Contenu :
Durée de vie et température maximale admissible
Atmosphères de four
Matériaux de support en céramique
Composés de fixation
DURÉE DE VIE ET TEMPÉRATURE MAXIMALE ADMISSIBLE
Lorsqu'ils sont chauffés, les alliages de chauffage par résistance forment une couche d'oxyde sur leur surface, ce qui contribue à empêcher une oxydation supplémentaire du matériau. Pour que cette fonction protectrice soit efficace, la couche d'oxyde doit être dense pour résister à la diffusion des gaz, fine pour éviter d'ajouter du volume et adhérer fortement au métal même en cas de fluctuations de température.
La couche d'oxyde d'aluminium formée sur les alliages Kanthal® excelle dans ces qualités par rapport à l'oxyde formé sur les alliages Nikrothal®, ce qui se traduit par une durée de vie nettement plus longue pour les éléments chauffants Kanthal®.
Le diagramme ci-dessous illustre la durée de vie comparative des éléments.
Ce chapitre offre des conseils généraux pour maximiser la durée de vie des éléments chauffants.
Utiliser des alliages Kanthal®
Les éléments chauffants fabriqués à partir d'alliages Kanthal® peuvent durer jusqu'à quatre fois plus longtemps que ceux fabriqués à partir de matériaux nickel-chrome. Cet avantage devient plus prononcé à des températures de fonctionnement plus élevées.
Éviter les fluctuations de température
Les fluctuations rapides de température peuvent réduire la durée de vie des éléments chauffants. Afin de minimiser cet effet, il est recommandé d'utiliser des équipements de contrôle électrique qui maintiennent une température stable, par exemple des thyristors, qui garantissent un contrôle fluide et continu.
Choisir un matériau épais pour l'élément
L'épaisseur du matériau de l'élément a un impact direct sur sa durée de vie. Plus le diamètre du fil est important, plus il y a de matériau d'alliage disponible par unité de surface de façon à former une couche d'oxyde protectrice, ce qui prolonge la durée de vie de l'élément à une température donnée. Par conséquent, les fils plus épais offrent une durée de vie plus longue que les fils plus fins. De même, pour les éléments en bande, l'augmentation de l'épaisseur améliore leur durabilité. En règle générale, un diamètre de fil minimum de 3 mm et une épaisseur de bande de 2 mm sont recommandés pour maximiser la durée de vie de l'élément.
Ajuster la température de l'élément selon l'atmosphère du four
Le tableau ci-dessous présente les atmosphères courantes des fours et leur impact sur la température de fonctionnement maximale des éléments chauffants. Nikrothal® ne doit pas être utilisé dans des fours avec une atmosphère de gaz protecteur contenant du CO, car cela peut entraîner une « pourriture verte » à des températures comprises entre 800 et 950 °C (1 472 et 1 652 °F). Dans ces situations, les alliages Kanthal sont recommandés, à condition que les éléments chauffants soient pré-oxydés dans l'air à 1 050 °C (1 922 °F) pendant 7 à 10 heures. La réoxydation des éléments chauffants doit également être effectuée à intervalles réguliers.
Éviter la corrosion causée par des substances solides, des fluides et des gaz
Les impuretés présentes dans l'atmosphère du four, telles que l'huile, la poussière, les composés volatils ou les dépôts de carbone, peuvent endommager les éléments chauffants. Le soufre est nocif pour tous les alliages à base de nickel, tandis que le chlore, sous quelque forme que ce soit, attaquera les alliages Kanthal® et Nikrothal®. De plus, les éclaboussures de métal fondu ou de sel peuvent également endommager les éléments chauffants.
De nombreuses applications pratiques montrent également une durée de vie beaucoup plus longue des éléments Kanthal®.
ATMOSPHÈRES DE FOUR
La durée de vie d'un élément chauffant à résistance repose sur la présence continue d'une couche d'oxyde dense qui recouvre entièrement la surface de l'élément. La corrosion se produit lorsque des composés spécifiques présents dans l'atmosphère du four interfèrent avec la formation ou le renouvellement de cette couche d'oxyde. Plus l'interférence est importante, plus la durée de vie de l'élément est courte et l'impact des composés corrosifs dépend souvent de la température.
