ES2559302T3 - Elementos de calentamiento por resistencia eléctrica - Google Patents
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Abstract
Un elemento de calentamiento de carburo de silicio que tiene una o más zonas calientes (1, 14) y dos o más extremos fríos (3, 15), caracterizado por que: - las áreas de la sección transversal de los dos o más extremos fríos (3, 15) son esencialmente la misma o menor que las áreas de la sección transversal de la una o más zonas calientes (2, 14); y - parte al menos de al menos un extremo frío (3, 15) consiste en un cuerpo de material de carburo de silicio recristalizado recubierto de un revestimiento conductor (13) que tiene una resistividad eléctrica inferior a la del material de carburo de silicio recristalizado.
Description
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
DESCRIPCION
Elementos de calentamiento por resistencia electrica
La presente invencion se refiere a elementos de calentamiento por resistencia electrica, mas particularmente a elementos de calentamiento electrico de carburo de silicio.
Los elementos de calentamiento de carburo de silicio son bien conocidos en el campo de los elementos de calentamiento electrico y hornos electricos. Los elementos de calentamiento convencionales de carburo de silicio comprenden predominantemente carburo de silicio y pueden incluir algo de silicio, carbono y otros componentes en menores cantidades. Habitualmente, los elementos de calentamiento de carburo de silicio estan en la forma de barras macizas, barras tubulares o barras tubulares cortadas helicoidalmente, aunque son conocidas otras formas tales como elementos en tiras. La presente invencion no esta limitada a una forma particular de los elementos.
Los elementos de calentamiento electrico de carburo de silicio comprenden partes comunmente conocidas como “extremos frlos” y “zonas calientes”, que se diferencian por su resistencia relativa a la corriente electrica. Puede haber una sola zona caliente o mas de una zona caliente [por ejemplo en elementos de tres fases (tales como en los documentos GB 845496 y GB 1279478)].
Un elemento de calentamiento tlpico de carburo de silicio tiene una zona caliente unica que tiene una resistencia relativamente elevada por unidad de longitud y, en cada extremo de la zona caliente, extremos frlos que tienen una resistencia relativamente baja por unidad de longitud. Esto da lugar a que la mayor parte del calor sea generado desde las zonas calientes cuando se hace pasar una corriente a traves del elemento. Los “extremos frlos”, en virtud de su resistencia relativamente pequena, generan menos calor y se usan para soportar el elemento de calentamiento en el horno y para conectarlo a una alimentacion electrica desde la cual es suministrada la energla electrica a la zona caliente.
En las reivindicaciones y en la siguiente descripcion, la expresion “elemento de calentamiento de carburo de silicio” (elemento de calentamiento de carburo de silicio) se ha de tomar con el significado (excepto cuando el contexto lo exija de otro modo) de que se trata de un cuerpo que comprende predominantemente carburo de silicio y que comprende una o mas zonas calientes y dos o mas extremos frlos.
Con frecuencia, los extremos frlos comprenden una porcion extrema terminal metalizada distante de la zona caliente para ayudar a la buena conexion electrica con el suministro o alimentacion electrica. Convencionalmente, la conexion electrica a los extremos frlos tiene lugar por medio de trenzas de aluminio planas mantenidas en compresion alrededor de la circunferencia del extremo terminal por medio de una abrazadera o clip de acero inoxidable. Los extremos frlos tienen, en funcionamiento, un gradiente de temperatura a lo largo de su longitud, a partir de la temperatura de funcionamiento de la zona caliente donde los extremos frlos se unen a la zona caliente, hasta cerca de la temperatura ambiente en los extremos terminales.
Uno de los primeros disenos de elementos de calentamiento era de la forma de un elemento en forma de pesa (con extremos de mas seccion que el centro) en el que los extremos frlos estaban hechos del mismo material que la zona caliente, pero tenlan una mayor seccion transversal que en la zona caliente. Normalmente, la relacion de resistencia electrica por unidad de longitud del extremo frlo a las zonas calientes para tales elementos de calentamiento era de aproximadamente 3:1.
Una solucion o enfoque alternativo es, en efecto, arrollar un elemento en forma de pesa formando una helice simple o doble. Se obtiene una tal geometrla cortando helicoidalmente parte de una barra tubular. Barras tlpicas de este tipo son elementos Crusilite® Type X y barras Globar® SG (un elemento de helice unico) o SR (elemento de helice doble).
Una solucion alternativa es utilizar materiales de inferior resistividad para formar los extremos frlos y material de mayor resistividad para formar la zona caliente. Metodos conocidos para producir el material de resistividad inferior incluyen la impregnacion de la estructura de poros de los extremos de un cuerpo de carburo de silicio con metal de silicio mediante un proceso conocido como “silicionacion”. El documento GB 2307384 describe un elemento de carburo de silicio de seccion transversal esencialmente uniforme y que tiene zonas frlas de carburo de silicio poroso impregnadas de silicio.
El documento GB 513728 (The Carborundum Company) describe una tecnica de union en la que se unen materiales de diferente resistividad aplicando un cemento carbonoso en la union y calentando de manera que el exceso de silicio en los extremos frlos penetra en la union entre los extremos frlos y la zona caliente, reaccionando de ese modo con carbono del cemento para formar una union de carburo de silicio. Mediante estos metodos se puede aumentar la relacion de resistencia electrica por unidad de longitud del extremo frlo a la zona caliente a aproximadamente 15:1.
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El documento JP2005149973 (Tokai Konetsu KK) explico los problemas alegados en la migracion de silicio desde los extremos frios a la zona caliente, y describio la adicion de disiliciuro de molibdeno al material del extremo frio para impedir esta migracion y mejorar la resistencia de la interfaz de extremos frios/zona caliente. Se revelo una construccion de cinco partes en la que una zona caliente de carburo de silicio recristalizado es enclavada por un compuesto de MoSi2/SiC y despues un compuesto de SiC/Si. Esta disposicion tenia como consecuencia disminuir la resistividad del extremo frio, mejorando asi la eficacia.
Aunque estas tecnicas ofrecen una relacion incrementada de resistencia electrica, el aumento del coste de las materias primas y la complejidad de multiples uniones en los materiales, conduce a un coste elevado.
Con el aumento de la preocupacion medioambiental sobre el calentamiento global, y el aumento de los precios de la energia, muchas industrias de consumo intensivo de energia que utilizan hornos de calentamiento electrico necesitan reducir su utilizacion de energia mediante medios favorables a los costes.
Mejoras tales como aislamiento mejorado del horno, para evitar la excesiva perdida de calor, han jugado un rol importante en la reduccion del consumo de energia. Sin embargo, poco se ha hecho para mejorar la eficacia energetica de los elementos de una manera efectiva con respecto al coste. La solicitante ha explorado varias soluciones que, separadamente o en combinacion, proporcionan un aumento de relaciones de resistencia efectivo con respecto al coste, y por lo tanto de uso disminuido de energia.
En un primer enfoque, no reivindicado, la presente solicitante aspira a mitigar los anteriores problemas basandose en la percatacion de que la diferencia de conductividad electrica entre carburo de silicio-p y carburo de silicio-a se puede utilizar para reducir la resistividad del material del extremo frio, lo que conduce a una reduccion de la resistencia por unidad del extremo frio, y por lo tanto una reduccion en el consumo de potencia.
De las muchas forma polimorficas del carburo de silicio, las dos de interes que influyen en las caracteristicas de los extremos frios del elemento de calentamiento son carburo de silicio-a (SiC 6H) que tiene una estructura de cristal hexagonal y carburo de silicio-p (SiC 3C) que tiene una estructura cubica centrada en las caras.
Bauman, “La Relacion de Carburo de Silicio Alfa y Beta”, Journal of the Electrochemical Society, 1952 ISSN:0013- 4651, describe la formacion de carburo de silicio y observo que el carburo de silicio primario (es decir, primero en formarse) era el carburo de silicio-p a todas las temperaturas estudiadas.
Sin embargo, Bauman observo que:
“El SiC beta comienza a transformarse monotropicamente en SiC Alfa lentamente a 2100° C. Cambia a la forma alfa rapida y completamente a 2400° C”.
Se sabe que el nitrogeno actua como un dopante en carburo de silicio que tiene el efecto de reducir la resistividad electrica.
Resistividades electricas tipicas de materiales de elementos de calentamiento comunmente producidos que consisten en dos tipos polimorficos de carburo de silicio se resumen en la Tabla 1 siguiente, que muestra que el carburo de silicio-p tiene una resistividad electrica mucho menor que el carburo de silicio-a.
Normalmente, las zonas calientes se forman ya sea a partir de carburo de silicio recristalizado que tiene la caracteristica de ser una matriz de carburo de silicio auto-unida compacta con porosidad abierta, o a partir de material mas denso unido por reaccion, que ha sido recristalizado. Tales materiales son casi totalmente carburo de silicio-a y, en comparacion con material impregnado con silicio, tienen una conductividad termica relativamente baja y una conductividad electrica relativamente baja.
Estos valores de resistividad son para materiales producidos comercialmente - de manera tipica para barras o tubos de carburo de silicio-a recristalizado y tambien para tubos de carburo de silicio-p de una sola pieza, hechos por transformacion de carbono en carburo de silicio por reaccion de tubos de carbono con mezclas de silicio y polvo de coque (elementos CRUSILIT®).
- Tabla 1
- carburo de silicio-a (dopado con nitrogeno) carburo de silicio-p (dopado con nitrogeno)
- Resistividad electrica
- 0,070 - 0,100 D ■ cm 0,007 - 0,01 D ■ cm
Las elevadas temperaturas de caldeo utilizadas tradicionalmente en la impregnacion con silicio del extremo frio dan lugar predominantemente a la formacion de una elevada proporcion de carburo de silicio a a partir del silicio y carbono presentes.
