ES2912404T3 - Elemento calefactor que contiene partes de disiliciuro de molibdeno - Google Patents

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Abstract

Un elemento calefactor compuesto por al menos dos partes a base de disiliciuro de molibdeno en el que al menos una de las partes a base de disiliciuro de molibdeno se basa en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que tiene más de o igual a 90 % en peso de (Mo1-xCrx)Si2 donde x es de 0,05 a 0,25; y en el que al menos una de las partes a base de disiliciuro de molibdeno se basa en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que comprende más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2.

Description

DESCRIPCIÓN
Elemento calefactor que contiene partes de disiliciuro de molibdeno
Campo técnico
La presente descripción se refiere a un elemento calefactor compuesto por al menos dos partes a base de diferentes composiciones a base de disiliciuro de molibdeno, donde al menos una de las partes a base de disiliciuro de molibdeno se basa en una composición de disiliciuro de molibdeno a base de aleación de cromo y al menos una parte de las partes a base de disiliciuro de molibdeno se basa en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que comprende más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2. La presente divulgación también se refiere al uso del elemento calefactor y a un horno que comprende dicho elemento calefactor.
Antecedentes
Los materiales basados en disiliciuro de molibdeno son bien conocidos en aplicaciones de alta temperatura, como en hornos. Los elementos calefactores fabricados con estos materiales tienen un buen rendimiento a altas temperaturas, como por encima de 1800 °C, en el aire debido a la formación de una capa protectora de dióxido de silicio (SiÜ2), también conocida como vidrio de sílice.
Al calentar materiales a base de disiliciuro de molibdeno en el aire, tanto el molibdeno como la sílice se oxidarán. El óxido formado a partir del molibdeno se volverá volátil y se evaporará y el óxido formado a partir de la sílice formará una capa de óxido protectora sobre el elemento calefactor, que a su vez evitará la corrosión del elemento calefactor y que quede expuesto a la degradación por desgaste. Sin embargo, a bajas temperaturas (400 a 600 °C), el dióxido de molibdeno permanecerá en la capa de dióxido de silicio y perturbará la formación de una capa continua de SiÜ2. Esto conducirá a un consumo continuo del material del elemento calefactor y es un fenómeno conocido como desagregación (en inglés "pesting" o "pest").
En los hornos, especialmente en los hornos industriales, existe un problema con la degradación de los elementos calefactores. Los hornos industriales tienen zonas de alta temperatura (zonas calientes) y zonas de baja temperatura (zonas frías). En las zonas calientes, la desagregación no suele ser un problema, ya que se formará inmediatamente una capa protectora de dióxido de silicio. Sin embargo, las partes del elemento calefactor que se encuentran en las zonas frías tendrán problemas de desagregación y, por lo tanto, estas partes estarán expuestas a la corrosión y la degradación por desgaste, lo que eventualmente conducirá a la falla del elemento. Otro problema más asociado con la desagregación es la contaminación del material que se está calentando debido a la caída de escamas de óxido de los elementos defectuosos.
Además, se sabe que las adiciones de aluminio a composiciones que contienen MoSi2 mejorarán drásticamente la resistencia a la desagregación de los elementos de calentamiento fabricados a partir de las mismas. Sin embargo, el problema con el aluminio es que formará Mo(Si,Al)2 hexagonal y las partes que contienen Mo(Si,Al)2 son muy difíciles de unir mediante soldadura a piezas que comprenden MoSi2 debido a la diferencia de resistencia entre estos dos materiales a las altas temperaturas requeridas para la unión. Además, aumentará la pérdida de potencia debida al calentamiento innecesario del terminal porque el Mo(Si,Al)2 hexagonal tiene mayor resistividad eléctrica que el (Mo,Cr)Si2 tetragonal.
El documento US3051924 describe un elemento calefactor de resistencia eléctrica de alta resistencia mecánica que es resistente a la oxidación a altas temperaturas que consiste esencialmente en una zona de calentamiento incandescente y dos porciones de extremo terminal, dicha zona incandescente consiste esencialmente en un cuerpo sinterizado que tiene partículas metálicamente conductoras constituidas por un silicoaluminuro que forma una fase pura con cristales de estructura reticular C40 y tiene la composición (Mo1-yMy)(Si1-xAIx)2, donde x varía de 0,1 a 0,6 e y varía de 0,0 a 0,7 y M es al menos un metal seleccionado del grupo que consiste en titanio, zirconio, hafnio, tantalio, niobio, vanadio, cromo y tungsteno, dichas partes terminales consisten en disiliciuro de molibdeno tetragonal metálicamente conductor. El silicoaluminuro tiene una resistencia a la corrosión mejorada.
El objetivo de la presente divulgación es eliminar o al menos reducir los problemas mencionados anteriormente.
Resumen
Por lo tanto, el objetivo de la invención es proporcionar un elemento calefactor que sea adecuado para su uso en un horno, tal como un horno industrial, y que resistirá o al menos reducirá los problemas antes mencionados.
Por lo tanto, la presente invención proporciona un elemento calefactor que comprende al menos dos partes a base de disiliciuro de molibdeno, partes que se basan en diferentes composiciones a base de disiliciuro de molibdeno, donde al menos una de las partes a base de disiliciuro de molibdeno se basa en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que tiene más de o igual a 90 % en peso de (Mo1-xCrx)Si2 donde x es de 0,05 a 0,25; y en el que al menos una de las partes a base de disiliciuro de molibdeno se basa en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que comprende más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2.
