Os tubos de proteção do termocouple são componentes críticos nos sistemas de medição de temperatura industrial de alta temperatura.
Protegem os sensores do termocouple de:
- Oxidação a alta temperatura
- Gases corrosivos
- Materiais fundidos
- Choque térmico
- Danos mecânicos
Entre os materiais de tubos de proteção cerâmicos, as cerâmicas à base de carburo de silício são amplamente utilizadas devido à sua excelente:
- Estabilidade a altas temperaturas
- Conductividade térmica
- Resistência ao choque térmico
- Resistência à corrosão química
No entanto, nem todos os tubos de proteção de carburo de silício têm o mesmo desempenho.
Três materiais comumente utilizados incluem:
- Carbono de silício recristalizado (RSiC)
- Carbono de silício ligado por reação (SiSiC / RBSC)
- Carbono de silício ligado a nitreto de silício (Si3N4-SiC)
Cada material tem vantagens diferentes em termos de:
- Segurança dos gases
- Temperatura máxima de funcionamento
- Resistência ao choque térmico
- Resistência à corrosão
- Resistência mecânica
A escolha do material correto requer a compreensão das condições reais de funcionamento.
O carburo de silício recristalizado é produzido utilizando partículas de SiC de alta pureza sem aditivos ou ligantes de sinterização.
Durante a sinterização a aproximadamente:
2200 ∼ 2400°C
As partículas finas de SiC passam por ligação por evaporação-condensação, criando uma estrutura cerâmica de alta pureza.
Propriedades típicas:
| Imóveis | RSiC |
|---|---|
| Pureza de SiC | > 99% |
| Temperatura máxima de funcionamento | 1650°C |
| Densidade a granel | ~ 2,70 g/cm3 |
| Porosidade aparente | ~ 15% |
| Conductividade térmica | ~ 25 W/m·K (1000°C) |
| Coeficiente de expansão térmica | 40,8 × 10−6/°C |
O RSiC mantém um desempenho estável a temperaturas até:
1650°C
É adequado para:
- Fornos de fundição de vidro
- Incineradores de alta temperatura
- Processamento de metais preciosos
- Ambientes de gases de combustão que contenham enxofre
Porque o RSiC contém:
- Alta pureza de SiC
- Não há fase de silício livre
- Sem ligação metálica
Proporciona uma excelente resistência a:
- Atmosferas oxidantes
- Compostos de enxofre
- Gases corrosivos de alta temperatura
A combinação de:
- Baixa expansão térmica
- Boa condutividade térmica
- Estrutura leve
permite que os tubos RSiC resistam a mudanças rápidas de temperatura.
Devido à sua estrutura porosa controlada:
- Permeabilidade dos gases
- Não se pode garantir a vedação completa
Por conseguinte, o RSiC não é recomendado para:
- Sistemas de medição herméticos
- Proteção do termocouple de metais preciosos sem revestimento
Para os termopares Pt-Rh, geralmente é necessário um tubo interno de alumina adicional.
O carburo de silício ligado por reação é fabricado por infiltração de silício fundido em um corpo poroso de carbono SiC.
O silício reage com o carbono para formar SiC secundário, enquanto o silício restante preenche os poros.
Isto cria uma estrutura densa com quase porosidade zero.
Propriedades típicas:
| Imóveis | Siso-C |
|---|---|
| Teor de SiC | ~ 81% |
| Temperatura máxima de funcionamento | 1350 ∼ 1400°C |
| Densidade a granel | 30,00 ∼3,05 g/cm3 |
| Porosidade aparente | ~ 0% |
| Conductividade térmica | 3536 W/m·K |
| Coeficiente de expansão térmica | 4.4 ∙ 4.5 × 10−6/°C |
A maior vantagem do SiSiC é:
Quase zero porosidade aberta
Esta disposição prevê:
- Excelente vedação dos gases
- Proteção contra a penetração na atmosfera
- Medição do termocouple estável
É especialmente adequado para:
- Fornos atmosféricos
- Sistemas de análise de gases
- Tratamento térmico de atmosfera controlada
O SiSiC fornece:
- Alta densidade
- Alta resistência à flexão
- Excelente precisão dimensional
Resistência flexural típica:
260-300 MPa à temperatura ambiente
Isto o torna adequado para aplicações que exigem durabilidade mecânica.
