Os elementos de aquecimento são utilizados em numerosos produtos industriais e de consumo e são usados para aquecer o ar em várias aplicações, tais como secadores de roupa, aparelhos de aquecimento e dutos de aquecimento para os testes de desempenho de equipamento de geração de energia. Eles são feitos a partir de produtos de fios e fitas e normalmente enrolados em bobinas para maximizar a área de superfície do elemento de aquecimento para aquecer o ar que flui rapidamente por ele
Qualquer material utilizado nesta aplicação deve ser capaz de resistir à deformação a temperatura e ter uma taxa de oxidação baixa o suficiente para dar a desejada vida útil à temperatura de projeto do elemento de aquecimento. O material deve resistir à deformação (flacidez) porque o contato com fios adjacentes ou outro metal no sistema pode causar um curto-circuito. As taxas de oxidação são geralmente parabólicas, já que diminuem com o tempo, devido à espessura da camada de óxido [1]. No entanto, também é importante evitar o estilhaçamento do óxido protetor porque a exposição local do metal fresco acelera a velocidade de oxidação. A oxidação rápida local do fio consome metal, o que reduz a secção transversal do fio, causando pontos quentes. Isto pode acelerar ainda mais a oxidação local e promover a deformação local em temperatura mais elevada. A Fig. 1 mostra a estrutura típica de uma bobina de aquecimento aberta.
Comparação de Ligas de Elemento de Aquecimento
As várias exigências colocadas sobre o material da bobina de aquecimento requerem uma química que seja equilibrada tanto para a resistência à oxidação a alta temperatura, como para a resistência à deformação (resistência à flacidez). Além disso, o processamento do fio é importante para estas mesmas propriedades, particularmente a resistência à deformação.
Química dos Materiais de Elementos de Aquecimento
A química dos materiais dos elementos de aquecimento comuns é apresentada na Tabela 1. O níquel tem sido tradicionalmente adicionado ao fio em níveis mais elevados para melhorar a resistência à fluência ou deformação do material. Note que o termo genérico “60Ni” é usado para descrever o Cronifer II e Nikrothal 60, já que este material é produzido por vários fornecedores.
O fio 60Ni tem sido o material mais comum de elementos de aquecimento. A química e o processamento do fio Cronifer 40 B foram desenvolvidos para ter resistência à deformação e resistência à oxidação comparáveis a um 60% de Ni, como mostrado no artigo.
O teor reduzido de níquel é importante porque é o elemento mais caro adicionado a estes materiais. As reduções no teor de níquel resultam em um material de menor custo.
Propriedades Físicas dos Elementos de Aquecimento
A fim de reduzir os custos, o Cronifer 40 B foi desenvolvido com menor teor de níquel do que o tradicional material 60Ni Cronifer II, sem sacrificar o desempenho. A Tabela 2 compara as propriedades físicas dos Cronifer 40 B com outros materiais utilizados para os elementos de aquecimento.
Enquanto a resistência a frio das ligas de mais baixo níquel é inferior ao material de 60Ni Cronifer II, as curvas de resistência como uma função da temperatura das ligas mais pobres em níquel têm uma forma diferente do que a liga de 60Ni Cronifer II, de modo que a resistência a quente é superior para o Cronifer 40 B do que para o material tradicional 60Ni a temperaturas acima de 500°C. As curvas de resistência como uma função da temperatura são mostradas na Fig. 2. [2,3]
Resistência à Deformação (Flacidez) de Elementos de Aquecimento a Altas Temperaturas
A flacidez dos elementos de aquecimento a altas temperaturas faz com que se deformem. Quando elementos se deformam suficientemente até tocar outro elemento ou o invólucro de contenção, um curto-circuito se desenvolve e o elemento falha. Por este motivo, a indústria de elementos de aquecimento realiza extensos testes para assegurar que os elementos de aquecimento irão manter-se em posição e que não cederão excessivamente durante a vida útil do dispositivo de aquecimento. Como teste de triagem, um único elemento pode ser usado para avaliar a resistência à deformação de um modo geral para o material a 1000°C (1832°F). Detalhes deste método de ensaio são dados em outros pontos. [4] Além disso, o teste feito sob configurações reais também é obrigatório por razões de segurança.
Os resultados dos ensaios laboratoriais são apresentados na Fig. 3. Em testes de bobinas individuais em laboratório, a média de quatro ensaios mostrou que o Cronifer 40 B deformou 4 milímetros, enquanto o fio de 60Ni deformou uma média de 5,5 mm. Nestes testes de laboratório, a resistência à deformação do Cronifer 40 B supera o da liga com maior teor de níquel. Isso mostra a excelente resistência à fluência ou deformação do Cronifer 40 B. Isso também prova que o teor de níquel sozinho não dita a resistência à fluência ou à deformação de um material.