Air
La capacité des alliages de résistance à fonctionner dans l'air à des températures élevées dépend entièrement de la couche d'oxyde protectrice formée à leur surface. Cependant, les impuretés présentes dans l'air, telles que les fumées, les gaz, la poussière et d'autres contaminants provenant du lot du four ou de l'isolation, peuvent perturber la formation d'oxyde. Une mauvaise aération peut entraîner une fuite de gaz le long des bornes, entraînant une corrosion excessive et une défaillance prématurée.
Dans des conditions de fonctionnement normales, les alliages Nikrothal® ont une plus grande tendance à l'écaillage des oxydes que les alliages Kanthal®, ce qui peut être un problème lors du chauffage de matériaux à surfaces sensibles, comme la porcelaine blanche. De plus, les supports en céramique peuvent être contaminés, ce qui peut entraîner des courants de fluage conduisant à une défaillance prématurée des éléments.
Atmosphères contrôlées
Dans les atmosphères carbonées, qu'elles soient endothermiques ou exothermiques, la couche d'alumine des alliages Kanthal® assure une protection efficace contre les composants actifs de ces mélanges gazeux. La préoxydation des éléments dans l'air à 1 050 °C (1 920 °F) pendant sept à dix heures peut prolonger considérablement leur durée de vie dans ces atmosphères « protectrices ». Pour une durée de vie maximale, les éléments doivent être réoxydés périodiquement en fonction des conditions de fonctionnement.
En revanche, la couche protectrice du Nikrothal® 80 Plus n'est pas efficace dans les atmosphères exothermiques et endothermiques ; au lieu de cela, une oxydation sélective du chrome le long des joints de grains (« pourriture verte ») se produit, en particulier à faible potentiel d'oxygène et à des températures d'élément de 500-950 °C (932-1,742°F). Dans de tels cas, les alliages Kanthal® sont recommandés.
Atmosphères d'hydrogène et d'azote
L'hydrogène pur n'endommage pas les alliages Kanthal® ou Nikrothal®, mais leur durée de vie peut être raccourcie si le mélange gazeux contient de l'ammoniac non craqué.
L'azote très sec, dépourvu d'oxygène, peut conduire à la formation de nitrure d'aluminium, limitant la température maximale admissible à 1 050 °C (1 920 °F) pour Kanthal® A-1 et 1 100 °C (2 012 °F) pour Kanthal® AF. À l'inverse, la forte affinité de ces alliages pour l'oxygène peut inhiber la formation de nitrures dans des atmosphères d'azote techniquement pur, qui contient généralement un peu d'oxygène.
Kanthal® AF reste relativement stable dans une atmosphère d'azote pur à des températures allant jusqu'à 1 250 °C (2 280 °F), à condition qu'une pré-oxydation contrôlée soit effectuée à la température de service.
Vide
Sous vide poussé, la couche d'oxyde des alliages Nikrothal® se décompose à des températures supérieures à 1 000 °C (1 830 °F) et les composants de l'alliage peuvent se vaporiser, en fonction de la pression et de la température.
En revanche, l'oxyde protecteur des alliages Kanthal® est plus stable et les éléments pré-oxydés peuvent fonctionner à des pressions plus basses et à des températures plus élevées. À 5 × 10-4 torr et 1 100 °C (2 010 °F), les éléments Kanthal® ont une excellente durée de vie. Cependant, si la température de l'élément atteint 1 150 °C (2 100 °F), il doit être réoxydé après 250 heures de service ; à 1 250 °C (2 200 °F), une réoxydation est nécessaire après 100 heures (ou à 1 050 °C (1 920 °F) après 5 heures).