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Puesto que el carburo de silicio-a comienza a formarse a temperaturas superiores a 2100° C, se podrla suponer que bajando la temperatura de impregnacion con silicio se promoverla el carburo de silicio-p en lugar del carburo de silicio-a. Sin embargo, con el fin de conseguir una infiltracion y conversion completas del material verde, tienen que ser eliminados el dioxido de silicio presente en la superficie del metal silicio y los granos de carburo de silicio. Con el fin de hacer esto, se requiere una temperatura que exceda de 2150° C. Ensayos a temperaturas de impregnacion con silicio de alrededor de 1900° C - 2000° C dan lugar a una pobre infiltracion del material verde con silicio, una inferior produccion de carburo de silicio secundario que da carbono no reaccionado de baja resistencia mecanica y elevada resistencia. El tratamiento a tales temperaturas da lugar a un producto pobremente reaccionado debido a que no ha sido retirado el dioxido de silicio. Los solicitantes han encontrado medios para promover la formacion de carburo de silicio-p y de ese modo producir materiales de inferior resistividad para elementos de calentamiento de carburo de silicio que los previamente conocidos en este sector (incluso inferior a la de elementos de carburo de silicio-p convencionales mencionados en la Tabla 1 anterior).
Por lo tanto, en este enfoque, se proporciona un elemento de calentamiento de carburo de silicio que tiene una o mas zonas calientes y dos o mas extremos frlos, comprendiendo las zonas calientes un carburo de silicio diferente que contiene material procedente de los extremos frlos y en el cual el carburo de silicio del material de los extremos frlos comprende suficiente carburo de silicio-p para que el material tenga una resistividad electrica menor que 0,002 D • cm a 600° C y menor que 0,0015 D • cm a 1000° C.
Se pueden conseguir facilmente valores tlpicos inferiores a 0,00135 D • cm a 600° C.
Opcionalmente, en este enfoque (y separadamente o en combinacion):
• el carburo de silicio del material del extremo frlo puede comprender carburo de silicio-a y carburo de silicio-
P;
• la fraccion de volumen del carburo de silicio-p puede ser mayor que la fraccion de volumen del carburo de
silicio-a;
• la relacion de la fraccion de volumen de carburo de silicio-p a la fraccion de volumen de carburo de silicio-a
puede ser mayor que 3:2;
• el material de los extremos frlos puede comprender mas que 45% en volumen de carburo de silicio-p;
• la cantidad total de carburo de silicio puede ser mayor que 70% en volumen; o de hecho superior a 75%;
• el material del extremo frlo puede comprender:
SiC 70-95% en volumen
Si 5-25% en volumen
C 0-10% en volumen
siendo SiC + Si + C > 95% del material;
• la relacion de la resistividad electrica del material de la zona caliente a la resistividad electrica del material del extremo frlo puede ser mayor que 40:1.
Para formar un tal elemento se proporciona n metodo que comprende el paso de exponer un cuerpo de carburo de silicio carbonoso, que comprende carburo de silicio y carbono y/o precursores de carbono, a silicio a una temperatura de reaccion controlada, suficiente para permitir que el silicio reaccione con el carbono y/o carbono producido a partir de los precursores de carbono para formar carburo de silicio-p con preferencia a carburo de silicio- a, y durante un tiempo de exposicion suficiente para que la cantad de carburo de silicio-p en el extremo frlo sea suficiente para que el material tenga una resistividad electrica menor que 0,002 D • cm a 600° C y menor que 0,0015 D • cm a 1000° C.
Adicionalmente, as! como el control de temperatura, los parametros de reaccion son controlados para promover la formacion de carburo de silicio-p con preferencia al carburo de silicio-a controlando una o mas de las siguientes variables del proceso:
• tamano de partlculas del silicio
• niveles de pureza de las materias primas
• ritmo de ascenso a la temperatura de reaccion
Estas variables pueden ser controladas para limitar el efecto de la reaccion exotermica entre el silicio y el carbono que puede dar lugar a una superacion de temperatura como se explica con mas detalle en lo que sigue.
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Suprimiendo la formacion de carburo de silicio-a a la temperatura de impregnacion con silicio y aumentando la proporcion de carburo de silicio-p en el material en masa del extremo frlo, se puede aumentar la conductividad electrica.
Se ha de observar que la atmosfera durante la impregnacion con silicio es una variable importante del proceso, siendo preferida con una atmosfera de nitrogeno. Es posible la impregnacion con silicio bajo vaclo, pero la ausencia de un dopante de nitrogeno (a menos que sea suministrado en alguna otra forma) produce carburo de silicio-p de mayor resistividad.
Mediante la sustitucion de extremos frlos de elementos existentes por extremos frlos hechos de acuerdo con este enfoque, se puede conseguir un aumento de la relacion de resistencia electrica de la zona caliente al extremo frlo.
Adicionalmente, si la relacion de resistencia electrica de la zona caliente al extremo frlo de un elemento convencional es aceptable, el uso de extremos frlos hechos de acuerdo con este enfoque permite el uso de zonas calientes de resistencia inferior, que conduce a una disminucion de la resistencia global del elemento, lo que puede ser util en algunas aplicaciones.
Ademas, el uso de extremos frlos hechos de acuerdo con este enfoque permite la utilizacion de zonas clientes de inferior resistividad de manera que permiten hacer elementos mas largos de una resistencia global dada, en comparacion con elementos convencionales.
El uso de material de extremo frlo de pequena resistividad permitira hacer cambios termicamente beneficiosos en la geometrla tradicional de los extremos frlos. Puesto que la resistividad del material mejorado es mucho menor que en materiales convencionales, es posible reducir el area de la seccion transversal del extremo frlo (por ejemplo en hasta 50%) mientras se mantienen todavla relaciones de la resistividad electrica del material de la zona caliente a la resistividad electrica del material del extremo frlo que son aceptables (por ejemplo, de 30:1). El espesor de pared de elementos con extremos frlos de dimension exterior estandar puede ser reducido, con una reduccion correspondiente de la transferencia termica.
Sin embargo, la reduccion de la seccion transversal usando extremos frlos de diametro exterior menor dara lugar a una perdida de calor reducida al permitir que orificios de entrada del horno sean taponados a menor dimension. Tales extremos frlos de diametro exterior reducido pueden ser provistos de manguitos aislantes. Aislando de esta manera se reducira la perdida de calor, elevando de ese modo la temperatura del extremo frlo. A medida que el carburo de silicio aumenta de conductividad electrica con el aumento de temperatura, esto servira tambien para mantener la resistencia del extremo frlo mas baja que en un extremo frlo no aislado.
En un segundo enfoque, objeto de la presente invencion, se proporciona un elemento de calentamiento de carburo de silicio, que tiene una o mas zonas calientes y dos o mas extremos frlos, en el cual:
• las areas de la seccion transversal de los dos o mas extremos frlos son esencialmente la misma o menor que las areas de la seccion transversal de las una o mas zonas calientes; y
• al menos parte de al menos un extremo frlo comprende un cuerpo de material de carburo de silicio recristalizado revestido con un revestimiento conductor que tiene una resistividad electrica inferior a la del material de carburo de silicio recristalizado.
En este aspecto, la solicitante se ha dado cuenta de que la conductividad termica del material del extremo frlo es un factor importante en la determinacion de la perdida de calor y por tanto del consumo de energla. Fabricando los extremos frlos de material de carburo de silicio recristalizado (que tiene una conductividad termica menor que la de extremos frlos de carburo de silicio impregnados de metal tradicionales) se puede reducir la perdida de calor a traves del extremo frlo. Tradicionalmente, el material de carburo de silicio recristalizado no habrla sido utilizado como un material de extremo frlo al tener una conductividad electrica demasiado baja. El revestimiento de baja resistividad electrica para el extremo frlo proporciona una buena trayectoria electrica, permitiendo de ese modo tanto elevada conductividad electrica como baja conductividad termica. Un revestimiento delgado (por ejemplo de 0,2 - 0,25 mm) con respecto a una seccion transversal de elemento tlpico (por ejemplo, 20 mm) proporciona conductividad electrica adecuada mientras proporciona una pequena trayectoria para la perdida de calor y por lo tanto baja transferencia de calor. El revestimiento puede tener, por ejemplo, un espesor de menos de 0,5 mm, aunque puede ser aceptable uno mayor en algunas aplicaciones. El espesor del revestimiento puede ser, por ejemplo, menor que 5% o menor que 2% del diametro del elemento, aunque puede ser aceptable que sea mayor en algunas aplicaciones. Preferiblemente se utiliza material de carburo de silicio recristalizado de auto-union, ya que su porosidad le proporciona una conductividad termica inferior a la de un material unido por reaccion.
El inventor se ha dado cuenta ademas de que la temperatura de funcionamiento del elemento de calentamiento puede ser comprometida por la limitacion de la temperatura de funcionamiento de la parte revestida del extremo frlo, y ha disenado una construccion hlbrida del elemento, mediante la cual la seccion revestida del extremo frlo esta desplazada de la zona caliente por la insercion de una seccion de material de resistividad electrica inferior a la del
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material de carburo de silicio recristalizado. Este material de resistividad electrica inferior puede ser un material (por ejemplo, carburo de silicio impregnado con silicio) de extremo frio convencional. La seccion de material de resistividad electrica inferior puede ser enteriza con el elemento, o puede ser unida al mismo, usando union por reaccion u otras tecnicas. La longitud de esta seccion de material del extremo frio puede ser variada, de acuerdo con la longitud total del extremo frio, la temperatura de funcionamiento del horno y el espesor y propiedades de aislamiento del forro termico del equipo.
En un tercer enfoque, no reivindicado, se proporciona un elemento de calentamiento de carburo de silicio que tiene una o mas zonas calientes y dos o mas extremos frios, teniendo uno o mas de los extremos frios uno o mas conductores metalicos flexibles unidos al mismo. (El termino “unido” debe ser tomado, en este contexto, con el significado de unido para formar un cuerpo unitario, e incluye, sin limitation, tecnicas tales como soldadura blanda, soldadura fuerte, soldadura de estano y plomo, union por difusion y union con adhesivo).