Oxidação de Elementos de Aquecimento a Alta Temperatura
Um teste de vida acelerada é usado para comparar a resistência à oxidação de materiais de elementos de aquecimento para atingir um resultado em menor tempo. [4] Para isso, a temperatura é aumentada e o ciclo de aquecimento é maior. O fio é aquecido eletricamente a uma temperatura de 1150°C (2102°F), com interrupção de corrente durante 15 segundos a cada dois minutos.
Uma comparação da vida de oxidação de materiais é apresentada na Fig. 4. Enquanto o Cronifer III e ligas de Nikrothal NXT não são tão bons quanto o 60Ni em resistir à oxidação, o Cronifer 40 B é o mais próximo, com 80% da vida útil do material 60Ni. Ele atinge a parte inferior do intervalo de confiança de 95% da liga 60Ni. Todos os materiais de elementos de aquecimento pobres em níquel contêm adições de metais nobres que reduzem as taxas de oxidação e evitam a fragmentação da camada de óxido de proteção. [5-8] O material Cronifer 40 B tem La acrescido, enquanto os demais têm Ce acrescido. A adição de La é mais eficaz na redução da taxa de oxidação em materiais que formam óxido de cromo e também evita melhor a fragmentação do óxido do que as adições de Ce.
Teste de Prova
De modo a garantir um desempenho e uma operação segura de dispositivos com elementos de aquecimento, é necessário executar o teste de prova. A configuração e as condições de concepção do elemento de aquecimento que será utilizado em serviço são replicadas neste processo de avaliação. Durante o ensaio, as piores condições de operação (ar parado e tensão máxima) são usadas para garantir operação segura em serviço efetivo.
A Fig. 5 compara a vida do 60Ni ao da Cronifer 40 B num teste de prova. A deformação normal depois de cinco anos de serviço para um fio de 60Ni é mostrada na foto de cima para comparação, enquanto as deformações mais graves nos testes de prova são mostradas para o 60Ni e o Cronifer 40 B (38Ni) nas últimas duas fotos. Note que a deformação dos fios de 60Ni e 38Ni é semelhante para este projeto e ambos os materiais possuem quantidades razoáveis de deformação neste teste. Neste caso, o material mais caro não é necessário e economias de custo podem ser obtidas para o elemento.
O Cronifer 40 B tem um desempenho semelhante ao do fio tradicional de 60Ni, na maioria dos testes. Em certos casos, no entanto, o fio com maior teor de níquel é ainda necessário. No projeto atual, o comportamento do material é complicado devido à radiação entre as bobinas. Portanto, o espaçamento da bobina, o espaçamento do elemento e outros fatores ditarão o resultado final, bem como a seleção do material.
Resumo
Uma nova liga pobre em níquel foi desenvolvida com propriedades que se aproximam das do material tradicional de 60Ni. O que se segue é um resumo do material Cronifer 40 B (38Ni).
1. O Cronifer 40 B tem teor de níquel cerca de 20% menor do que o material tradicional de 60Ni e, portanto, oferece a vantagem de menor custo, visto que o níquel é mais caro do que o ferro.
2. É possível uma economia adicional devido à capacidade de utilização de elementos de aquecimento mais curtos ao usar o Cronifer B 40, em vez do material 60Ni devido à maior resistência ao calor.
3. Em testes de laboratório, o Cronifer 40 B teve melhores resistências à deformação do que o material tradicional de 60Ni.
4. A resistência à oxidação do Cronifer 40 B se aproxima da do material de 60Ni e tem uma vida útil de 80% do material rico em níquel.
5. A resistência à oxidação do Cronifer 40 B é melhor do que todas as outras ligas de baixo níquel, em virtude do elevado teor de cromo e do uso de La para reduzir a taxa de oxidação e evitar a fragmentação.
6. Em prova de testes de sistema pleno, o Cronifer 40 B pode cumprir as exigências de vida requeridas. É notável que a concepção do sistema pode influenciar a vida dos materiais de elementos de aquecimento, incluindo o Cronifer 40 B.
7. O Cronifer 40 B pode ser considerado como uma substituição do material mais caro 60Ni, mas os testes de prova são sempre necessários para avaliar a influência de parâmetros de projeto sobre a vida do elemento de aquecimento.
