Quins materials s'utilitzen per escalfar plaques en aplicacions d'ultra-temperatura per sobre dels 300 graus?

Les plaques de calefacció d'alumini (tipus estàndard, recobertes de PTFE) estan limitades a uns . 260 graus . Per als procediments que requereixen 300 graus, 400 graus o fins i tot superiors, es desplega una classe diferent de materials i tecnologies de calefacció. Les plaques d'escalfament d'ultra-temperatura són components vitals en una gran varietat de sectors, com ara la fabricació de semiconductors, el curat de compostos, la conformació de vidre i les proves de materials d'alta temperatura. L'elecció del material de la placa i el tipus d'escalfador garanteix un funcionament fiable, una distribució uniforme de la calor i una llarga vida útil sota estrès tèrmic intens.

Criteris de selecció de materials per a plaques d'alta temperatura
Traditional materials are no longer viable at >300 graus: alumini (punt de fusió 660 graus, però perd força ràpidament per sobre de 200 graus) i PTFE (ús continu màxim 260 graus). Els principals paràmetres per a l'elecció dels materials de la placa són:

Temperatura màxima de funcionament continu - El material ha de tenir resistència mecànica i resistència a l'oxidació oa la fluència a la temperatura especificada.

Conductivitat tèrmica - Com més gran sigui la conductivitat, millor serà la uniformitat de la temperatura a tota la placa.

Coeficient d'expansió tèrmica (CTE) - Ha de coincidir amb el dels escalfadors integrats i el maquinari de muntatge per evitar una tensió excessiva.

Resistència a la corrosió i a l'oxidació - D'especial importància a l'aire o en atmosferes dures de procés.

Cost i mecanització - Aspectes pràctics per a la fabricació.

Opcions per a material de placa a temperatures superiors a 300 graus
L'elecció del material depèn del rang de temperatura específic, la uniformitat necessària i l'entorn del procés. Aquests són els materials més utilitzats.

Acer inoxidable (304, 316, 321)
Les plaques d'acer inoxidable són bones fins a uns 500 C (300 C fiables). Els graus 304 i 316 tenen una forta resistència a l'oxidació i una força moderada. Per a cicles tèrmics repetits, el grau 321 (estabilitzat amb titani) ofereix una resistència superior a la corrosió intergranular.

L'acer inoxidable, però, té una conductivitat tèrmica relativament baixa (aproximadament 15 W/m·K per a 304, enfront de 205 W/m·K per a l'alumini). Sovint es necessiten plaques més gruixudes (15-25 mm) per aconseguir una temperatura superficial uniforme. Si la placa no és prou gruixuda, o si els escalfadors es posen massa a prop de la superfície, es pot produir deformació. A temperatures superiors als 500 graus, l'oxidació dels acers inoxidables s'accelera i es requereixen aliatges d'alt nivell de níquel.

Níquel-Aliatges de crom (Incoloy, Inconel)
Aliatges de níquel-crom-ferro per a treballs durs, com ara Incoloy (800, 825) i Inconel (600, 625). Aquests materials tenen una força i una resistència a l'oxidació molt bona fins a 800 graus i més. Són els materials preferits per escalfar plaques a l'aire o en atmosferes corrosives a temperatures de 500 a 800 graus.

Incoloy 800 té una temperatura màxima contínua d'uns 870 graus. Amb una conductivitat tèrmica d'uns 11-15 W/m·K, és similar a l'acer inoxidable. Té un alt contingut de níquel que resisteix l'oxidació i el craqueig per corrosió per estrès de clorur. L'Inconel 600 es pot utilitzar fins a 1090 graus, però la conductivitat tèrmica cau a aproximadament 15 W/mK a temperatura ambient i 20 W/mK a 800 graus. Aquests aliatges costen substancialment més que l'acer inoxidable, però normalment són l'única opció viable per a procediments de temperatura ultra alta.

Bronze fos d'alumini o ferro dúctil
El bronze d'alumini fos (aliatge de coure-alumini) és un fort candidat per a aplicacions moderades d'alta temperatura (300–450 graus) ja que posseeix una resistència excepcional i una conductivitat tèrmica excel·lent (∼40–60 W/m·K). S'utilitza àmpliament per a matrius de placa calenta i equips d'emmotllament on la transferència de calor és important. Però el bronze d'alumini no és acceptable per sobre dels 500 graus a causa de l'oxidació.

