Conteúdo:
Vida útil e temperatura máxima permitida
Atmosferas de fornalhas
Materiais de suporte cerâmico
Compostos de incorporação
VIDA ÚTIL E TEMPERATURA MÁXIMA PERMITIDA
Quando aquecidas, as ligas de aquecimento por resistência formam uma camada de óxido em sua superfície, o que ajuda a evitar maior oxidação do material. Para que essa função de proteção seja eficaz, a camada de óxido deve ser densa para resistir à difusão de gases, fina para evitar a adição de volume e aderir fortemente ao metal, mesmo sob flutuações de temperatura.
A camada de óxido de alumínio formada nas ligas Kanthal® se destaca nessas qualidades em comparação ao óxido formado nas ligas Nikrothal®, resultando em uma vida útil significativamente maior para os elementos de aquecimento Kanthal®.
O diagrama abaixo ilustra a vida útil comparativa dos elementos.
Este capítulo oferece orientação geral sobre como maximizar a vida útil dos elementos de aquecimento.
Use ligas Kanthal®
Elementos de aquecimento feitos de ligas Kanthal® podem durar até quatro vezes mais do que aqueles feitos de materiais de níquel-cromo. Essa vantagem se torna mais pronunciada em temperaturas operacionais mais altas.
Evite flutuações de temperatura
Flutuações rápidas de temperatura podem reduzir a vida útil dos elementos de aquecimento. Para minimizar esse efeito, recomenda-se a utilização de equipamentos de controle elétrico que mantenham a temperatura estável, como tiristores, que proporcionam um controle suave e contínuo.
Escolha material de elemento espesso
A espessura do material do elemento afeta diretamente sua vida útil. À medida que o diâmetro do fio aumenta, mais material de liga fica disponível por unidade de superfície para formar uma camada protetora de óxido, resultando em uma vida útil mais longa do elemento em uma determinada temperatura Consequentemente, fios mais grossos oferecem uma vida útil mais longa do que os mais finos. Da mesma forma, para elementos de tira, aumentar a espessura aumenta sua durabilidade. Como orientação geral, recomenda-se um diâmetro mínimo de fio de 3 mm e uma espessura de tira de 2 mm para maximizar a vida útil do elemento.
Ajuste a temperatura do elemento para a atmosfera do forno
A tabela abaixo mostra as atmosferas comuns dos fornos e seu impacto na temperatura máxima de operação dos elementos de aquecimento. Nikrothal® não deve ser usado em fornos com atmosfera de gás protetor contendo CO, pois isso pode levar à "podridão verde" em temperaturas entre 800–950 °C (1.472–1.652 °F). Nessas situações, as ligas Kanthal são recomendadas, desde que os elementos de aquecimento sejam pré-oxidados no ar a 1.050 °C (1.922 °F) por 7 a 10 horas. A reoxidação dos elementos de aquecimento também deve ser realizada em intervalos regulares.
Evite a corrosão de substâncias sólidas, fluidos e gases
Impurezas na atmosfera do forno, como óleo, poeira, compostos voláteis ou depósitos de carbono, podem causar danos aos elementos de aquecimento. O enxofre é prejudicial a todas as ligas à base de níquel, enquanto o cloro, em qualquer forma, ataca as ligas Kanthal® e Nikrothal®. Além disso, respingos de metal fundido ou sal também podem causar danos aos elementos de aquecimento.
Inúmeras aplicações práticas também mostram uma vida útil muito maior dos elementos Kanthal®.
ATMOSFERAS DE FORNO
A vida útil de um elemento de aquecimento por resistência depende da presença contínua de uma camada densa de óxido que cubra totalmente a superfície do elemento. A corrosão ocorre quando compostos específicos na atmosfera do forno interferem na formação ou reposição dessa camada de óxido. Quanto maior a interferência, menor a vida útil do elemento, e o impacto dos compostos corrosivos geralmente depende da temperatura.
Ar
A capacidade das ligas de resistência de funcionar no ar em altas temperaturas depende inteiramente da camada protetora de óxido formada em sua superfície. Entretanto, impurezas no ar, como fumaça, gases, poeira e outros contaminantes do lote do forno ou do isolamento, podem interromper a formação de óxido. A ventilação inadequada pode causar escape de gases pelos terminais, causando corrosão excessiva e falha prematura.
Em condições normais de operação, as ligas Nikrothal® têm uma tendência maior à fragmentação de óxido do que as ligas Kanthal®, o que pode ser um problema ao aquecer materiais com superfícies sensíveis, como porcelana branca. Além disso, os suportes cerâmicos podem ficar contaminados, causando potencialmente correntes de fluência que levam à falha prematura do elemento.
Atmosferas controladas
Em atmosferas carbonáceas, sejam elas endotérmicas ou exotérmicas, a camada de alumina nas ligas Kanthal® fornece proteção eficaz contra os componentes ativos dessas misturas gasosas. A pré-oxidação dos elementos no ar a 1.050 °C (1.920 °F) por sete a dez horas pode prolongar significativamente sua vida útil nessas atmosferas "protetoras". Para uma vida útil máxima, os elementos devem ser reoxidados periodicamente, com base nas condições de operação.
Em contraste, a camada protetora do Nikrothal® 80 Plus não é eficaz em atmosferas exotérmicas e endotérmicas; em vez disso, ocorre oxidação seletiva de cromo ao longo dos limites dos grãos ("podridão verde"), especialmente em baixo potencial de oxigênio e temperaturas dos elementos de 500-950°C (932-1,742°F). Nesses casos, as ligas Kanthal® são recomendadas.