Los anteriores tres aspectos pueden ser utilizados separadamente o en cualquier combination de los mismos y pueden permitir:
• la production de elementos que tengan elevadas relaciones de la resistencia electrica por unidad de longitud de toda la zona caliente a todo el extremo frio, con la consiguiente reduction de requisitos de energia
• la produccion de elementos que tengan relaciones mas normales de la resistencia electrica por unidad de longitud de toda la zona caliente a todo el extremo frio (por ejemplo, < 40:1), pero con una resistencia global menor del elemento
• la produccion de elementos que tengan relaciones mas normales de la resistencia electrica por unidad de longitud de toda la zona caliente a todo el extremo frio (por ejemplo <40:1), pero de mayor longitud mientras se mantiene la resistencia global del elemento
• la produccion de elementos con perdida de calor inferior desde los extremos frios.
El alcance de la invention resultara evidente a partir de las reivindicaciones y de la siguiente description ilustrativa, hecha con referencia a los dibujos que se acompanan, en los cuales:
La figura 1 es un diagrama de flujo que muestra el proceso de fabrication de un elemento de calentamiento;
La figura 2 es un diagrama de resistividad en funcion de la temperatura para material producido a partir de silicio de tamano de grano variable y contenido de aluminio constante;
La figura 3 es un diagrama de resistividad en funcion de la temperatura para un material producido a partir de silicio de tamano de grano constante y contenido de aluminio constante, formado haciendo pasar a traves de un horno de tubo a diferentes velocidades;
Las figuras 4 (a - b) son una micrografia electronica de retro-dispersion y exploration respectivamente de una muestra tratada de acuerdo con un enfoque de la presente invencion.
Las figuras 5 (a -b) son diagramas esquematicos de elementos de calentamiento, que representan el grado de revestimiento sobre el material del extremo frio.
Las figuras 6 (a - c) son esquemas conceptuales que describen el proceso de caldeo durante la formation de un material de extremo frio.
Las figuras 7 (a - b) son diagramas esquematicos de elementos de calentamiento con extremos frios estructurados de modo diferente.
La figura 8 es diagrama esquematico de un elemento de calentamiento segun se ha reivindicado.
La figura 9 muestra temperaturas internas de algunos elementos de calentamiento.
La figura 5a muestra esquematicamente un elemento 1 convencional en forma de barra, que comprende una zona caliente 2 y extremos frios 3 que se encuentran en interfaces 4 de zona caliente/extremo frio formadas por la union entre diferentes materiales de la zona caliente y de los extremos frios.
Un metodo tipico de fabricacion es formar la zona caliente 2 y los extremos frios 3 de manera separada y despues unirlos o soldarlos conjuntamente para formar el elemento de calentamiento. Sin embargo, esto no impide que sean usados otros metodos tradicionales conocidos en la tecnica, incluyendo formar un cuerpo de una pieza, tal como tubos cortados helicoidales. En la presente invencion, no es necesariamente aplicado un tratamiento especial a la zona caliente, ya que se desea mantener la zona caliente a una resistencia relativamente elevada. Sin embargo, no se excluyen procedimientos conocidos tales como la formacion de un barnizado en el elemento. Son aplicables cualesquiera medios conocidos en la tecnica para producir la zona caliente usando un material a base de carburo de silicio. Un material apropiado es carburo de silicio recristalizado. El termino “recristalizado” indica que, despues de la formacion, el material es calentado a temperaturas elevadas (normalmente mayores que 2400° C, por ejemplo 2500° C) para formar una estructura auto-unida que comprende predominantemente carburo de silicio-a. Valores tipicos de resistividad de la zona caliente estan comprendidos entre 0,07 Q • cm y 0,08 Q • cm.
La figura 1 muestra un esquema de un procedimiento tipico utilizado para fabricar un elemento de calentamiento soldado de tres piezas. Para la fabricacion de los extremos frios, cantidades predeterminadas de polvo de carburo de silicio de varios tamanos y purezas de particulas y carbono y/o una fuente de carbono (por ejemplo polvo de
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madera, cascaras de arroz, polvo de corteza de nogal o cualquier otra fuente de carbono apropiada) se mezclan con un aglutinante (por ejemplo un aglutinante a base de celulosa) en una mezcladora apropiada (por ejemplo una Hobart mixer™) a la reologla deseada para extrusion.
Una formulacion tlpica para la mezcla utilizada para el material del extremo frlo se muestra en la Tabla 2.
- Tabla 2
- Material
- Nombre comercial Cantidad (% en peso)
- Carburo de Silicio Negro
- 36/70 Sika PCK 15,79
- Carburo de Silicio Verde
- F80 Sika III 26,43
- Fuente de carbono/inductor de porosidad
- Harina de trigo 17,21
- Fuente de carbono/inductor de porosidad
- Polvo de madera 6,71
- Fuente de carbono
- Polvo de coque de petroleo 31,46
- Aglutinante
- Magnafloc 139 2,37
La harina de trigo y el polvo de madera proporcionar una fuente de carbono e introducen porosidad en el material. 36/70 Sika y F80 Sika son materiales de carburo de silicio comercialmente disponibles (suministrados por Saint Gobain, aunque se pueden utilizar otras calidades comercialmente equivalentes) y comprenden predominantemente carburo de silicio-a. 36/70 Sika es carburo de silicio negro que contiene trazas de impurezas menos importantes. F80 Sika es carburo de silicio verde y contienen menos impurezas que el carburo de silicio negro. Magnafloc® es un material aglutinante basado en copollmero de acrilamida comercialmente disponible, fabricado por CIBA (WT), Bradford. La formulacion no esta limitada a esta receta y se pueden utilizar otras recetas que comprendan carburo de silicio, otras fuentes de carbono y aglutinantes conocidos en la tecnica. Sin embargo, para los fines de explicacion del presente enfoque, fue utilizada la receta mostrada en la Tabla 2 a traves de todas las investigaciones.
La mezcla es extrudida a la forma deseada, aunque se pueden utilizar otras tecnicas de conformation (por ejemplo, prensado o lamination) si es apropiado. Formas convencionales de elemento de calentamiento incluyen barras o tubos. Una vez extrudida, a la mezcla conformada se le permite secar para eliminar la humedad y a continuation es calcinada para carbonizar los precursores de carbona de la harina de trigo y polvo de madera para introducir porosidad en el material en masa. Normalmente la porosidad es superior a 40%, dando lugar a una densidad de masa en el intervalo de 1,3 a 1,5 g.cm-3. El material calcinado es a continuacion cortado a la forma deseada. Para los elementos juntados, una espiga fabricada de material de extremo frlo calcinado puede ser unida a un extremo por medio de un cemento que comprenda una mezcla de resina, carburo de silicio y carbono. La espiga prepara el material del extremo frlo para la union sobre el material de la zona caliente. (No es necesario utilizar una espiga - se pueden hacer soldaduras sin una espiga - pero una espiga refuerza la resistencia mecanica de la junta).
La etapa final de preparation del extremo frlo es la impregnation con silicio. Esto comprende la reaction de silicio con el carbono presente y la infiltration de silicio fundido en la porosidad del material calcinado. La barra calcinada se situa, junto con la espiga unida, en un recipiente y se cubre con una mezcla de una cantidad controlada de metal silicio, aceite vegetal y polvo de grafito, normalmente en la relation 100:3:4. La cantidad de silicio requerida depende de la porosidad de la barra calcinada - cuanto menor es la porosidad, menos es el silicio requerido. Son cantidades tlpicas 1,4-2 (por ejemplo, 1,6) veces el peso de la barra calcinada.
Normalmente se utiliza un recipiente de grafito para el paso de impregnacion con silicio. La pureza del metal silicio es importante par evitar que cualesquiera impurezas interfieran con el paso de impregnacion con silicio. Se pueden utilizar varios metales de silicio comerciales, dependiendo del tamano de grano y de la pureza. Impurezas tlpicas encontradas en el metal de silicio son aluminio, calcio y hierro.
El recipiente que contiene la barra calcinada y la mezcla de silicio/carbono es despues calentado en un horno bajo una atmosfera protectora (por ejemplo nitrogeno fluyente) a una temperatura superior a 2150° C. Una atmosfera protectora limita la oxidation no deseable de componentes del horno, as! como la mezcla calcinada de material y silicio a la elevada temperatura. Es deseable una atmosfera que contenga nitrogeno, ya que el nitrogeno actua como un dopante del carburo de silicio formado. A esta temperatura, el metal de silicio se funde e infiltra en la estructura de poros del material calcinado, con lo que algo reacciona con el carbono en el cuerpo para formar carburo de silicio secundario y el silicio restante llena la estructura de poros para proporcionar un compuesto casi completamente denso de silicio-carburo de silicio.
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Durante el proceso de impregnacion con silicio, el metal de silicio penetra tambien en la union entre la espiga y el material en masa y reacciona con el exceso de carbono en el material de cemento para formar una junta unida por reaccion a elevada temperatura con la espiga.
La zona caliente se hace mediante pasos analogos de mezcla, conformacion (por ejemplo, por extrusion) y secado, pero no necesariamente a partir de la misma mezcla que el extremo frlo (no se requiere porosidad para la impregnacion con silicio para la zona caliente) y a continuacion se recristaliza. Para los fines de ese enfoque se puede utilizar cualquier material de zona caliente de resistencia apropiada y estan disponibles comercialmente cuerpos apropiados de carburo de silicio-a recristalizado.
La zona caliente puede ser unida entonces al extremo frlo (es decir, el otro extremo de la espiga) usando el mismo material de cemento, completando el elemento de calentamiento. El elemento de calentamiento que incluye la parte caliente unida es a continuacion se calienta nuevamente a temperaturas suficientes para la union por reaccion de la zona caliente a la espiga. Una temperatura tlpica esta comprendida entre 1900° C y 2000° C, que es inferior a la temperatura a la cual el SiC-p se transforma en SiC-a. Opcionalmente, se puede aplicar un barnizado o revestimiento al elemento de calentamiento para proporcionar protection qulmica al cuerpo inferior..
