Este artigo descreve um resistência de carbeto de silício (SiC) combinado com um tubo de proteção de nitreto de silício, como um único aparelho para o aquecimento de alumínio fundido. A Tokai Konetsu Kogyo Co., Ltd. (TKK) do Japão tem fabricado e vendido elementos de aquecimento de SiC desde 1936, de forma que tem um grande corpo de conhecimento e experiência em resistências para muitas aplicações
O nitreto de silício é geralmente usado para o tubo de proteção do elemento de aquecimento devido às suas características superiores de resistência ao calor e a corrosão. A TKK tem fabricado tubos de proteção de nitreto de silício (Si3N4) desde 2006. Os populares aquecedores por imersão para o banho de alumínio fundido são comumente construídos com um elemento de aquecimento e tubo de proteção emparelhados. A TKK fabrica estes dois produtos e tem comercializado a unidade combinada para o mercado em geral.
Unidade de Aquecimento de Imersão para Aplicações de Alumínio Fundido
O nitreto de silício é um material que tem muitas características excelentes, tais como alta resistência, elevada resistência mecânica à fratura, alta capacidade de isolamento elétrico e boa condutividade térmica.
Ele é amplamente usado em muitas áreas da indústria, mas especialmente para o processamento de alumínio. As aplicações mais comuns são o uso em forma de tubos de proteção para termopares em fusão, manutenção e fundição de baixa pressão, tubos de proteção para elementos de aquecimento e como tubos para risers. A Fig. 2 mostra os principais componentes e produtos utilizados no banho de alumínio fundido.
As Fig. 1 e 3 mostram produtos de tubos de nitreto de silício da nossa empresa para essas aplicações. O tamanho dos produtos varia de pequeno a grande, mas as dimensões típicas são de 20 a 150 mm (0,8 a 6,0 polegadas) de diâmetro e até 1200 mm (47,25 polegadas) de comprimento para itens de alta procura.
O gás natural e a eletricidade são fontes de calor comuns para a operação de fundição de alumínio. A queima de gás tem uma vantagem em seu custo de operação, mas a eletricidade oferece menos emissões para um ambiente de fábrica limpo. Para o aquecimento elétrico, metal e SiC são os dois principais materiais utilizados como fonte de calor. Como mencionado anteriormente, a TKK tem sido um dos principais fabricantes de elementos de aquecimento de SiC por muitos anos. Com este passado, foi natural para nós desenvolver a unidade combinada de um tubo externo de nitreto de silício e uma resistência interna de SiC.
Um benefício para o usuário do aparelho combinado é que a compra de dois produtos diferentes – tubo de nitreto de silício e a resistência de SiC – de diferentes fabricantes não é mais necessária. Com esta unidade aquecedora de imersão, a aquisição pelos usuários será muito mais simples e menos problemática. Outra vantagem é a eficiência dos seus recursos técnicos. Estes produtos de dois componentes – um tubo de proteção e um elemento de aquecimento – exigem especificações precisas para serem combinados entre si para uso na faixa de temperatura pretendida.
Os parâmetros, tais como a folga entre os dois materiais e a tolerância dimensional necessária para acomodar a expansão térmica, são concebidos para a unidade combinada. A unidade pode ser controlada de forma eficiente a uma temperatura exata no banho de alumínio fundido, devido ao grande aquecimento por efeito Joule e consequente elevada produção de calor do SiC.
Além disso, o design compacto desta unidade faz com que seja de fácil manuseio. Ele utiliza uma fonte de alimentação de 200 V e pode ser protegido de sobrecarga com um termopar embutido. Esta unidade combinada não irá restringir a flexibilidade de design dos seus equipamentos, porque nós podemos produzir unidades especificadas sob encomenda. Por exemplo, nós podemos fornecer uma unidade combinada com design personalizado para necessidades elétrica e de espaço específicas que os clientes podem encontrar em seus equipamentos.
