalmente, los productos disponibles comercialmente cumplen estos criterios. Cuando se utiliza cemento humedecido con aleaciones Kanthal®, como en paneles de calefacción, el secado inmediato es crucial para evitar la corrosión por impurezas sulfúricas. Se prefiere el agua destilada como agente humectante porque el agua del grifo fluorada o clorada puede causar corrosión. Asimismo, los disolventes desengrasantes que contengan cloro deben eliminarse por completo después de limpiar las bobinas de los elementos.
Ciertos cementos pueden atacar los materiales de calentamiento por resistencia. En entornos cerrados, incluso trazas de contaminantes que contengan azufre pueden dañar gravemente los hilos Nikrothal® a temperaturas elevadas. Los compuestos de boro pueden atacar tanto a las aleaciones Kanthal® como Nikrothal® a temperaturas superiores a 900 °C (1650 °F).
Siempre se deben realizar pruebas de corrosión para compuestos de incrustación antes de especificar su uso.