Como se ha indicado anteriormente, se pueden usar otros metodos para asegurar la zona caliente a los extremos frlos sin el uso de una espiga.
Si es necesario, se puede aplicar un barnizado al elemento.
Convencionalmente, la superficie del extremo frlo proxima al extremo terminal es a continuacion preparada para proporcionar una superficie lisa, tal como mediante chorreado de arena para un paso de metalizacion. Un revestimiento de metalizacion proporciona un area de baja resistencia electrica para proteger cualesquiera contactos electricos unidos del sobrecalentamiento. Una capa de metalizacion tal como metal aluminio se aplica a la superficie de una proportion de extremo frlo en los extremos terminales mediante rociado u otros medios conocidos en la tecnica. A continuacion se fijan tiras de contacto sobre la zona metalizada para proporcionar suficiente capacidad de conexion electrica a una fuente de potencia. En lo que sigue se explican mas detalles del paso de metalizacion.
La presente solicitante se ha percatado, en un enfoque no reivindicado, de que controlando los parametros de reaccion durante la etapa de impregnacion con silicio, se pueden crear condiciones para promover la formation de carburo de silicio-p en lugar de carburo de silicio-a. La velocidad de reaccion se controla controlando parametros del proceso tales como tamano de partlculas del silicio, impurezas y el tiempo de reaccion durante la etapa de impregnacion con silicio. Inhibiendo la formacion de carburo de silicio-a a la temperatura de impregnacion con silicio y aumentando la proporcion de carburo de silicio-p en el material en masa del extremo frlo, se reduce la resistividad, lo que da lugar a una relation de resistencia mejorada del elemento. Fueron utilizados varios cambios de proceso por la presente solicitante, contribuyendo cada uno a reducir la resistencia electrica del material en masa del extremo frlo. Combinando estos efectos, la resistencia electrica global del extremo frlo puede ser notablemente reducida. A continuacion se muestran los parametros del proceso investigados por la presente solicitante para reducir la resistencia electrica del material del extremo frlo.
Se utilizaron varios metales de silicio comerciales que tenlan grados variables de impureza de aluminio en la fabrication de materiales de extremo frlo. La Tabla 3 muestra los diversos metales de silicio comerciales utilizados.
- Tabla 3
- Proveedor
- Tamano de grano especificado (mm) Contenido de aluminio (%)
- Elkem
- 0,5-3 0,04
- Elkem
- 0,2-2 0,17
- Graystar LLC
- 0,5-6,0 0,21
- S & A Blackwell
- 0,5-3,0 0,25
Se encontro variation de resistividad con contenido de aluminio, pero era evidente que el tamano de partlcula del metal de silicio tenia un efecto mayor. Las muestras hechas usando material de fuente Graystar LLC, que tenia un contenido de aluminio de 0,21% y tamano de particula en el intervalo de 0,5-6,0 mm mostraron la menor resistividad y por tanto se utilizo este contenido de aluminio en todos los ensayos subsiguientes.
Con el fin de aislar los efectos del tamano de grano sobre la resistividad del material del extremo frio con respecto a los otros parametros, se realizaron intentos usando metales de silicio durante el proceso de impregnacion con silicio que tenian un contenido de aluminio constante de 0,21% (establecido en la primera investigation), pero variando el
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tamano de grano (vease la Tabla 4). La figura 3 muestra la variacion de la resistividad electrica con la temperatura para extremos frios producidos usando silicio con tamanos de grano variables. Todas las muestras fueron tratadas en un horno de tubo de grafito a temperatura constante de 2180° C y velocidad constante de introduccion o empuje en el horno de ~2,54 cm/minuto (1''/minuto). El grafico muestra que existe una relacion entre el tamano de particula del silicio y la resistividad del material del extremo frio. Un tamano de particula de menos que 0,5 mm se considero perjudicial para el proceso, aunque, como se explica mas abajo, se pueden tolerar tamanos de particula inferiores con cambios apropiados de las condiciones de fabricacion.
Tabla 4
- Proveedor
- Tamano de grano especificado (mm) Contenido de aluminio (%)
- S & A Blackwell
- 0,5-6,0 0,21
- S & A Blackwell
- 0,25-6,0 0,21
- S & A Blackwell
- 0,5-3,0 0,21
- S & A Blackwell
- 0,2-2,0 0,21
El aumento del tamano de particula de silicio tiende a reducir la velocidad de reaccion de silicio y carbono de tal manera que no son favorables las condiciones para la formacion de carburo de silicio-a. En consecuencia, se forma de manera preferente carburo de silicio-p. Por supuesto, un tamano de particulas de silicio demasiado grande dara lugar a una pobre cubricion del articulo que esta siendo impregnado con silicio y puede conducir a falta de homogeneidad en el elemento producido. Se prefiere un tamano de particula minimo de 0,5 mm, aunque, como se puede ver en la figura 2, se pueden tolerar valores menores.
Otros parametros de control que afectan a los parametros de reaccion y por tanto afectan a la resistividad del extremo frio, son la temperatura de reaccion, la velocidad de ascenso o rampa a la temperatura y el tiempo de permanencia en la temperatura de reaccion.
El carburo de silicio-p comienza a convertirse en carburo de silicio-a solo a unos 2100° C y, por lo tanto, se supondria que reduciendo la temperatura de reaccion se formaria preferentemente mas carburo de silicio-p. La impregnacion con silicio del material del extremo frio a temperaturas comprendidas entre 1900° C y 2180° C realizada en un horno de tunel a una velocidad de introduccion de ~4,57 cm/minuto (1,8 pulgadas/min) y ~2,54 cm/minuto (1 pulgada/min) revelo una relacion no clara entre la resistividad del material del extremo frio y la temperatura del horno. En la mayoria de los casos, el valor de resistividad minimo conseguido era a una temperatura maxima del horno de 2180° C, aunque, por razones expuestas en lo que sigue, esta no necesitaba ser la temperatura maxima experimentada por el producto. A temperaturas relativamente bajas, tales como 1900° C se encontro que la impregnacion con silicio era incompleta y en algunas zonas el material permanecia sin reaccionar.
Con el fin de permitir la reaccion de silicio y carbono, parece ser aconsejable una temperatura superior a 2150° C. Esto parece ser debido al hecho de que, a la presion atmosferica, el oxido de silicio no se evaporara a temperaturas inferiores y actua como una barrera al movimiento del silicio. Cualquier reaccion entre el oxido de silicio y el carbono ocurrira tambien solo a tales temperaturas. Se ha mostrado que la impregnacion con silicio bajo un vacio permite que ocurra la reaccion a temperaturas mucho menores, por ejemplo 1700° C, debido a que ocurre vaporizacion de oxido de silicio a temperaturas inferiores en un vacio. Sin embargo, la solicitante cree es necesario el nitrogeno como un dopante con el fin de hacer optima la resistividad de los extremos frios, haciendo impractico el tratamiento en un vacio.
Sin embargo, se forma carburo de silicio-a a temperaturas por encima de 2150° C.
Una vez que la reaccion esta en marcha, la reaccion entre el metal de silicio y el carbono es exotermica. Resultados exotermicos en una temperatura localizada aumentan dentro de recipientes potadores que contienen el carburo de silicio carbonoso y silicio. Como el carburo de silicio-a es estable a temperaturas mayores que el carburo de silicio-p, la solicitante cree que el aumento de la temperatura localizada da lugar a que se forme carburo de silicio-a con preferencia al carburo de silicio-p. Controlando los efectos de la reaccion exotermica, se puede inhibir en cierto grado la transformacion de carburo de silicio-p en carburo de silicio-a.
El efecto de la reaccion exotermica puede ser controlado por la velocidad de ascenso a la temperatura, por ejemplo, en un horno de tubo, controlando la velocidad de empuje a traves del horno. La figura 6a muestra conceptualmente como un diagrama de temperatura/tiempo lo que esta pasando durante un paso tipico de impregnacion con silicio en un horno de tubo de grafito que tiene una curva de temperaturas con una velocidad de ascenso uniforme a la temperatura maxima, una parte horizontal de temperatura y una velocidad de enfriamiento uniforme. A medida que
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un recipiente portador que contiene artlcuios para impregnar con silicio pasa a traves del horno experimenta un ambiente de horno que tiene el perfil o curva de la llnea llena representada por una velocidad de ascenso a la temperatura 5, una parte horizontal de temperatura 6 y una velocidad de enfriamiento 7 de descenso de temperatura. La temperatura de un artlculo soportado por el recipiente sigue la curva de temperatura del horno hasta que el silicio comienza a reaccionar con el carbono. La naturaleza exotermica de esta reaccion significa que el artlculo experimental una temperatura localizada por encima del ambiente del horno. Esto se muestra por la llnea discontinua 8, que indica la temperatura maxima 9, atribuible el aumento de temperatura a la reaccion exotermica que esta indicada por la flecha 10.
La figura 6a muestra la temperatura para el mismo horno de tubo, pero con una velocidad de empuje inferior del recipiente portador a traves del horno. Aunque la velocidad de aumento de temperatura del artlculo es mas lenta durante el ciclo de calentamiento inicial, esto solo resulta crltico cuando el oxido de silicio comienza a vaporizarse. Durante este periodo, la evolucion controlada del vapor de oxido de silicio actua como una restriccion en la rapida infiltracion de silicio en el artlculo. Esto controla efectivamente la reaccion exotermica de carbono y silicio, limitando el aumento localizado de temperatura. Adicionalmente, la elevacion mas lenta a la temperatura da un tiempo mayor para que escape el calor generado por la reaccion exotermica, limitando as! el aumento de la temperatura alcoholizada. Estas limitaciones al aumento de temperatura localizada dan lugar a una conversion reducida de carburo de silicio-p en carburo de silicio-a, resultando as! una mayor relacion de carburo de silicio-p a carburo de silicio-a en el material caldeado.
