Quais materiais são usados ​​para placas de aquecimento em aplicações de ultra{0}alta temperatura acima de 300 graus?

As placas de aquecimento de alumínio (tipo padrão, revestidas com PTFE) são limitadas a aproximadamente. 260 graus. Para procedimentos que exigem 300 graus, 400 graus ou até mais, uma classe distinta de materiais e tecnologias de aquecimento é implantada. Placas de aquecimento de temperatura ultra{5}}alta são componentes vitais em uma ampla variedade de setores, como fabricação de semicondutores, cura de compósitos, formação de vidro e testes de materiais em alta temperatura. A escolha do material da placa e do tipo de aquecedor garante uma operação confiável, distribuição uniforme de calor e longa vida útil sob intenso estresse térmico.

Critérios de seleção de materiais para placas de alta temperatura
Traditional materials are no longer viable at >300 graus: alumínio (ponto de fusão 660 graus, mas perde rapidamente resistência acima de 200 graus) e PTFE (uso contínuo máximo de 260 graus). Os principais parâmetros para a escolha dos materiais das placas são:

Temperatura máxima de operação contínua - O material deve possuir resistência mecânica e resistência à oxidação ou fluência na temperatura especificada.

Condutividade térmica - Quanto maior a condutividade, melhor será a uniformidade da temperatura em toda a placa.

Coeficiente de expansão térmica (CTE) - Deve corresponder ao dos aquecedores incorporados e do hardware de montagem para evitar tensão indevida.

Resistência à corrosão e oxidação - De particular importância no ar ou em atmosferas de processo agressivas.

Custo e usinabilidade - Aspectos práticos de fabricação.

Opções para material de placa em temperaturas acima de 300 graus
A escolha do material depende da faixa específica de temperatura, da uniformidade necessária e do ambiente do processo. Estes são os materiais mais utilizados.

Aço inoxidável (304, 316, 321)
Placas de aço inoxidável são boas até cerca de 500 C (300 C confiável). As classes 304 e 316 têm forte resistência à oxidação e resistência moderada. Para ciclos térmicos repetidos, o grau 321 (estabilizado com titânio) oferece resistência superior à corrosão intergranular.

O aço inoxidável, entretanto, tem condutividade térmica relativamente baixa (aproximadamente 15 W/m·K para 304, vs 205 W/m·K para alumínio). Freqüentemente, são necessárias placas mais espessas (15-25 mm) para atingir uma temperatura superficial uniforme. Se a placa não for suficientemente espessa ou se os aquecedores forem colocados muito próximos da superfície, poderá ocorrer empenamento. Em temperaturas superiores a 500 graus, a oxidação dos aços inoxidáveis ​​acelera e são necessárias ligas com alto teor de níquel.

Ligas de níquel-cromo (Incoloy, Inconel)
Ligas de níquel-cromo-ferro para serviços severos, como Incoloy (800, 825) e Inconel (600, 625). Esses materiais têm resistência muito boa e resistência à oxidação de até 800 graus e mais. Eles são os materiais preferidos para aquecer placas no ar ou em atmosferas corrosivas a temperaturas de 500–800 graus.

Incoloy 800 tem uma temperatura máxima contínua de cerca de 870 graus. Com uma condutividade térmica de cerca de 11-15 W/m·K, é semelhante ao aço inoxidável. Possui alto teor de níquel que resiste à oxidação e à corrosão sob tensão por cloreto. O Inconel 600 pode ser utilizado até 1.090 graus, porém a condutividade térmica cai para aproximadamente 15 W/mK à temperatura ambiente e 20 W/mK a 800 graus. Essas ligas custam substancialmente mais que o aço inoxidável, mas são normalmente a única opção viável para procedimentos em temperaturas ultra-altas.

Alumínio Fundido, Bronze ou Ferro Dúctil
O bronze de alumínio fundido (liga de cobre-alumínio) é um forte candidato para aplicações de alta temperatura moderada (300–450 graus), pois possui excelente resistência e excelente condutividade térmica (∼40–60 W/m·K). É amplamente utilizado em matrizes de placas quentes e equipamentos de moldagem onde a transferência de calor é importante. Mas o bronze de alumínio não é aceitável acima de 500 graus devido à oxidação.

