Los tubos de protección de termopares son componentes críticos en los sistemas industriales de medición de temperatura a altas temperaturas.
Protegen los sensores de termopares de:
- Oxidación a alta temperatura
- Gasos corrosivos
- Materiales fundidos
- Choque térmico
- Daño mecánico
Entre los materiales de tubos de protección cerámicos, las cerámicas a base de carburo de silicio se utilizan ampliamente debido a su excelente:
- Estabilidad a altas temperaturas
- Conductividad térmica
- Resistencia al choque térmico
- Resistencia a la corrosión química
Sin embargo, no todos los tubos de protección de carburo de silicio funcionan de la misma manera.
Tres materiales comúnmente utilizados incluyen:
- Carburo de silicio recristalizado (RSiC)
- Carburo de silicio unido por reacción (SiSiC / RBSC)
- Carburo de silicio unido al nitruro de silicio (Si3N4-SiC)
Cada material tiene diferentes ventajas en términos de:
- Estenidad de los gases
- Temperatura máxima de funcionamiento
- Resistencia al choque térmico
- Resistencia a la corrosión
- Resistencia mecánica
La selección del material correcto requiere comprender las condiciones reales de funcionamiento.
El carburo de silicio recristalizado se produce utilizando partículas de SiC de alta pureza sin ningún aditivo o aglutinante de sinterización.
Durante la sinterización a aproximadamente:
2200 ∼ 2400°C
Las partículas finas de SiC se unen por evaporación y condensación, creando una estructura cerámica de alta pureza.
Propiedades típicas:
| Propiedad | El RSiC |
|---|---|
| Pureza de SiC | > 99 por ciento |
| Temperatura máxima de funcionamiento | 1650°C |
| Densidad de volumen | ~ 2,70 g/cm3 |
| Porosidad aparente | - El 15% |
| Conductividad térmica | -25 W/m·K (1000°C) |
| Coeficiente de expansión térmica | 4.8 × 10−6/°C |
RSiC mantiene un rendimiento estable a temperaturas de hasta:
1650°C
Es adecuado para:
- Oficios de fabricación de vidrio
- Incineradoras de alta temperatura
- Procesamiento de metales preciosos
- Entornos de gases de combustión que contienen azufre
Porque el RSiC contiene:
- Alta pureza de SiC
- Sin fase de silicio libre
- Sin fase de unión metálica
Proporciona una excelente resistencia a:
- Atmosferas oxidantes
- Compuestos de azufre
- Gases corrosivos a altas temperaturas
La combinación de:
- Baja expansión térmica
- Buena conductividad térmica
- Estructura ligera
permite que los tubos RSiC resistan cambios rápidos de temperatura.
Debido a su estructura porosa controlada:
- Existe la permeabilidad del gas
- No se puede garantizar el sellado completo
Por lo tanto, no se recomienda el uso de RSiC para:
- Sistemas de medición herméticos para gases
- Protección de termopares de metales preciosos sin revestimiento
Para los termopares Pt-Rh, generalmente se requiere un tubo interno de alumina adicional.
El carburo de silicio unido por reacción se fabrica infiltrando silicio fundido en un cuerpo poroso de carbono SiC.
El silicio reacciona con el carbono para formar SiC secundario, mientras que el silicio restante llena los poros.
Esto crea una estructura densa con casi cero porosidad.
Propiedades típicas:
| Propiedad | Sección 2 |
|---|---|
| Contenido de SiC | ~ 81% |
| Temperatura máxima de funcionamiento | 1350 ∼ 1400°C |
| Densidad de volumen | 30,00 ∼3,05 g/cm3 |
| Porosidad aparente | ~ 0% |
| Conductividad térmica | 35 ‰ 36 W/m·K |
| Coeficiente de expansión térmica | 4.4·4.5 ×10−6/°C |
La mayor ventaja de SiSiC es:
Porosidad abierta casi nula
Esto proporciona:
- Excelente sellado de gases
- Protección contra la penetración en la atmósfera
- Medición del termoparejo estable
Es especialmente adecuado para:
- Fuentes de energía
- Sistemas de análisis de gases
- Tratamiento térmico de atmósfera controlada
SiSiC ofrece:
- Alta densidad
- Alta resistencia a la flexión
- Excelente precisión dimensional
Fuerza de flexión típica:
260 ∼ 300 MPa a temperatura ambiente
Esto lo hace adecuado para aplicaciones que requieren durabilidad mecánica.