Se observara que otro resultado de hacer mas lenta la velocidad de empuje es que la rampa descendente de temperatura es de mas duracion y el tiempo de la parte horizontal es mayor. Esto puede facilitar la mas completa impregnacion con silicio del artlculo y de ese modo el aumento de la produccion de carburo de silicio-p. Por supuesto, una temperatura maxima demasiado larga (si es superior a 2100° C) puede comenzar a dar lugar a la transformacion de carburo de silicio-p en carburo de silicio-a y de ese modo puede variar la curva real de tiempo y temperatura para usar. Estos tiempos se pueden cambiar utilizando un horno de tubo que tenga una curva de temperatura diferente, como se indica esquematicamente en la figura 6c, en la que una rampa lenta de ascenso a velocidad 5, como en la figura 6b, se combina con una rampa de velocidad de descenso 7 mas rapido, como en la figura 6a.
En lo anterior se ha hecho referencia a un horno de tubo. Sera evidente que se pueden obtener curvas de temperatura similares en otros hornos que funcionen en modo continuo o en tandas con control apropiado de temperatura y atmosfera. Ademas, se pueden adoptar curvas mas complejas (por ejemplo, una velocidad de rampa a una primera temperatura, una permanencia en esa temperatura para permitir que ocurra una fraccion grande de impregnacion con silicio, y a continuacion un cambio a una segunda temperatura para permitir que ocurra el equilibrio de impregnacion con silicio).
Con el fin de investigar los efectos del tiempo de reaccion, se utilizo un horno de tubo de grafito. El horno usado tenia dimensiones internas de ~20,3 cm (8'') de diametro x ~152,4 cm (60'') de longitud. Variando la velocidad de empuje a traves del horno, puede variar la duracion a la temperatura de reaccion, controlando con ello la velocidad de reaccion. Cuando mas rapida es la velocidad de empuje, mas corto es el tiempo de reaccion, e inversamente, cuando mas lenta es la velocidad de empuje, mayor es el tiempo de reaccion. Sin embargo, esto no impide que sean usados otros hornos conocidos en la tecnica que puedan proporcionar temperaturas de reaccion y tiempos de reaccion variables.
Tomando en consideracion estos factores, la presente solicitante investigo la resistividad del material del extremo frio impregnado con silicio a varias velocidades de empuje comprendidas entre ~1,27 cm/min (0,5 pulgadas/min) y ~4,57 cm/min (1,8 pulgadas/min) a una temperatura fija del horno de 2180° C. En estas investigaciones fue utilizado metal de silicio Graystar™ (como se indica en la Tabla 3 anterior), y se obtuvo una resistividad minima para una velocidad de empuje de ~1,27 cm/min (0,5 pulgadas/min). La figura 3 muestra un grafico de resistividad del material del extremo frio en funcion de la temperatura cuando se impregno con silicio a velocidades de empuje diferentes. La reduccion de resistividad conseguida haciendo mas lenta la velocidad de empuje desde ~2,54 cm/min (1 pulgada p/min) a ~1,27 cm/min (0,5 pulgadas/min) es pequena en comparacion a la que se produce cuando la velocidad de empuje se reduce desde ~3,81 cm/min (1,5 pulgadas/min) a 2,54 cm/min (1 pulgada/min). Aunque la velocidad de empuje de ~1,27 cm/min (0,5 pulgadas/min) mostro la maxima reduccion de resistividad, una tal velocidad de empuje lenta puede limitar la capacidad de produccion. Se puede asi establecer un compromiso entre la duracion a la temperatura de reaccion y los requisitos de produccion. Con el horno particular utilizado, una velocidad de empuje de ~2,54 cm/min (1 pulgada/min) se considero optima.
Ejemplo comparativo 1
Este ejemplo se propuso hacer elementos de geometria similar al tipo de elemento comercial Globar SD que es de 20 mm de diametro, con una longitud de zona caliente de 250 mm y una longitud de extremo frio de 450 mm, y una resistencia de 1,44 ohmios.
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La mezcla del extremo frlo fue hecha de acuerdo con la receta mostrada en la Tabla 2 (Mezcla A) y fue extrudida a la forma de un tubo. Despues de la calcinacion, la barra fue cortada aproximadamente a longitudes de 450 mm y se unio una espiga al material del extremo frlo aplicando un cemento que comprendla carburo de silicio, resina y carbono. A continuation se coloco el tubo, junto con la espiga, en un recipiente de grafito para la etapa de impregnacion con silicio y se cubrio en un amanta de una cantidad predeterminada de metal de silicio y carbono. Despues se impregno con silicio el material del extremo frlo usando los pasos de proceso descritos anteriormente. Estos son:
La distribution de tamanos de partlculas de silicio era de 0,5 a 6,0 mm;
La velocidad de empuje en el horno se fijo en ~2,54 cm/min (1 pulgada/min);
El contenido de aluminio del silicio era de 0,21%.
El material del extremo frlo fue impregnado con silicio a una temperatura de 2180° C. Despues del paso de impregnation con silicio, se unio una zona caliente sobre la espiga del extremo frlo utilizando el cemento. Se unio un extremo frlo a cada extremo de la zona caliente. La zona caliente era un material Globar SD Hot Zone recristalizado de 250 mm de longitud, comercialmente disponible de Kanthal e identificado como Mezcla B. La combination de los extremos frlos y la zona caliente fue entonces calentada en un horno a una temperatura de entre 1900° C y 2000° C, para unir por reaction la zona caliente a los extremos frlos con espiga.
Utilizando los parametros optimizados del proceso descritos anteriormente, la resistividad del extremo frlo disminuyo desde 0,03 Q cm para un extremo frlo convencional hasta 0,012 Q cm a 600° C, lo que, de acuerdo con la ley de Ohm, representa una disminucion de la potencia disipada de 66%. En terminos de relation de resistencia de zona caliente por unidad de longitud a extremo frlo por unidad de longitud, las anteriores tecnicas dan lugar a una relacion de 60:1 en comparacion con 30:1 para material estandar comercialmente disponible.
Para medir la eficacia de energla que resulta de presente enfoque, se instalo un elemento de calentamiento conformado en un horno forrado de ladrillos sencillos y la potencia requerida para mantener la temperatura del horno de 1250° C se midio y comparo con un elemento Globar estandar disponible comercialmente de Kanthal de exactamente las mismas dimensiones y resistencia, siendo la unica diferencia la resistividad del extremo frlo como se ha descrito anteriormente.
La potencia consumida por el elemento de calentamiento estandar era de 1286 W, pero usando el material de acuerdo con el presente enfoque se consumio una potencia de solo 1160 W, lo que representa un ahorro de potencia de 126 W o 9,8%.
Ejemplo comparativo 2
Como una ilustracion mas de las ventajas de esta invention, se hicieron comparaciones entre muestras preparadas utilizando la tecnica descrita en el Ejemplo Comparativo 1 con muestras conocidas actualmente en el mercado. Se tomaron al azar muestras de cada uno de los extremos frlos y de la zona caliente de cierto numero de elementos de calentamiento. Las Muestras 1 a 2 representan material que ha sufrido diferentes tratamientos del proceso y las Muestras 3 y 4 representan materiales comerciales. En la Tabla 5 se muestra una description de cada tipo de muestra.
- Tabla 5
- Tipo de muestra
- Descripcion
- Muestra 1
- Material de acuerdo con la presente invencion (silicio Graystar 0,25-6,0 mm; 0,20% Al; velocidad de empuje en horno 2,54 cm/min) - vease Ejemplo Comparativo 1
- Muestra 2 (comparativa)
- Muestra 1, pero velocidad de empuje en horno fijada en 4,57 cm/min
- Muestra 3 (comparativa)
- Material comercial (Erema E®)
- Muestra 4 (comparativa)
- Material comercial (I2R Type®)
Debido a la dificultad en diferenciar exactamente entre carburo de silicio-a y carburo de silicio-p utilizando tecnicas de difraccion de rayos X, las muestra fueron analizadas utilizando Difraccion Retrodispersada de Electrones (EBSD).Como se sabe en la tecnica, EBSD utiliza electrones retro-dispersados emitidos desde la muestra en una SEM para formar una pauta o modelo de difraccion que forma imagen en una pantalla de fosforo. El analisis de la pauta de difraccion permite la identification de las fases presentes en su orientation de cristales. Imagenes del detector retrodispersada y antedispersada (FSD) se agruparon usando diodos en un detector NordlysS. Se agruparon imagenes secundarias y en lentes utilizando los detectores en la SEM. Los modelos de EBSD se agruparon y guardaron usando el detector OI-HKL NordlysS. Los mapas de EBSD y Espectro de Analisis Dispersivo
de Energla (EDS) se agruparon usando software de OI-HKL CHANNELS (INCA-Synergy). Estableciendo la EBSD para analizar el modelo de difraccion generador por las fases:
• carburo de silicio-a (SiC 6H);
5 • carburo de silicio-p (SiC 3C);
• silicio; y
• carbono
se pueden determinar as! sus cantidades cuantitativas. Las estructuras del cristal de las fases utilizadas en el 10 analisis se muestran en la Tabla 6.
- Tabla 6
- Fase
- Estructura cristalina Parametro de red (A)
- SiC 3C (P)
- Cubica a = 4,36
- SiC 6H (a)
- Hexagonal a = 3,08, c = 15,12
- Si
- Cubica a = 5,43
- C
- Amorfa -
La figura 4a muestra una imagen retrodispersada para la Muestra I.Los diferentes contrastes en la imagen representan diferentes fases en el cuerpo del material. Las zonas oscuras representan grafito, las zonas grises 15 representan carburo de silicio y las zonas claras representan silicio. El contraste de fases entre fase de carburo de silicio-a (SiC 6H) y fase de carburo de silicio-p (SiC 3C) se puede descubrir en la imagen del detector en lente de SEM de la figura 4b. Las zonas grises representan la fase de carburo de silicio-p (SiC 3C) y las zonas mas claras representan la fase de carburo de silicio-a (SiC 6H). El resto del cuerpo es una matriz de carbono y silicio. Se uso el analisis de imagen para medir la proporcion de la fase de carburo de silicio-a (SiC 6H) y la fase de carburo de silicio- 20 p (Si 3C) en la imagen.