O ferro dúctil (ferro fundido nodular) pode ser usado até cerca de 600 graus com uma condutividade térmica de cerca de 30–40 W/m·K. Mais barato que as ligas de níquel e pode ter formatos complicados. O ferro dúctil é, no entanto, suscetível à incrustação superficial a 500 graus C, a menos que seja revestido ou utilizado em atmosfera controlada.

Materiais alternativos exóticos
Para as aplicações de maior temperatura (800–1200 graus), são utilizadas placas cerâmicas (alumina, carboneto de silício) ou placas de grafite. As placas cerâmicas têm condutividade térmica muito baixa (20–30 W/m·K para carboneto de silício, 3–5 W/m·K para alumina) que pode criar não-uniformidade de temperatura, a menos que sejam cuidadosamente construídas com dispositivos de aquecimento dispersos. As placas de grafite têm boa condutividade térmica (100-150 W/mK). Contudo, a oxidação começa além de 400 graus e requer uma atmosfera protetora (vácuo ou gás inerte). Esses materiais estão fora da faixa de placas quentes industriais normais, mas são mencionados para fins de integridade.

Tecnologias de aquecedores de placas de alta temperatura
O aquecedor embutido ou preso à placa também deve ser capaz de resistir a altas temperaturas. Aquecedores padrão isolados com PTFE ou borracha de silicone não são aceitáveis ​​acima de 260 graus. Os tipos de aquecedores abaixo são usados ​​para placas de temperatura ultra-alta.

Aquecedores de cartucho – alta temperatura
Os aquecedores de cartucho são aquecedores resistivos cilíndricos que são encaixados em furos especiais na placa. Para serviços acima de 300 graus, o material da bainha deve ser de liga de alto níquel (Incoloy 800, Inconel 600) ou aço inoxidável com resistência à oxidação aceitável. O isolamento interno é de óxido de magnésio comprimido (MgO), que é estável a > 800 graus. Os aquecedores de cartucho podem atingir temperaturas de superfície de 750 graus ou mais.

Esses aquecedores possuem uma densidade de potência muito boa (até 50 W/cm 2 ) e podem ser dispostos em uma grade para criar uma temperatura uniforme na placa. No entanto, a incompatibilidade CTE entre a bainha do aquecedor e o material da placa deve ser levada em consideração. O ajuste frouxo (folga de 0,05–0,10 mm) permite a expansão e substituição do aquecedor.

Faixa isolada de mica ou aquecedores de tira
Os aquecedores isolados de mica são feitos de um fio de resistência enrolado em um núcleo de mica imprensado entre folhas de mica e revestido por uma bainha de metal (aço inoxidável ou Incoloy). Normalmente, esses aquecedores são fixados na periferia ou aparafusados ​​na parte inferior de uma placa de aquecimento. O isolamento de mica é classificado para operação contínua em temperaturas de até 480 graus (algumas classes até 650 graus [). Os aquecedores de mica são ideais para várias aplicações de placas de alta temperatura, com a temperatura da bainha metálica atingindo 450–600 graus.

Aquecedores de tira (seção transversal-retangular) podem ser fundidos na placa ou fixados em ranhuras usinadas. Eles têm uma densidade de watts mais baixa (geralmente 5–15 W/cm2) do que os aquecedores de cartucho, mas são mais fáceis de trocar.

Aquecedores elétricos de fibra cerâmica
Para temperaturas de placa acima de 600 graus, são utilizados aquecedores isolados com fibra cerâmica. Eles empregam um fio de resistência (FeCrAl ou NiCr) inserido em uma manta de fibra cerâmica ou placa cerâmica-formada a vácuo. O isolamento cerâmico é robusto até 1200 graus. Esses aquecedores são frequentemente utilizados como painéis-radiadores livres, não encapsulados em uma placa de metal. Se uma placa de metal ainda for necessária (por exemplo, para suporte mecânico ou mesmo para distribuição de temperatura), um aquecedor de cerâmica pode ser localizado atrás de uma placa Incoloy fina, sendo a placa aquecida por radiação e condução.

