Os elementos de aquecimento de carboneto de silício (SiC) oferecem alta resistência à temperatura, baixo coeficiente de expansão térmica e excelente estabilidade química. São amplamente utilizados em processos de alta temperatura, como sinterização de peças e fusão de esmaltes, atendendo aos requisitos de diversos fornos e estufas.
Na produção, a falha de elementos de aquecimento de SiC representa um grande desafio para muitos fabricantes de cerâmica. Para auxiliar na resolução desse problema, este artigo analisa as causas da falha desses elementos. Através de casos práticos de produção, são apresentadas medidas para prolongar a vida útil dos elementos de aquecimento de SiC e reduzir os custos de produção.
3 Principais causas de danos em elementos de aquecimento de SiC
As causas de danos nos elementos de aquecimento de SiC podem ser categorizadas em 3 tipos: danos físicos, operação inadequada e fatores ambientais.
Danos físicos
Os elementos de aquecimento de carboneto de silício são duros e quebradiços. Possuem resistência relativamente baixa à compressão e ao impacto. O manuseio inadequado durante o transporte, armazenamento ou instalação pode resultar em danos latentes, causando a quebra dos elementos durante o uso.
Colisões de transporte
Os elementos de aquecimento de SiC são geralmente transportados em lotes. Se os elementos não forem embalados em camadas com materiais de amortecimento ou se forem submetidos a impactos e pressão de empilhamento durante o transporte, microfissuras podem se formar facilmente. Essas fissuras se propagam rapidamente sob altas temperaturas devido ao estresse térmico, levando, por fim, à fratura.
Quebra de elementos de aquecimento de carboneto de silício devido a problemas de embalagem e transporte.Armazenamento inadequado
Armazenar resistências de aquecimento de SiC em um depósito úmido pode causar a decomposição e o desprendimento da camada de alumínio na extremidade fria. Isso frequentemente leva ao aparecimento de rachaduras após o acionamento do equipamento.
Além disso, a queda de detritos que atingem os elementos pode causar danos ou quebras diretas. Quando os elementos de aquecimento de SiC são empilhados para armazenamento a longo prazo, os produtos na parte inferior podem deformar-se, afetando a instalação e aumentando o risco de danos.
Instalação incorreta
Se os orifícios do forno forem muito pequenos ou o material de enchimento estiver muito compactado, os elementos não conseguirão girar livremente, o que pode causar fraturas. Força excessiva também causa danos.
Além disso, quando o comprimento da zona de aquecimento não corresponde à largura do forno, partes da zona de aquecimento que se estendem para dentro da parede do forno irão queimar a parede. Isso causará superaquecimento localizado, levando a danos no elemento de aquecimento. Se a extremidade fria se estender além da parede do forno em menos de 50-150 mm, resultará em resfriamento insuficiente das braçadeiras de conexão e danos ao elemento de aquecimento de SiC.
Operação inadequada
A falta de conhecimento suficiente sobre elementos de aquecimento de SiC ou o não cumprimento dos procedimentos operacionais do forno resultam em danos. Operações padronizadas podem evitar esses problemas de forma eficaz.
Resistência inadequada / Fiação incorreta
O valor da resistência dos elementos de aquecimento de SiC aumenta com a elevação da temperatura e o tempo de serviço. Ao utilizar múltiplos elementos, a falta de medição e comparação dos valores de resistência resulta em distribuição desigual da carga dentro do mesmo forno. Elementos com maior resistência suportarão mais potência, levando a falhas prematuras.
A ligação em série de vários elementos de aquecimento de SiC causa um aumento rápido na resistência de cada elemento, reduzindo sua vida útil. Fornos cerâmicos devem utilizar fiação em paralelo.
Controle inadequado de temperatura
A aplicação da tensão nominal durante a fase de energização faz com que os elementos de aquecimento de SiC aqueçam muito rapidamente. Essa velocidade excessiva de expansão e contração térmica gera tensão interna, provocando fraturas.
Desligamentos frequentes
Durante o uso contínuo, os elementos de SiC formarão uma camada de SiO₂.2 Película protetora para retardar a oxidação. Desligamentos intermitentes fazem com que a película se rompa repetidamente, acelerando significativamente a oxidação.
Carga superficial excessiva
A carga superficial de um elemento de aquecimento de SiC é a razão entre a potência de aquecimento e a área da zona de aquecimento. Quanto maior a carga, mais rápida a oxidação e menor a vida útil. Aumentar a potência dos elementos em busca de maior eficiência leva a cargas superficiais excessivas, acelerando o envelhecimento e a quebra.
Temperatura máxima e carga superficial de elementos de aquecimento de SiC em diferentes atmosferasIncapaz de dissipar o calor
Devido à compactação excessiva dos corpos verdes no forno ou à ventilação insuficiente do sistema, o calor gerado pelos elementos de aquecimento de SiC não consegue escapar de forma eficaz.
Quando a distância entre os elementos de aquecimento de SiC e os corpos verdes ou a parede interna do forno se torna menor que três vezes o diâmetro da zona de aquecimento, ocorre acúmulo de calor. O superaquecimento localizado agrava o envelhecimento e os danos.
Ambiental Fatores
A atmosfera e a umidade dentro do forno cerâmico afetam significativamente a vida útil dos elementos de aquecimento de SiC.
Corrosão atmosférica
Os metais alcalinos presentes nos esmaltes volatilizarão a altas temperaturas, formando vapores alcalinos. Estes podem se combinar com o SiO₂.2 película e produzir vidro de silicato de sódio com baixo ponto de fusão, gotejando para danificar a película e assim acelerar a oxidação.