La Tabla 7 muestra un analisis de los resultados para las Muestras 1 a 4, medidos utilizando la tecnica anterior y se hicieron comparaciones con sus correspondientes propiedades electricas.
- Tabla 7
- Propiedades
- Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4
- SiC 3C (P)% en Vol.
- 51 37 36 31
- SiC 6H (a)% en Vol.
- 28 30 36 14
- Silicio% en Vol.
- 15 15 15 7
- Carbono% en Vol.
- 6 18 13 48
- Resistividad media de Extremo Frio, Qcm
- 0,001269 0,002473 0,003600 0,002368
- Resistencia media por unidad de longitud del Extremo Frio (RCE), Q/cm
- 0,000550 0,001071 0,001522 0,001099
- Resistividad media de Zona Caliente, Qcm
- 0,070184 0,073076 0,075119 0,071737
- Resistencia media por unidad de longitud de Zona Caliente (RHE), Q/cm
- 0,030394 0,031646 0,031765 0,033296
- Relacion media RHE:RCE (equivalente a relacion de resistividad segun seccion transversal uniforme)
- 55,300 29,5474 20,8636 30,29327
25
La muestra 1 representa el material optimo formulado de acuerdo con una realizacion de la presente invencion y demuestra una relacion positiva entre la proporcion de carburo de silicio-p (51% en volumen) en el cuerpo con sus correspondientes propiedades electricas.
Ademas, la Muestra 1 produce la mayor proporcion de SiC total (51% en volumen + 28% en volumen). Controlando optimamente los parametros del proceso, es generado mas SiC por medio de la sola reaccion.
Comparando la Muestra 1 con las Muestras 2 y 3, se puede ver que la proporcion incrementada de carburo de silicio-p en la Muestra 1 (51% comparado con 37% y 36% en las Muestras 2 y 3) da lugar a un material de resistividad inferior. El efecto de la resistividad reducida tiene un efecto directo en la mejora de la relacion de la resistencia por unidad de longitud de la zona caliente al extremo frlo.
5
De ese modo, optimizando los parametros de control durante la reaccion entre silicio y carbono, se pueden crear condiciones que favorecen la formacion del componente de carburo de silicio-p (Si 3C) mas electricamente conductor.
10 Tradicionalmente, solo una pequena area del cuerpo del extremo frlo en los extremos terminales esta metalizada con el fin de crear una zona de resistencia de contacto disminuida sobre la cual esten fijadas con clips o abrazaderas tiras de contacto metalicas tales como trenza de aluminio. Esto es para evitar el sobrecalentamiento de los contactos electricos y de ese modo la degradacion. Esto ha sido la norma durante muchos anos. Por ejemplo, la Tabla 8 siguiente indica el diametro, la longitud de extremo frlo y la longitud metalizada para algunos elementos 15 comerciales procedentes de dos fabricantes. Tambien estan mostrados el % de extremo frlo rociado y la relacion de la longitud metalizada al diametro. Normalmente, es utilizado aluminio para el proceso de metalizacion.
- Tabla 8
- Diametro (mm)
- Longitud min. del extremo frlo (mm) Longitud metalizada (mm) % de extremo frlo rociado Longitud metalizada/ diametro
- Kanthal
- 10
- 100 50 50,0% 5,00
- 12
- 100 50 50,0% 4,17
- 14
- 100 50 50,0% 3,57
- 16
- 100 50 50,0% 3,13
- 20
- 100 50 50,0% 2,50
- 25
- 200 50 25,0% 2,00
- 32
- 250 70 28,0% 2,19
- 38
- 250 70 28,0% 1,84
- 45
- 250 70 28,0% 1,56
- 55
- 250 70 28,0% 1,27
- Erema
- 10
- 150 30 20,0% 3,00
- 12
- 150 30 20,0% 2,50
- 14
- 200 30 15,0% 2,14
- 16
- 250 30 12,0% 1,88
- 20
- 300 50 16,7% 2,50
- 25
- 300 50 16,7% 2,00
- 30
- 300 50 16,7% 1,67
- 35
- 300 50 16,7% 1,43
- 40
- 300 50 16,7% 1,25
- 45
- 400 50 12,5% 1,11
- 50
- 400 50 12,5% 1,00
20 La presente solicitante se ha percatado de que aplicando un revestimiento electricamente conductor a lo largo de una proporcion incrementada de la longitud, se proporciona una trayectoria de resistencia reducida a la zona
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caliente, aumentando con ello la relacion de resistencia electrica de la zona caliente al extremo frlo. Esto se demuestra mediante una representacion esquematica del elemento de calentamiento como se muestra en la figura 5 (a y b). La figura 5a muestra el caso que utiliza tecnicas de metalizacion tradicionales en las que las partes terminales 12 estan previstas para permitir el contacto con conductores. Los extremos frlos entre partes terminales 12 y las interfaces 4 de extremo frlo/zona caliente no estan metalizadas. Sobre esta parte no metalizada la transferencia de corriente tiene lugar totalmente a traves del material del extremo frlo.
Aplicando un revestimiento conductor sobre 70% o mas de la longitud del extremo frlo (>70%, o >80% o >90%, o incluso en todo el extremo frlo), se proporciona una trayectoria adicional para la corriente en paralelo con el material del extremo frlo. Este revestimiento conductor puede ser una metalizacion. La figura 5b muestra un elemento de acuerdo con este aspecto, en el que un revestimiento conductor (12, 13) se extiende sobre una gran parte de la superficie del extremo frlo, proporcionando tanto una trayectoria conductora paralela como preferida 13, y, en los extremos distantes de la zona caliente, partes terminales 12.
Aunque ha sido utilizado tradicionalmente el aluminio, y podrla ser utilizado en la presente invention, en algunos casos no es el mejor apropiado como un material del revestimiento debido a que las elevadas temperaturas experimentadas cerca de la zona caliente pueden tender a degradar el revestimiento de aluminio. Se pueden utilizar metales mas resistentes a elevadas temperaturas. Normalmente tales metales tendrlan puntos de fusion por encima de 1200° C o incluso superiores a 1400° C. Ejemplos de tales metales incluyen hierro, cromo, nlquel o una combination de los mismos, pero la invencion no esta limitada a estos metales. En la mayorla de las aplicaciones demandadas, se podrlan utilizar metales mas refractarios, si se desea. Aunque se ha mencionado anteriormente metales, cualquier material mecanica y termicamente aceptable que tenga una resistividad electrica significativamente inferior que el material del extremo frlo conseguirla una ventaja sobre un extremo frlo no tratado.
Ademas, se puede aplicar mas de un tipo de revestimiento al extremo frlo para satisfacer las diferentes temperaturas experimentadas a lo largo del extremo frlo. Por ejemplo, podrla ser utilizado metal aluminio cerca del extremo terminal o zona de contacto electrico donde esta relativamente frlo y se podrla usar un metal de mayor punto de fusion, o uno menos reactivo en la region de temperatura mas elevada cerca de la zona caliente.
Puesto que el proceso de metalizacion proporciona un area de resistencia reducida, ello tiene la ventaja de que puede mejorar los materiales existentes altamente resistivos y que es el objeto de la presente invencion reivindicada. Por ejemplo, el revestimiento de metalizacion puede ser usado para convertir un cuerpo recristalizado altamente resistivo que podrla ser usado generalmente para la zona caliente, en un extremo frlo y todavla ser capaz de proporcionar una relacion de resistencia electrica apreciable, por ejemplo del orden de 30:1.
En algunos casos, esto no tiene que ver con la necesidad de formular un cuerpo de extremos frlos separado y permitirla tambien utilizar elementos de construction de una pieza. En algunas aplicaciones, los elementos de una pieza tienen ventajas en terminos de resistencia mecanica. La figura 8 muestra un elemento formado de una pieza unica de carburo de silicio recristalizado, en el que la extension de metalizacion 13 define los extremos frlos 3.
Ademas, pueden ser fabricados extremos frlos de multiples secciones. Tales extremos frlos tendrlan la ventaja de que se cree que la conductividad termica del material recristalizado ha de ser inferior a la conductividad termica del material normal del extremo frlo y de ese modo actua para educir la perdida de calor a traves del extremo frlo. Un tal elemento se muestra en la figura 7a descrita mas adelante.
En otros casos, el revestimiento conductor serla igualmente aplicable a elementos de calentamiento formados como una pieza tales como barras tubulares helicoidales. Barras tlpicas de este tipo son elementos Crusilite™ Type X y barras Globar™ SG y SR. Cuando esta aplicado al extremo frlo formado por el primer enfoque descrito anteriormente, el efecto del revestimiento de metalizacion aumenta la relacion de resistencia electrica por unidad de longitud a valores que exceden de 100:1.
Tradicionalmente, el revestimiento es aplicado mediante alambre de aluminio de rociado por llama, de manera que el aluminio se adhiera a la superficie del cuerpo. La presente solicitante se ha dado cuenta de que el proceso de revestimiento no esta restringido a tales tecnicas y se pueden usar otras tecnicas de revestimiento, y se usaran necesariamente para algunos metales. Ejemplos de tales metodos incluyen rociado de plasma y rociado de arco. El rociado de arco puede ser usado para algunos metales resistentes a elevadas temperaturas, por ejemplo alambre de rociado Kanthal® - un intervalo de aleaciones de FeCrAl FeCrAlY y Ni-A1 - y estos materiales pueden ser usados convenientemente en la presente invencion.
Ejemplo 1
Para verificar los efectos de un revestimiento de metal independiente del cuerpo subyacente, fue aplicada la tecnica de metalizacion de la presente invencion a dos tipos de materiales del cuerpo de extremos frlos.