Tabela de seleção de material de placa de aquecimento-de alta temperatura
A tabela a seguir descreve as principais características dos materiais típicos de placas de aquecimento de alta temperatura.

Material Grau máximo de temperatura contínua Condutividade térmica W/m·K Custo relativoAplicações Típicas
Alumínio (6061) 200 (revestido) 205 Baixo Não apropriado acima de 260 graus Aço inoxidável 304 500 15 Baixo Uso geral até 500 graus; risco de deformação
Aço Inoxidável 321 550 15 Baixa-MédiaResistência ao ciclo térmico
Incoloy 800 870 11-15 alto 500-800 graus; resistência à oxidação
Inconel 600 1090 15-20 Muito AltaTemperaturas extremas; atmosferas corrosivas
Alumínio Fundido Bronze 450 40-60 Condutor Médio Bom; ferramentas de moldagem
Ferro Dúctil 600 30-40 Baixo-MédioBarato até 600 graus; escala acima
Carboneto de Silício (cerâmica) 1400 20-30 Muito alta Fragilidade em altas temperaturas
Projeto de Placas - Considerações Práticas
Incompatibilidade de expansão térmica
Se você incorporar aquecedores de metal (como aquecedores de cartucho) em uma placa de material diferente, deverá considerar a diferença no coeficiente de expansão térmica (CTE). Por exemplo, um aquecedor de cartucho Incoloy tem um CTE de cerca de 15 x 10⁻⁶/ grau e uma placa Incoloy tem um CTE semelhante, portanto, não há incompatibilidade. Uma placa de aço inoxidável (CTE ~17), entretanto, com aquecedores Inconel (CTE ~14) gerará tensão de cisalhamento quando aquecida. O ajuste com folga e o composto anti-gripagem de alta temperatura ou folha de grafite tornam possível o movimento relativo.

Resistência à oxidação
Para placas que trabalham a 500°C ao ar a oxidação da superfície é inevitável. Um revestimento fino de óxido pode ser tolerável, mas incrustações significativas podem alterar a emissividade e poluir o processo. A limpeza periódica ou a aplicação de revestimentos cerâmicos de alta temperatura (por exemplo, à base de alumina) podem ajudar a reduzir a incrustação. Em aplicações críticas, uma purga de gás inerte (nitrogênio ou argônio) pode ser utilizada ao redor da placa.

Placa de montagem no aquecedor
Em temperaturas elevadas, normalmente evita-se a brasagem ou soldagem de resistências na placa, pois as substituições são impossíveis. Fixação mecânica (para aquecedores de tiras) ou aquecedores de cartucho removíveis em furos são as opções recomendadas. Uma pasta térmica ou enchimento condutor (por exemplo, à base de grafite) deve ser aplicada entre o aquecedor e a placa para aumentar a transferência de calor e preencher lacunas devido à expansão.

Resumindo
Placas de aquecimento para aplicações de alta temperatura superiores a 300 graus precisam de materiais e tecnologia de aquecimento exclusivos. Alumínio e PTFE, padrão, chegam a cerca de 260 graus. Aquecedores isolados-de mica ou cartuchos em placas de aço inoxidável são econômicos para a faixa de 300-500 graus, mas é preciso lidar com empenamento e oxidação. Ligas de níquel-cromo (Incoloy, Inconel) são preferidas como materiais de placa para a faixa de 500 a 800 graus usando aquecedores de cartucho de alta temperatura (bainha Incoloy, isolamento de MgO) ou aquecedores de fibra cerâmica. Na faixa de 300 a 600 graus, o bronze de alumínio fundido e o ferro dúctil têm usos especializados onde a condutividade térmica é favorecida. Qualquer componente quebrará rapidamente se a temperatura contínua máxima for excedida. É assim que os limites de material definem o envelope operacional viável. Através da escolha adequada de materiais de placas e tipos de aquecedores, podem ser projetadas placas de aquecimento confiáveis ​​de alta temperatura para processos industriais exigentes.