El ferro dúctil (ferro colat nodular) es pot utilitzar a uns 600 graus amb una conductivitat tèrmica d'uns 30-40 W/m·K. Més barat que els aliatges de níquel i es pot formar en formes complicades. Tanmateix, el ferro dúctil és susceptible a l'escala superficial a 500 graus C tret que estigui recobert o utilitzat en una atmosfera controlada.

Materials alternatius exòtics
Per a les aplicacions de major temperatura (800-1200 graus) s'utilitzen plaques ceràmiques (alúmina, carbur de silici) o plaques de grafit. Les plaques de ceràmica tenen una conductivitat tèrmica molt baixa (20-30 W/m·K per al carbur de silici, 3-5 W/m·K per a l'alúmina) que pot crear una no uniformitat de temperatura tret que es construeixin amb cura amb dispositius de calefacció dispersos. Les plaques de grafit tenen una bona conductivitat tèrmica (100-150 W/mK). Tanmateix, l'oxidació comença més enllà dels 400 graus i requereix una atmosfera protectora (buit o gas inert). Aquests materials estan fora del rang de les plaques calents industrials normals, però s'esmenten per a la seva exhaustivitat.

Tecnologies d'escalfament de placa d'alta temperatura
L'escalfador incrustat o connectat a la placa també ha de ser capaç de resistir altes temperatures. Els escalfadors de cautxú de silicona o aïllats amb PTFE estàndard no són acceptables per sobre dels 260 graus. Els tipus d'escalfadors següents s'utilitzen per a plaques d'ultra-alta temperatura.

Escalfadors de cartutxos: alta temperatura
Els escalfadors de cartutxos són escalfadors resistius cilíndrics que s'instal·len en forats especials perforats a la placa. Per a un servei superior a 300 graus, el material de la funda ha de ser un aliatge d'alt níquel (Incoloy 800, Inconel 600) o acer inoxidable amb una resistència a l'oxidació acceptable. L'aïllament interior és òxid de magnesi comprimit (MgO) que és estable a > 800 graus. Els escalfadors de cartutxos poden assolir temperatures superficials de 750 graus i més.

Aquests escalfadors posseeixen una molt bona densitat de potència (fins a 50 W/cm 2 ) i es poden disposar en una reixeta per crear una temperatura uniforme de la placa. Tanmateix, cal tenir en compte el desajust CTE entre la funda de l'escalfador i el material de la placa. L'ajust solt (0,05–0,10 mm d'espai lliure) permet l'expansió i la substitució de l'escalfador.

Escalfadors de banda o tires aïllades en mica
Els escalfadors d'aïllament de mica estan fets d'un cable de resistència enrotllat sobre un nucli de mica intercalat entre làmines de mica i recobert amb una funda metàl·lica (acer inoxidable o Incoloy). Normalment, aquests escalfadors es fixen a la perifèria o es cargolen a la part inferior d'una placa de calefacció. L'aïllament de mica està classificat per a un funcionament continu a temperatures de fins a 480 graus (alguns graus fins a 650 graus [). Els escalfadors de mica són ideals per a diverses aplicacions de plaques d'alta temperatura, amb la temperatura de la funda metàl·lica que arriba als 450-600 graus.

Els escalfadors de tires ({0}}secció transversal rectangular) es poden colar a la placa o subjectar-se a les ranures mecanitzades. Tenen una densitat de watts més baixa (sovint de 5 a 15 W/cm2) que els escalfadors de cartutxos, però són més fàcils de canviar.

Escalfadors elèctrics de fibra ceràmica
Per a temperatures de plaques superiors a 600 graus s'utilitzen escalfadors aïllats de fibra ceràmica. Aquests utilitzen un cable de resistència (FeCrAl o NiCr) inserit en una manta de fibra ceràmica o en una placa ceràmica-formada al buit. L'aïllament ceràmic és robust fins a 1200 graus. Aquests escalfadors s'utilitzen sovint com a panells de radiadors lliures-, no encapsulats en una placa metàl·lica. Si encara es necessita una placa metàl·lica (per exemple, per al suport mecànic o fins i tot per a la distribució de la temperatura), es pot col·locar un escalfador de ceràmica darrere d'una fina placa Incoloy, escalfant la placa per radiació i conducció.