El primer elemento (figura 5b) era como se ha descrito en el Ejemplo comparativo 1.
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El segundo elemento (figura 7a) era de dimensiones similares al primer elemento, pero comprendla una zona caliente 14 con extremos frlos hlbridos 15 que comprendlan una parte 16 formada de la mezcla de la Tabla 2 impregnada con silicio de acuerdo con los parametros de proceso descritos en el Ejemplo Comparativo 1, y una segunda parte 17 formada de material recristalizado de la zona caliente (Mezcla B).
En ambos casos la longitud del extremo frlo fue mantenida a 450 mm. Para el material hlbrido, 100 mm de su longitud estaban formados a partir de la Mezcla A y la parte restante del extremo frlo se extendio hasta 450 mm mediante la union de 350 mm de material recristalizado de la zona caliente (Mezcla B).
El cuerpo de la zona caliente hecho a partir de la Mezcla B que consistla en Globar SD recristalizado (vease la Tabla 2) fue a continuacion unido al material del cuerpo del extremo frlo para completar el elemento de calentamiento. El extremo frlo (450 mm) fue a continuacion metalizado rociando con metal aluminio. En la investigacion particular, fue metalizada toda la longitud del extremo frlo, pero sera evidente que esto no es un requisito necesario.
El elemento de calentamiento fue a continuacion instalado en un horno simple forrado de ladrillos y se midio la potencia requerida para mantener la temperatura del horno a 1250° C. Se hicieron comparaciones con un elemento de calentamiento estandar “GLOBAR SD” de dimensiones de zona caliente y extremo frlo similares al primer y segundo elementos, pero metalizadas como se conoce en la tecnica, es decir, en las que solo estan metalizados 50 mm del extremo frlo (vease la figura 5a).
Se encontro que la potencia consumida por el elemento de calentamiento estandar (figura 5a) era de 1286 W, pero usando el paso de metalizacion mejorado de acuerdo con la presente invencion, se produjo un consumo de potencia de solo 1160 W cuando el cuerpo del extremo frlo estaba hecho completamente de la Mezcla A (figura 5b), lo que representa un ahorro de potencia de 126 W o 9,8%. Ademas, utilizando el proceso de metalizacion mejorado en el material del extremo frlo hlbrido que consistla parcialmente en material recristalizado de la zona caliente (figura 7a), se consumio una potencia de 1203 W, que representa un ahorro de potencia de 83 W o 6,4%.
Aunque el cuerpo del extremo frlo hlbrido subyacente de la figura 7a no es tan eficiente como el extremo frlo descrito en el Ejemplo Comparativo 1 (figura 5b), el inferior consumo de potencia en comparacion con los elementos de calentamiento estandar conocidos en la tecnica demuestra las ventajas de sobre-rociar el cuerpo del extremo frlo, creando con ello un area de resistencia reducida.
Ejemplo 2
En un ensayo mas, se hicieron comparaciones para veer el efecto de la metalizacion de un cuerpo subyacente de extremo frlo usando el paso de metalizacion mejorado de a presente invencion. En estos ensayos fueron metalizados 200 mm (80% de la longitud del extremo frlo) desde el extremo terminal, en comparacion con 50 mm (20% de la longitud del extremo frlo), como en la tecnica conocida. En ambos casos, el revestimiento de metalizacion se aplico a un extremo frlo formado utilizando los parametros de proceso como se ha descrito en el Ejemplo Comparativo 1.
El elemento de calentamiento estaba hecho del siguiente tamano:
Zona caliente: 950 mm (Globar SD™ recristalizado)
Extremo frlo: 250 mm
Se midio la potencia requerida para mantener los elementos de calentamiento a una temperatura de la superficie de la zona caliente de 1000° C al aire libre. Usando la tecnica de metalizacion de terminal convencional, la relacion de la resistencia electrica por unidad de longitud de la zona caliente al extremo frlo se midio que era 54:1. Sin embargo, utilizando el revestimiento de metalizacion de la presente invencion, la relacion mejoro hasta 103:1, lo cual, mediante calculo a partir de la Ley de Ohm, representa una reduccion esencial de disipacion de potencia de 50%.
La resistividad reducida de los nuevos materiales de extremo frlo de la presente invencion va acompanada en cierto grado por un aumento de la conductividad termica, lo que puede contrarrestar en un cierto grado las ventajas del material. Sin embargo, puede presentar la ventaja de que la seccion transversal del extremo frlo puede ser reducida mientras se mantiene todavla una relacion de calidad aceptablemente buena de la resistividad electrica de la zona caliente al extremo frlo (por ejemplo, 30:1). Una tal construccion reduce la transferencia de calor dentro del extremo frlo en comparacion con un extremo frlo de diametro completo del mismo material. Esta reduccion de seccion transversal se puede conseguir para elementos de tubo aumentando el diametro interior del tubo del extremo frlo mientras se deja el diametro exterior constante para igualarse al diametro exterior de la zona caliente. Sin embargo, es preferible, en su lugar, reducir el diametro exterior de los extremos frlos para que sean mas pequenos que en la zona caliente. Esto tiene la ventaja particular de que:
• la superficie de radiacion de extremo frlo se reduce, reduciendose as! la perdida de calor
• los extremos frlos pueden ser cubiertos con material termicamente aislante o con un manguito termicamente aislante para reducir todavla mas la perdida de calor
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• el material aislante o el manguito aislante no precisan extenderse mas alia del diametro exterior de la zona caliente.
La transferencia de calor a traves de los extremos trios puede reducirse tambien adelgazando o perforando el material en puntos seleccionados en los extremos trios (por ejemplo, mediante el uso de hendiduras), y esto se puede combinar con la reduccion del espesor del material en la totalidad o parte de los extremos trios.
Proporcionando extremos trios termicamente aislados resultara una perdida de calor reducida y por tanto una temperatura aumentada del extremo trio. Esta elevacion de temperatura dara lugar a una disminucion de la resistividad y en consecuencia de la resistencia del extremo trio.
La seccion transversal del extremo trio no tiene que ser reducida en toda su longitud.
Ejemplo comparativo 3
Elementos como se ha concretado en la Tabla 9 siguiente tueron ensayados en un Horno de Ensayo para Elementos especialmente construido, tabricado por Carbolite, numero 3-03-414 de diseno de horno, de tal manera que todas las condiciones ambientales externas no tenian etecto sobre la potencia requerida para mantener la temperatura del horno. Usando este horno, tue posible controlar y vigilar todos los aspectos de las condiciones en las que eran ensayados los elementos, incluyendo:
• temperatura del horno;
• carga de potencia superficial deseada aplicada a los elementos (mediante el uso de tubos entriados con agua que actuaban como una carga artificial que extraia calor del horno); y
• las condiciones atmostericas.
Los elementos tueron ensayados en conjuntos de tres al mismo tiempo, siendo la potencia para cada elemento controlada separadamente con dependencia de la resistencia de cada elemento. Cada ensayo tue realizado bajo un tlujo constante de gas nitrogeno seco regulado hacia el interior del horno a 20 litros/min. Esto creo condiciones atmostericas constantes. El aislamiento del horno, oriticios de entrada del elemento, tiras de aluminio y conexiones de clip de potencia del elemento permanecieron constantes en todo el ensayo de los diversos tipos de elementos. La potencia aplicada a cada elemento tue vigilada a intervalos de 10 minutos y de este modo se pudo hacer una determinacion del punto en el que podian hacerse las condiciones de equilibrio o de estado estable aplicadas (la potencia suministrada que iguala la perdida de calor a la carga y entorno).
- Tabla 9
- Tipo de elemento
- Relacion de resistencia RHE:RCE Seccion trans. de extremo trio (cm2) Potencia Media (W) Ahorro (%)
- Elemento de 3 piezas como Fig., 5a, extremos trios de material convencional- Material de extremo trio como el Ejemplo 2, Tabla 5 Diametro exterior (OD) de extremo trio de 19,1 mm x ID de 8,5 mm
- 25,0 2,3 8537,36
- Elemento de 3 piezas como Fig. 5a, extremos trios de baja resistividad Material de extremo trio como Muestra 1, Tabla 5 Extremo trio de 19,1 mm OD x 8,5 mm ID
- 65,2 2,3 8369,68 1,97
- Elemento de 3 piezas con extremos trios aislados de 14 mm, como Fig. 7b Material de extremo trio como Muestra 2, Tabla 5 Extremo trio de 14,0 mm x 7,5 mm ID Zona caliente de 19,1 mm OD
- 27,2 1,1 8331,45 2,41
- Globar SD de 3 piezas con extremos trios aislados y taponados de 14 mm, como Fig. 7b, con oritico aislado Material de extremo trio como Muestra 2, Tabla 5 Extremo trio de 14,0 mm x 7,5 mm ID Zona caliente de 19,1 mm OD
- 27,2 1,1 8318,78 2,56
Bajo estas condiciones de ensayo se obtuvieron resultados como se detalla en la Tabla 9 para elementos (de diseno Globar SD 20-600-1300-2.30 dentro de moditicaciones indicadas en la Tabla 9), en los que el diametro es
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normalmente de 20 mm, la longitud de la zona caliente es de 600 mm, la longitud total es de 1300 mm y la resistencia nominal es de 2,30 ohmios. La temperatura del horno se fijo en 1000° C y el sistema de enfriamiento por agua fue dispuesto de tal manera que se consiguio una carga de potencia superficial sobre los elementos de aproximadamente 8,5 Vatios/cm2 Estas condiciones son representativas de un conjunto de condiciones tlpicas bajo las cuales se pueden usar dichos elementos.
Como se puede ver, el cambio desde material estandar de extremo frlo con geometrla como se ha definido en la figura 5a para nuevo material de extremo frlo produce una reduccion de uso de potencia de 1,97% en equilibrio.