A alta condutividade térmica melhora:
- Eficiência de transferência de calor
- Velocidade de resposta à temperatura
- Precisão de medição
As principais limitações são:
Porque a estrutura contém silício livre:
- Temperatura máxima limitada
- Resistência à oxidação inferior ao RSiC
- Certos ambientes metálicos fundidos podem atacar a fase de silício
Por conseguinte, o SiSiC não é geralmente recomendado para a operação contínua acima:
1400°C
O carburo de silício ligado ao nitruro de silício é produzido pela reação do pó de silício com nitrogênio durante a sinterização.
A fase Si3N4 forma a rede de ligação entre os grãos de SiC.
Propriedades típicas:
| Imóveis | Si3N4-SiC |
|---|---|
| Teor de SiC | 73% 75% |
| Temperatura máxima de funcionamento | ~ 1450°C |
| Densidade a granel | 20,70 ∼ 2,80 g/cm3 |
| Porosidade aparente | 8°28% |
| Conductividade térmica | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Coeficiente de expansão térmica | 4.5·5.1 × 10−6/°C |
O material tem um desempenho extremamente bom sob:
- Aquecimento rápido
- Refrigeração rápida
- Ciclos frequentes do forno
É amplamente utilizado em:
- Fornos intermitentes
- Fornos de tratamento térmico
- Sistemas de disparo cerâmicos
A fase de ligação do nitruro de silício fornece:
- Baixo encolhimento
- Estrutura estável
- Boa precisão de fabrico
Em comparação com materiais de alta pureza de RSiC ou de alta densidade de SiC:
O Si3N4-SiC fornece:
- Baixo custo de produção
- Capacidade de grande dimensão
- Bom equilíbrio de desempenho global
Em comparação com o SiSiC:
- A estanqueidade do gás é menor.
Em comparação com o RSiC:
- Capacidade máxima de temperatura é menor
Não é recomendado para:
- Ambientes fortemente alcalinos
- Exposição ao sal fundido
- Atmosferas extremamente corrosivas
| Imóveis | RSiC | Siso-C | Si3N4-SiC |
|---|---|---|---|
| Método de fabrico | Recristalização | Reacção de ligação por infiltração de silício | Ligação de nitritos |
| Pureza de SiC | > 99% | ~ 81% | 73% 75% |
| Temperatura máxima de funcionamento | 1650°C | 1350 ∼ 1400°C | ~ 1450°C |
| Porosidade | ~ 15% | ~ 0% | 8°28% |
| Segurança dos gases | Moderado | Excelente. | Muito bem. |
| Resistência ao choque térmico | Excelente. | Excelente. | Excelente. |
| Conductividade térmica | ~ 25 W/m·K | 3536 W/m·K | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Resistência à corrosão | Excelente. | Muito bem. | Moderado |
| Resistência mecânica | Médio | Alto | Médio |
| Nível de custos | Alto | Médio | Baixo |
| Aplicação típica | Corrosão a altas temperaturas | Medição da estanquidade do gás | Ciclos térmicos |
✓ Temperatura superior a 1500°C
✓ A resistência à oxidação é crítica
✓ Existem gases que contêm enxofre
✓ Requer resistência a choques térmicos
Aplicações típicas:
- Fornos de fundição de vidro
- Incineradores
- Sistemas químicos de alta temperatura
✓ A estanqueidade dos gases é a prioridade
✓ A protecção do termocouple requer vedação
✓ O controlo da atmosfera é importante
Aplicações típicas:
- Fornos atmosféricos
- Equipamento de análise de gases
- Sistemas de tratamento térmico
✓ ocorrem ciclos térmicos frequentes
✓ A eficiência dos custos é importante
✓ São necessários tubos de grande diâmetro
Aplicações típicas:
- Fornos de cerâmica
- Fornos intermitentes
- Equipamento de tratamento térmico
Não existe um único material para tubos de proteção de termocouple de carburo de silício.
A escolha ideal depende do ambiente de funcionamento:
- O RSiC fornece a mais alta capacidade de temperatura e resistência à corrosão.
- O SiSiC proporciona a melhor estanquidade de gás e resistência mecânica.
- O SiC ligado a Si3N4 fornece excelente resistência ao choque térmico e eficiência de custo.
Para uma proteção fiável do termocouple, os engenheiros devem avaliar:
- Temperatura de funcionamento
- Atmosfera do forno
- Requisitos de permeabilidade dos gases
- Frequência do ciclo térmico
- Condições de corrosão
A escolha do material SiC correto pode melhorar significativamente a vida útil do termocouple, a precisão de medição e a confiabilidade da operação do forno.