A Fig. 4 é um exemplo de montagem customizada de uma unidade combinada que precisava ter um comprimento da zona quente de 500 mm (19,7 polegadas), tensão de entrada de 230 V e uma potência de saída de 18 kW. Neste caso, o espaçador para manter o elemento de aquecimento junto ao tubo de proteção foi feito com o nitreto de silício, o que assegura a integridade mecânica da unidade combinada através da gama de temperaturas.
Outra aplicação da mulita porosa na indústria de não ferrosos é como tubos de proteção dos elementos de aquecimento da fundição de alumínio, que protegem os elementos de aquecimento de respingos de alumínio. Esses tubos têm a resistência ao choque térmico adequada, e não reagem com os elementos de aquecimento.
Abordagem Técnica sobre a Unidade de Aquecimento de Imersão
Para efetivamente fornecer energia suficiente para todo o banho de alumínio fundido, é necessário muitas vezes um aquecedor de alta potência. Para utilizar uma potência de entrada tão alta, no entanto, ambos os componentes precisam ser projetados para suportar calor e densidade de potência. Para fabricar um sistema de aquecimento eficiente como esse, é necessário compreender o mecanismo de transferência de calor no banho.
Para este mecanismo de transferência de calor, como mostrado nas Fig. 5 e 6, a energia irá mover-se do elemento de aquecimento, com o calor produzido nele por efeito Joule, para a parede interior do tubo de proteção, em seguida, para a parede exterior do tubo, em seguida, para o alumínio fundido e, finalmente, para as paredes do forno de fusão.
Este fluxo de calor consiste de radiação, convecção e condução térmicas em série. É difícil calcular o valor exato da energia necessária por meio de cálculos simples. A TKK abordou este problema de concepção, medindo as temperaturas em elementos de aquecimento no interior e no exterior dos tubos de proteção e no banho de alumínio fundido para diferentes unidades de aquecimento de saída e diferentes projetos de aquecedores. A Fig. 7 mostra as temperaturas de tais pontos de medição. Como você pode ver, a temperatura da resistência sobe com maiores potências de saída, mas as temperaturas do tubo de proteção permanecem em um valor constante. Isto é porque a condutividade térmica relativamente alta do tubo de nitreto de silício rapidamente transfere o calor do elemento de SiC para o alumínio fundido, o qual, em seguida, transfere o calor por convecção por todo o banho.
Uma vez que a temperatura do alumínio fundido permanece constante, os elementos com maiores potências de entrada resultarão numa mais rápida transferência de calor e em uma temperatura mais estável do alumínio, já que as correntes convectivas recirculam o alumínio mais frio das paredes frias do forno. Por razões de esclarecimento, a condutividade de calor do ar é de 0,024 W/cm2, do alumínio é de 237 W/cm2 e do nosso tubo de proteção de nitreto de silício é de 40 W/cm2. Pode-se dizer a partir desta observação que o sistema de imersão é um método eficiente para introduzir energia no banho.
A Fig. 8 mostra a temperatura da superfície da resistência por densidade de Watt, em que a temperatura do aquecedor pode ir tão alto quanto 1450°C. Os elementos de metal não podem alcançar uma temperatura de superfície tão elevada, devido às limitações de oxidação e fusão. Isto significa que a transferência de calor de um elemento de SiC para o banho de alumínio pode ser muito mais rápida e, portanto, mais eficiente do que a de um elemento de metal.
Resumo
Os dados técnicos apresentados neste artigo são uma pequena parte de nosso corpo de conhecimento. A TKK se esforça continuamente para produzir aquecedores combinados e tubos de proteção melhores, mais duradouros e mais eficientes, por meio de estudos práticos de nossos materiais e de seus processos.
Para mais informações, contate Toshio Nakai, Tokai Carbon EUA, +1-503-640-2039; tnakai@tokaicarbon.com; www.eremaproducts.com.