Gràfic de selecció de material de la placa de calefacció d'alta-temperatura
La taula següent descriu les característiques principals dels materials típics de plaques de calefacció d'alta temperatura.

Material Grau de temperatura contínua màxima Conductivitat tèrmica W/m·K Cost relatiuAplicacions típiques
Alumini (6061) 200 (revestit) 205 Baix No és adequat per sobre de 260 graus Acer inoxidable 304 500 15 Baix Propòsit general fins a 500 graus ; risc de deformació
Acer inoxidable 321 550 15 Baixa-Mitjana Resistència al cicle tèrmic
Incoloy 800 870 11-15 Alt 500-800 graus; resistència a l'oxidació
Inconel 600 1090 15-20 Molt alt Temperatures extremes; atmosferes corrosives
Bronze fos d'alumini 450 40-60 MitjàBon conductor; eines d'emmotllament
Ferro dúctil 600 30-40 Baix- MitjàEconómico fins a 600 graus ; escalant a dalt
Carbur de silici (ceràmica) 1400 20-30 Molt alta fragilitat a alta temperatura
Disseny de plaques - Consideracions pràctiques
Incompatibilitat de l'expansió tèrmica
Si incrusteu escalfadors metàl·lics (com ara escalfadors de cartutxos) en una placa d'un material diferent, heu de tenir en compte la diferència en el coeficient d'expansió tèrmica (CTE). Per exemple, un escalfador de cartutx Incoloy té un CTE d'uns 15 x 10⁻⁶/grau i una placa Incoloy té un CTE similar, per tant, no hi ha desajustos. Tanmateix, una placa d'acer inoxidable (CTE ~ 17) amb escalfadors Inconel (CTE ~ 14) generarà esforç de cisalla quan s'escalfa. L'ajustament lliure i el compost anti-antiagarrant a alta temperatura o la làmina de grafit fan possible el moviment relatiu.

Resistència a l'oxidació
Per a plaques que treballen a 500 C a l'aire, l'oxidació de la superfície és inevitable. Un recobriment d'òxid prim pot ser tolerable, però una escala important pot canviar l'emissivitat i contaminar el procés. La neteja periòdica o l'aplicació de recobriments ceràmics a alta temperatura (per exemple, a base d'alúmina) poden ajudar a reduir l'escala. En aplicacions crítiques es pot utilitzar una purga de gas inert (nitrogen o argó) al voltant de la placa.

Placa de muntatge a l'escalfador
A temperatures elevades, normalment s'evita la soldadura o soldadura d'escalfadors a la placa, ja que les substitucions són impossibles. Les opcions recomanades són la subjecció mecànica (per a escalfadors de tires) o els escalfadors de cartutxos extraïbles en forats perforats. S'ha d'aplicar una pasta tèrmica o un farciment conductor (per exemple, basat en grafit-) entre l'escalfador i la placa per augmentar la transferència de calor i omplir els buits a causa de l'expansió.

En resum
Les plaques de calefacció per a aplicacions d'alta temperatura que superen els 300 graus necessiten materials únics i tecnologia de calefacció. L'alumini i el PTFE, estàndard, arriben a uns 260 graus. Els escalfadors de mica-aïllats o de cartutxos en plaques d'acer inoxidable són econòmics per al rang de 300-500 graus, però s'han de fer front a la deformació i l'oxidació. Els aliatges de níquel-crom (Incoloy, Inconel) es prefereixen com a materials de plaques per al rang de 500 a 800 graus mitjançant escalfadors de cartutxos d'alta temperatura (funda d'Incoloy, aïllament de MgO) o escalfadors de fibra ceràmica. En el rang de 300 a 600 graus, el bronze d'alumini fos i el ferro dúctil tenen usos especialitzats on s'afavoreix la conductivitat de la calor. Qualsevol component es trencarà ràpidament si se supera la temperatura màxima contínua. Així és com els límits de material defineixen l'embolcall operatiu viable. Mitjançant l'elecció adequada de materials de placa i tipus d'escalfador, es poden dissenyar plaques de calefacció d'alta temperatura fiables per a processos industrials exigents.