La alta conductividad térmica mejora:
- Eficiencia de transferencia de calor
- Velocidad de respuesta a la temperatura
- Precisión de las mediciones
Las principales limitaciones son:
Debido a que la estructura contiene silicio libre:
- La temperatura máxima es limitada
- La resistencia a la oxidación es inferior a la del RSiC
- Algunos ambientes metálicos fundidos pueden atacar la fase de silicio
Por lo tanto, el SiSiC generalmente no se recomienda para el funcionamiento continuo de los componentes anteriores:
1400°C
El carburo de silicio unido al nitruro de silicio se produce reaccionando el polvo de silicio con nitrógeno durante la sinterización.
La fase Si3N4 forma la red de unión entre los granos de SiC.
Propiedades típicas:
| Propiedad | Si3N4-SiC |
|---|---|
| Contenido de SiC | 73 ∼75% |
| Temperatura máxima de funcionamiento | -1450 °C |
| Densidad de volumen | 20,70 ∼ 2,80 g/cm3 |
| Porosidad aparente | 8 ¢28% |
| Conductividad térmica | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Coeficiente de expansión térmica | 4.5·5.1 ×10−6/°C |
El material se desempeña muy bien bajo:
- Calentamiento rápido
- Refrigeración rápida
- Ciclos frecuentes del horno
Se utiliza ampliamente en:
- Oficios de producción
- Fuentes de tratamiento térmico
- Sistemas de encendido de cerámica
La fase de unión del nitruro de silicio proporciona:
- Baja contracción
- Estructura estable
- Buena precisión de fabricación
En comparación con los materiales de alta pureza de RSiC o de densidad de SiC:
El Si3N4-SiC proporciona:
- Costo de producción más bajo
- Capacidad de gran tamaño
- Buen balance general del rendimiento
Comparado con el SiSiC:
- La estanqueidad del gas es menor.
Comparado con el RSiC:
- Capacidad de temperatura máxima es menor
No se recomienda para:
- Entornos muy alcalinos
- Exposición a las sales fundidas
- Atmosferas extremadamente corrosivas
| Propiedad | El RSiC | Sección 2 | Si3N4-SiC |
|---|---|---|---|
| Método de fabricación | Recristalización | Enlace por reacción de infiltración de silicio | Enlace de nitruro |
| Pureza de SiC | > 99 por ciento | ~ 81% | 73 ∼75% |
| Temperatura máxima de funcionamiento | 1650°C | 1350 ∼ 1400°C | -1450 °C |
| Porosidad | - El 15% | ~ 0% | 8 ¢28% |
| Estenidad de los gases | Moderado | Es excelente. | Es bueno. |
| Resistencia al choque térmico | Es excelente. | Es excelente. | Es excelente. |
| Conductividad térmica | - 25 W/m·K | 35 ‰ 36 W/m·K | 19 ‰ 20 W/m·K |
| Resistencia a la corrosión | Es excelente. | Es bueno. | Moderado |
| Resistencia mecánica | Mediano | En alto. | Mediano |
| Nivel de costes | En alto. | Mediano | Bajo |
| Aplicación típica | Corrosión a alta temperatura | Medición de la estanqueidad del gas | Ciclos térmicos |
✓ Temperatura superior a los 1500 °C
✓ La resistencia a la oxidación es crítica
✓ Existen gases que contienen azufre
✓ Se requiere resistencia al choque térmico
Aplicaciones típicas:
- Oficios de fabricación de vidrio
- Incineradoras
- Sistemas químicos de alta temperatura
✓ La estanqueidad del gas es la prioridad
✓ La protección del termoparejo requiere un sellado
✓ Es importante controlar la atmósfera
Aplicaciones típicas:
- Fuentes de energía
- Equipo de análisis de gases
- Sistemas de tratamiento térmico
✓ Se producen ciclos térmicos frecuentes
✓ La eficiencia de los costes es importante
✓ Se requieren tubos de gran diámetro
Aplicaciones típicas:
- Oficios de cerámica
- Oficios de producción de electricidad
- Equipo de tratamiento térmico
No existe un solo material de tubo de protección para termopares de carburo de silicio.
La elección óptima depende del entorno de operación:
- El RSiC proporciona la mayor capacidad de temperatura y resistencia a la corrosión.
- SiSiC proporciona la mejor estanqueidad de gas y resistencia mecánica.
- El SiC ligado a Si3N4 proporciona una excelente resistencia a los golpes térmicos y una eficiencia de costos.
Para una protección fiable del termopar, los ingenieros deben evaluar:
- Temperatura de funcionamiento
- Atmosfera del horno
- Requisitos de permeabilidad de los gases
- Frecuencia del ciclo térmico
- Condiciones de corrosión
La elección del material SiC correcto puede mejorar significativamente la vida útil del termoparejo, la precisión de medición y la fiabilidad del funcionamiento del horno.