Atmosferas de hidrogênio e nitrogênio
O hidrogênio puro não danifica as ligas Kanthal® ou Nikrothal®, mas a vida útil pode ser reduzida se a mistura de gases contiver amônia não craqueada.
Nitrogênio muito seco, sem oxigênio, pode levar à formação de nitreto de alumínio, limitando a temperatura máxima permitida de 1.050 °C (1.920 °F) para Kanthal® A-1 e 1.100 °C (2.012 °F) para Kanthal® AF. Por outro lado, a forte afinidade dessas ligas pelo oxigênio pode inibir a formação de nitreto em atmosferas de nitrogênio tecnicamente puro, que normalmente contém algum oxigênio.
O Kanthal® AF permanece relativamente estável em uma atmosfera de nitrogênio puro em temperaturas de até 1.250 °C (2.280 °F), contanto que a pré-oxidação controlada seja realizada na temperatura de serviço.
Vácuo
Em alto vácuo, a camada de óxido nas ligas Nikrothal® se decompõe em temperaturas acima de 1.000 °C (1.830 °F), e os componentes da liga podem vaporizar, dependendo da pressão e da temperatura.
Em contraste, o óxido protetor nas ligas Kanthal® é mais estável, e os elementos pré-oxidados podem ser operados em pressões mais baixas e temperaturas mais altas. Com 5 × 10-4 torr e 1.100 °C (2.010 °F), os elementos Kanthal® têm uma excelente vida útil. Entretanto, se a temperatura do elemento atingir 1.150 °C (2.100 °F), ele deverá ser reoxidado após 250 horas de serviço; a 1.250 °C (2.200 °F), a reoxidação será necessária após 100 horas (ou a 1.050 °C (1.920 °F) após 5 horas).
| Atmosfera |
KANTHAL® A-1 E |
KANTHAL® AF °C (°F) |
KANTHAL® D °C (°F) |
Nikrothal® 80 °C (°F) |
Nikrothal® 70 °C (°F) |
Nikrothal® 60 °C (°F) |
Nikrothal® 40 °C (°F) |
| Oxidação | |||||||
| Ar, seco | 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) |
| Ar, orvalhado** (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, Nitrogênio*** | 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, argônio | 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) |
| Exotérmico: 10% CO, 15% H₂, 5% CO2, 70% 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) |
| Reduzindo: | |||||||
| Endotérmico: 20% CO, 40% H₂, 40% 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, Hidrogênio | 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) |
| Vácuo | |||||||
| Torr 10-3 | 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) |
** A temperatura máxima para as ligas Nikrothal® diminuirá com o aumento do teor de água e da vazão de gás.
*** Os valores mais altos se aplicam ao material pré-oxidado.
**** Observe o risco de corrosão de "raiz verde" em ligas Nikrothal® em atmosferas de cementação. É preferível o uso de ligas Kanthal.
***** Amônia ou atmosferas contendo amônia terão uma temperatura máxima permitida mais baixa.
MATERIAIS DE SUPORTE CERÂMICO
Para fornos elétricos, é preciso ter uma atenção especial com os suportes cerâmicos que entram em contato direto com os elementos de aquecimento. Os tijolos refratários utilizados para suporte dos elementos devem ter um teor de alumina de pelo menos 45%. Em fornos de altas temperaturas, tijolos refratários de silimanita ou de alta alumina são frequentemente recomendados. O teor de sílica livre (quartzo não combinado) deve ser minimizado, pois a sílica pode reagir com o óxido da superfície em altas temperaturas. O teor de óxido de ferro (Fe2O3) deve ser mantido o mais baixo possível, de preferência abaixo de 1%, e os óxidos alcalinos (Na2O, K2O, etc.) devem permanecer abaixo de 0,1%.
O vidro de água, frequentemente usado como aglutinante em cimento, pode afetar negativamente os materiais de aquecimento por resistência e deve ser evitado.
Correntes de vazamento e fluência em altas temperaturas podem atacar os pontos de contato entre o suporte cerâmico e o elemento de aquecimento, o que pode levar à falha prematura. Portanto, os materiais de suporte devem ter alta resistência isolante na temperatura de serviço.
COMPOSTOS DE INCORPORAÇÃO
A maioria dos compostos de incorporação, incluindo fibras cerâmicas, são adequados para Kanthal® e Nikrothal® se forem compostos de alumina, alumina-silicato, magnésia ou zircônia, e se as diretrizes em "Materiais de suporte cerâmico" forem seguidas. Geralmente, os produtos disponíveis comercialmente atendem a esses critérios. Quando cimento umedecido é usado com ligas Kanthal®, como em painéis de aquecimento, a secagem imediata é crucial para evitar corrosão por impurezas sulfúricas. Água destilada é preferível como agente umectante porque água da torneira fluoretada ou clorada pode causar corrosão. Da mesma forma, os solventes desengordurantes que contenham cloro devem ser completamente removidos após a limpeza das serpentinas dos elementos.
Certos cimentos podem atacar materiais de aquecimento por resistência. Em ambientes fechados, até mesmo vestígios de contaminantes contendo enxofre podem danificar gravemente os fios Nikrothal® em temperaturas elevadas. Os compostos de boro podem atacar as ligas Kanthal® e Nikrothal® em temperaturas acima de 900°C (1.650°F).
Testes de corrosão para compostos de incorporação devem sempre ser realizados antes que seu uso seja especificado.