Corpos verdes úmidos liberam grandes quantidades de vapor de água ao entrarem no forno. Esse vapor reage com o carbeto de silício para produzir SiO₂.2 e hidrogênio, enfraquecendo a resistência mecânica dos elementos de aquecimento.
Ambientes úmidos
A umidade excessiva na oficina de produção ou a vedação inadequada do forno fazem com que os elementos de aquecimento de SiC absorvam umidade. Quando energizados, a umidade interna evapora rapidamente, gerando pressão interna que pode facilmente causar rupturas ou rachaduras.
Um ambiente úmido também acelera a oxidação nas extremidades frias dos elementos de aquecimento, levando ao aumento da resistência de contato e ao aquecimento localizado severo.
Estudo de caso de danos em um elemento de aquecimento de SiC
Uma fabricante de cerâmica especializada em cerâmica de uso diário utiliza um forno de rolos com elementos de aquecimento de carbeto de silício em forma de U para a sinterização das peças. A empresa registrou frequentes fraturas desses elementos.
Alguns elementos quebraram em 1 a 2 semanas após serem energizados, enquanto outros foram danificados após cerca de 1 mês de uso. Isso causou flutuações na temperatura do forno, resultando em defeitos no produto, como rachaduras e deformações no esmalte, o que impactou severamente a produção.
Após investigação, as causas dos danos ao elemento de aquecimento foram identificadas em 3 áreas principais.
Falhas de supervisão em transporte e inspeção
Este lote de elementos de aquecimento de SiC foi embalado em caixas de madeira com apenas um simples enchimento de espuma. As vibrações durante o transporte causaram fissuras latentes em vários deles.
Além disso, a empresa não realizou inspeções de superfície nem testes de resistência. Após receber os materiais, instalaram-nos diretamente para uso.
Operações não padronizadas
Para aumentar a eficiência, os operadores aplicavam a tensão nominal diretamente durante a fase de energização, causando a fratura dos elementos devido ao aquecimento rápido. Além disso, o forno era desligado intermitentemente de 2 a 3 vezes por dia, o que fazia com que a película protetora se rompesse repetidamente.
Corrosão de Materiais
Durante o processo de alimentação, o esmalte não foi misturado uniformemente. Isso levou ao respingo de esmalte fundido nas superfícies dos elementos de SiC, causando corrosão a longo prazo.
Corpos verdes não completamente secos também liberaram enormes quantidades de vapor de água, agravando ainda mais os danos.
Medidas de melhoria
Para solucionar esses problemas, a empresa implementou as seguintes medidas.
O método de embalagem foi alterado para um sistema de dupla camada de proteção, utilizando espuma EPE em camadas e espuma tradicional. Foram adicionados procedimentos de inspeção de superfície e testes de resistência durante o recebimento para eliminar elementos danificados, úmidos ou fora das tolerâncias.
Embalagem aprimorada de elementos de aquecimento de carboneto de silícioOs operadores precisavam aplicar apenas metade da tensão nominal durante a fase de energização, aumentando-a gradualmente à medida que a temperatura do forno se estabilizava. Isso também reduziu as frequentes paradas intermitentes. Durante os períodos de inatividade, o forno mantinha uma temperatura constante de 400 °C para conservação do calor.
Eles regulamentaram o processo de mistura do esmalte e as operações de alimentação, aumentando os tempos de mistura para garantir a uniformidade e evitar respingos. Além disso, também aumentaram o tempo de secagem das peças cruas, adicionando uma fase de teste para garantir que as peças estejam completamente secas antes de entrarem no forno.
Após essas melhorias, a vida útil dos elementos de aquecimento foi estendida para mais de 3 meses. A estabilidade da temperatura do forno melhorou significativamente. A taxa de defeitos do produto caiu acentuadamente, garantindo efetivamente a eficiência da produção.
Perguntas frequentes
- O que é um elemento de aquecimento de carboneto de silício?
O elemento de aquecimento de carboneto de silício (SiC) é um componente elétrico não metálico. É fabricado com carboneto de silício verde de alta pureza. Esses elementos oferecem excelente resistência a altas temperaturas e desempenho estável para processos térmicos industriais severos.
- Como identificar uma resistência defeituosa?
O aparecimento de temperaturas irregulares ou pontos frios no forno.
Um rápido aumento na resistência elétrica dos elementos.
Uma ruptura física ou a formação de um arco voltaico são indícios do problema.
Realizar testes regulares pode ajudar a identificar elementos de aquecimento antigos.
- Quais são os sinais de um elemento de aquecimento de carbeto de silício defeituoso?
Os sinais de um elemento de SiC danificado incluem principalmente componentes trincados ou fraturados. Outros sinais são:
A camada de alumínio está se desprendendo.
Manchas escuras no componente.
Respingos de esmalte na superfície do componente de aquecimento.
- Qual é a vida útil de um elemento de aquecimento de SiC?
O uso industrial padrão normalmente dura vários meses.
O controle adequado da tensão e ambientes secos prolongam a vida útil. Desligamentos frequentes e corrosão química a reduzem significativamente.
Conclusão
Os elementos de aquecimento de carboneto de silício são frequentemente danificados por transporte, instalação e operação incorretos, bem como por influências ambientais. Ao identificar as causas dos danos e padronizar as operações, é possível reduzir a perda de elementos, garantindo uma operação estável e melhorando as taxas de qualificação do produto.
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Obrigado pela leitura. Espero que este artigo tenha sido útil.
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