Con la reduccion del area de la seccion transversal del extremo frlo y la aplicacion de una capa de 2,5 mm de grueso de material 18 de aislamiento de fibra ceramica, como se muestra en la figura 7c, en este caso a 47,8% del original, la relacion de elementos disminuye de 65:1 a 27:1, pero se ve que el ahorro de potencia mejora desde 1,97% a 2,41%. Esto demuestra claramente que a pesar de una relacion disminuida de resistencia de zona caliente:extremo frlo, se mejora la eficacia del elemento de calentamiento como consecuencia de la reduccion de la seccion transversal. El aislamiento de los extremos frlos tiene el efecto combinado de evitar perdidas de calor y aumentar la temperatura del material, reduciendo as! mas la resistividad. Tambien permanece invariable el diametro nominal del elemento y el elemento continua siendo facilmente colocado en un orificio de entrada en un horno sin que sea necesario aislamiento o taponamiento adicional.
Ademas, si los extremos frlos estan aislados con un material de aislamiento de fibra ceramica de 2,5 mm de grueso, se consigue una reduccion adicional de potencia desde 1,97% a 2,56% sobre el estandar. El aislamiento de orifico de los extremos frlos tiene un efecto adicional de evitar perdidas de calor y de aumentar la temperatura del material del extremo frlo, con lo que se reduce mas la resistividad.
Mas Ejemplos y Ejemplos Comparativos
Para proporcionar un conjunto comparable de resultados de rendimiento se hicieron cierto numero de elementos tubulares que tenlan (excepto cuando se indica) diametro nominal de extremos frlos de 20 mm que soportaban cada uno de ellos una zona caliente de 20 mm de diametro, de 600 mm de longitud. Los diametros reales eran:
- Diametro nominal (mm)
- Diametro exterior mlnimo (mm) Diametro exterior maximo (mm) Diametro interior mlnimo (mm) Diametro interior maximo (mm)
- 20
- 18,80 19,30 7,90 8,70
Estos elementos fueron ensayados de la manera del Ejemplo 5 anterior y las potencias de equilibrio de 12 horas requeridas para mantener una temperatura de 1000° C se resumen en la Tabla 10.
Tabla 10
- Potencia (W) %Potencia %Ahorro Elacion de resistencias
- [A] Un elemento de carburo de silicio recristalizado de una pieza en el que partes extremas fueron impregnadas con silicio para formar los extremos frlos (Ejemplo Comparativo)
- 8410 100 0 13,1
- [B] Un elemento ce carburo de silicio recristalizado de una pieza en el que partes extremas fueron impregnadas con silicio para formar extremos frlos y el orificio del tubo fue taponado con fibra refractaria (Ejemplo comparativo)
- 8416 100,07 -0,07 13,2
- [C] Una zona calientes de carburo de silicio recristalizado de tres piezas que tiene extremos frlos de carburo de silicio impregnado de silicio unidos a la zona caliente (Ejemplo Comparativo)
- 8424 100,17 -0,17 24,7
- [D] Una zona caliente de carburo de silicio recristalizado de tres piezas que tiene extremos frlos formados por el primer enfoque mencionado antes, unidos a la zona caliente (Ejemplo Comparativo)
- 8357 99,38 0,62 52,1
- [E] Una zona caliente de carburo de silicio recristalizado de tres piezas que tiene extremos frlos terminales de 14 mm de diametro formados por el primer enfoque mencionado antes, unidos a la zona caliente (Ejemplo Comparativo)
- 8375 99,59 0,41 25,3
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- [F] Un elemento de carburo de silicio recristalizado de pieza unica rociado con metal [FeCrAl] para formar extremos frios [Ejemplo]
- 8139 96,78 3,22 16,9
- [G] Un elemento de carburo de silicio recristalizado de pieza unica rociado con metal [FeCrAl para formar extremos frios con el orificio de tubo taponado con fibra refractaria [Ejemplo]
- 8128 96,65 3,35 16,9
- [H] Un elemento de una piaza que comprende una zona caliente de carburo de silicio recristalizado, partes de extremo frio de 75 mm impregnadas con silicio unidas a la zona caliente y partes terminales de carburo de silicio metalizado recristalizado que completan las zonas frias [Ejemplo (figura 7a)]
- 8049 95,71 4,29 51
Como se puede ver en estos ensayos, la metalizacion de un material de carburo de silicio recristalizado para formar un extremo frio proporciona ahorros de potencia significativos sobre la utilizacion de extremos frios convencionales impregnados de silicio. Un elemento hibrido en el cual esta interpuesto un material de resistencia electrica inferior que el carburo de silicio recristalizado (por ejemplo carburo de silicio impregnado con silicio) entre el carburo de silicio recristalizado y la zona caliente, proporciona todavia ahorros.
Un efecto mas de utilizar carburo de silicio recristalizado metalizado como unos medios de reducir la perdida de calor desde los extremos de elemento de calentamiento de carburo de silicio es que ello da lugar a temperaturas inferiores en el extremo terminal del elemento. La figura 9 muestra los resultados de la medicion de la temperatura en el orificio de elementos [A], [C] y [H] anteriores. Como se puede ver, la temperatura en el extremo terminal (~25 mm desde el extremo) es significativamente inferior para el elemento [H] de acuerdo con la presente invencion que para los elementos [A] y [C]. Temperaturas del extremo terminal inferiores reduciran el riesgo de
sobrecalentamiento de las tiras del terminal.
Las longitudes relativas del material de extremo frio de resistencia electrica relativamente baja y del carburo de silicio recristalizado metalizado se pueden elegir para satisfacer la aplicacion particular. La longitud del material de extremo frio de resistencia electrica de seccion relativamente baja se puede variar, de acuerdo con la longitud del extremo frio, de la temperatura de funcionamiento del horno y del espesor y propiedades de aislamiento del forro termico del equipo. Preferiblemente, el material de extremo frio de resistencia electrica relativamente baja sera menor del 50% de la longitud total del extremo frio que esta situado dentro del forro termico.
Por ejemplo, si el forro termico es de 300 mm de grueso, y la longitud total del extremo frio es de 400 mm, habra 100 mm de longitud de extremo frio situado fuera de los confines del forro, para permitir efectuar conexiones electricas, y 300 mm de extremo frio dentro de los confines del forro termico. En este caso, la longitud preferida del material de extremo frio de resistencia electrica relativamente baja interpuesto entre el carburo de silicio recristalizado metalizado y la zona caliente sera menor que 50% de 300 mm, o menor que 150 mm. Resultara evidente que se pueden utilizar precisamente mas de cinco secciones (como en el ejemplo [H]) en la construction de un elemento de calentamiento de carburo de silicio, y tales construcciones estan incluidas en el alcance de la presente invencion.
En lo que antecede, la explication se ha dirigido principalmente a elementos tubulares. Se ha de entender que la presente invencion se extiende a elementos de barra y a elementos de seccion transversal distinta de la circular. Cuando se utiliza la palabra “diametro”, se ha de considerar que significa el diametro maximo transversal al eje mas largo del elemento, o parte del elemento, a que se refiere.
Claims (14)
- 51015202530354045505560REIVINDICACIONES1. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio que tiene una o mas zonas calientes (1, 14) y dos o mas extremos frlos (3, 15), caracterizado por que:• las areas de la seccion transversal de los dos o mas extremos frlos (3, 15) son esencialmente la misma o menor que las areas de la seccion transversal de la una o mas zonas calientes (2, 14); y• parte al menos de al menos un extremo frlo (3, 15) consiste en un cuerpo de material de carburo de silicio recristalizado recubierto de un revestimiento conductor (13) que tiene una resistividad electrica inferior a la del material de carburo de silicio recristalizado.
- 2. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun la reivindicacion 1, en el que la una o mas zonas calientes (2, 14) consisten en un material de carburo de silicio recristalizado.
- 3. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun la reivindicacion 2, en el que la una o mas zonas calientes (2, 14) y los dos o mas extremos frlos (3, 15) son un cuerpo unitario formado a partir del mismo material de carburo de silicio recristalizado.
- 4. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun la reivindicacion 1, en el que el al menos un extremo frlo (15) comprende una o mas regiones (16) de material de carburo de silicio que tienen una resistividad electrica menor que la del material de carburo de silicio recristalizado (17), interpuestas entre el material de carburo de silicio recristalizado (17) y una zona caliente adyacente (14).
- 5. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun la reivindicacion 4, en el que la region (16) de material de carburo de silicio que tiene resistividad electrica inferior que la del material de carburo de silicio recristalizado (17) comprende un material de carburo de silicio impregnado de silicio.
- 6. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el revestimiento conductor (13) es metalico.
- 7. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun la reivindicacion 6, en el que el revestimiento conductor (13) consiste en aluminio.
- 8. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun la reivindicacion 6 o la 7, en el que el revestimiento metalico (13) tiene un punto de fusion superior a 1200° C.
- 9. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun la reivindicacion 8, en el que el revestimiento metalico (13) tiene un punto de fusion superior a 1400° C.
- 10. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun la reivindicacion 9, en el que el revestimiento metalico (13) consiste en nlquel, cromo, hierro o mezclas de los mismos.
- 11. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el revestimiento conductor (13) cambia de composicion a lo largo de su longitud, teniendo la composicion del revestimiento hacia las zonas calientes (2, 14) una mayor estabilidad a la elevada temperatura que la composicion del revestimiento distante de las zonas calientes (2, 14).
- 12. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun la reivindicacion 11, en el que el revestimiento (13) es metalico que comprende mas de un tipo de metal y en el que el punto de fusion de cada tipo de metal aumenta a lo largo de la longitud del extremo frlo (3, 15) desde un primer extremo para la conexion a una fuente electrica hacia un segundo extremo mas cerca de las zonas calientes (2, 14).
- 13. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que el elemento tiene una forma plegada de tal manera que partes de los extremos frlos (3, 15) se situan lado a lado.
- 14. Un elemento de calentamiento de carburo de silicio segun la reivindicacion 13, en el que la forma plegada comprende una parte generalmente helicoidal.
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