| Atmosphère |
KANTHAL® A-1 AND |
KANTHAL® AF °C (°F) |
KANTHAL® D °C (°F) |
NIKROTHAL® 80 °C (°F) |
NIKROTHAL® 70 °C (°F) |
NIKROTHAL® 60 °C (°F) |
NIKROTHAL® 40 °C (°F) |
| Oxydant | |||||||
| Air sec | 1 400* (2 550) | 1 300 (2 370) | 1 300 (2 370) | 1 200 (2 190) | 1 250 (2 280) | 1 150 (2 100) | 1 100 (2 010) |
| Air humide** (3 % H2O) | 1 200 (2 190) | 1 200 (2 190) | 1 200 (2 190) | 1 150 (2 100) | 1 150 (2 100) | 1 100 (2 010) | 1 050 (1 920) |
| N₂, Azote*** | 1 200/1 050 (2 190/1 920) | 1 250/1 100 (2 280/2 010) | 1 150/1 000 (2 100/1 830) | 1 250 (2 280) | 1 250 (2 280) | 1 200 (2 190) | 1 150 (2 100) |
| Ar, Argon | 1 400 (2 550) | 1 400 (2 550) | 1 300 (2 370) | 1 250 (2 280) | 1 250 (2 280) | 1 200 (2 190) | 1 150 (2 100) |
| Exothermique : 10 % de CO, 15 % de H₂, 5 % de CO2, 70 % de N2**** |
1 150 (2 100) | 1 150 (2 100) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) |
| Réduction : | |||||||
| Endothermique : 20 % de CO, 40 % de H₂, 40 % de N2**** |
1 050 (1 920) | 1 050 (1 920) | 1 000 (1 830) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) |
| H₂, hydrogène | 1 400 (2 550) | 1 400 (2 550) | 1 300 (2 370) | 1 250 (2 280) | 1 250 (2 280) | 1 200 (2 190) | 1 150 (2 100) |
| 75 %H2, 25 %N2***** | 1 200 (2 190) | 1 200 (2 190) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) |
| Vide | |||||||
| 10-3 torr | 1 150 (2 100) | 1 200 (2 190) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) | 1 100 (2 010) | 1 000 (1 830) | 900 (1 650) |
** La température maximale des alliages Nikrothal® diminuera avec l'augmentation de la teneur en eau et du débit de gaz.
*** Les valeurs les plus élevées s'appliquent aux matériaux préoxydés.
**** Veuillez noter le risque de corrosion de type « pourriture verte » sur les alliages Nikrothal® dans les atmosphères de cémentation. L'utilisation d'alliages Kanthal est préférée.
***** L'ammoniac ou les atmosphères contenant de l'ammoniac auront une température maximale autorisée inférieure.
MATÉRIAUX DE SUPPORT EN CÉRAMIQUE
Pour les fours électriques, une attention particulière doit être portée aux supports en céramique qui sont en contact direct avec les éléments chauffants. Les briques réfractaires utilisées pour le support des éléments doivent avoir une teneur en alumine d'au moins 45 %. Dans les fours à haute température, les briques réfractaires en sillimanite ou à haute teneur en alumine sont souvent recommandées. La teneur en silice libre (quartz non combiné) doit être minimisée, car la silice peut réagir avec l'oxyde de surface à des températures élevées. La teneur en oxyde de fer (Fe2O3) doit être maintenue aussi basse que possible, de préférence inférieure à 1 %, et les oxydes alcalins (Na2O, K2O, etc.) doivent rester inférieurs à 0,1 %.
Le silicate de sodium, souvent utilisé comme liant dans le ciment, peut affecter négativement les matériaux de chauffage par résistance et doit être évité.
Les courants de fuite et de fluage à haute température peuvent attaquer les points de contact entre le support en céramique et l'élément chauffant, ce qui peut entraîner une défaillance prématurée. Par conséquent, les matériaux de support doivent avoir une résistance isolante élevée à la température de service.
COMPOSÉS D'ENROBAGE
La plupart des composés d'incorporation, y compris les fibres céramiques, conviennent au Kanthal® et au Nikrothal® s'ils sont composés d'alumine, d'alumine-silicate, de magnésie ou de zircone, et si les directives de la section « Matériaux de support en céramique » sont respectées. En général, les produits disponibles dans le commerce répondent à ces critères. Lorsque du ciment humidifié est utilisé avec des alliages Kanthal®, comme dans les panneaux chauffants, un séchage immédiat est essentiel pour éviter la corrosion due aux impuretés sulfuriques. L'eau distillée est préférée comme agent humidifiant car l'eau du robinet fluorée ou chlorée peut provoquer de la corrosion. De même, les solvants dégraissants contenant du chlore doivent être complètement éliminés après le nettoyage des bobines d'éléments.
Certains ciments peuvent attaquer les matériaux de chauffage par résistance. Dans des environnements fermés, même des traces de contaminants contenant du soufre peuvent gravement endommager les fils Nikrothal® à des températures élevées. Les composés de bore peuvent attaquer les alliages Kanthal® et Nikrothal® à des températures supérieures à 900 °C (1 650 °F).
Les tests de corrosion sur les composés de fixation doivent toujours être effectués avant que leur utilisation ne soit spécifiée.