El elemento calefactor obtenido tendrá una menor pérdida de potencia debido al calentamiento innecesario del terminal, especialmente durante el arranque del horno. Además, el elemento calefactor obtenido tendrá una alta resistencia contra la desagregación.
La(s) parte(s) del elemento calefactor a base de la composición a base de disiliciuro de molibdeno que comprende más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2 se utiliza preferentemente en las zonas calientes del elemento calefactor, es decir, en zonas que tienen una temperatura superior a 600 °C.
Además, la presente invención también se refiere a un contacto fijo que comprende un elemento calefactor como se ha definido anteriormente o a continuación.
La presente invención también se refiere a un horno, tal como un horno industrial que comprende un elemento calefactor como se define anteriormente o más adelante.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 ilustra un elemento calefactor según una realización de la presente invención;
la Figura 2A muestra una unión entre material a base de Mo(Si,Al)2 (lado izquierdo) y material a base de MoSi2 con aleación de Cr. La parte inferior de la figura muestra la junta en sección transversal;
la Figura 2B muestra una micrografía electrónica de barrido (modo retrodispersado) que muestra una unión entre material a base de Mo(Si,Al)2 (lado izquierdo) y material a base de (Mo,Cr)Si2.
Descripción detallada
La presente invención se refiere a un elemento calefactor que comprende al menos dos partes a base de disiliciuro de molibdeno, partes que se basan en diferentes composiciones a base de disiliciuro de molibdeno, donde al menos una de las partes a base de disiliciuro de molibdeno se basa en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que tiene más de o igual a 90 % en peso (% en peso) de (Moi-xCrx)Si2 donde x es de 0,05 a 0,25, y donde al menos una de las partes a base de disiliciuro de molibdeno se basa en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que comprende más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2. Así, una parte se basa en una composición a base de disiliciuro de molibdeno y una parte se basa en otra composición a base de disiliciuro de molibdeno.
El diseño del presente elemento calefactor proporcionará una disminución o incluso la eliminación de la desagregación sin comprometer el rendimiento a alta temperatura del elemento calefactor en la zona de calentamiento porque el elemento calefactor tiene una combinación de al menos dos partes en las que una parte se basa en una a base de disiliciuro de molibdeno y la otra parte a base de otra composición a base de disiliciuro de molibdeno. Por lo tanto, las partes tendrán diferentes propiedades. Además, el diseño del elemento calefactor permitirá una menor pérdida de potencia debido al calentamiento innecesario del terminal.
La(s) parte(s) del elemento calefactor, que estará expuesta a las zonas frías (400 a 600 °C), de un horno se basa en la composición a base de disiliciuro de molibdeno que comprende más de o igual a 90 % en peso de (Moi-xCrx)Si2 donde x es de 0,05 a 0,25. El resto de la composición puede ser arcilla de aluminosilicato y/o uno o más óxidos inorgánicos, como SiÜ2. Según una realización, la arcilla de aluminosilicato es del tipo montmorillonita por ejemplo bentonita.
De acuerdo con una realización, la composición a base de disiliciuro de molibdeno, en la que parte del molibdeno (Mo) se reemplaza por cromo (Cr), comprende más de o igual a 95 % en peso de (Moi-xCrx)Si2 y el resto es arcilla de aluminosilicato y/o uno o más óxidos inorgánicos.
Según una realización, y con el fin de reducir aún más la desagregación, x está entre 0,10 y 0,20, por ejemplo entre 0,15 y 0,20.
Se ha demostrado que una composición a base de disiliciuro de molibdeno aleado con cromo no formará óxidos de molibdeno en las zonas frías, lo que significa que la capa de dióxido de sílice formada será continua y por tanto no estará expuesta a la degradación por corrosión y/o desgaste. En la presente divulgación, los términos "material a base de (Mo,Cr)Si2" y "(Mo1-xCrx)Si2" y "a base de disiliciuro de molibdeno aleado con cromo" y "composición a base de disiliciuro de molibdeno aleado con cromo" se usan indistintamente.
Además, la(s) parte(s) del elemento calefactor expuesta(s) a las zonas calientes (es decir, por encima de 600 °C) está(n) basada(s) en (fabricada(s) a partir de) una composición basada en disiliciuro de molibdeno que comprende más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2. El resto de la composición puede ser arcilla de aluminosilicato y/o uno o más óxidos inorgánicos, como SiÜ2. Según una realización, la arcilla de aluminosilicato es de tipo montmorillonita por ejemplo bentonita.
Sorprendentemente se ha encontrado que una parte a base de (Mo1-xCrx)Si2 será fácilmente unible (conectada) a una parte a base de Mo (Si, Al)2. Sin estar ligado a ninguna teoría, se cree que el cromo es el elemento clave. Además, no solo se reducirá la desagregación dentro del horno al unir partes de estas dos composiciones, sino que también se reducirá la cantidad de formación de calor no deseable debido a la baja resistividad del (Mo,Cr)SÍ2 en comparación con Mo(Si, Al)2. Así, las juntas se verán menos afectadas por las diferentes dilataciones térmicas de los materiales.
Las partes pueden, como se mencionó anteriormente, también comprender menos de o igual a 10 % en peso (% en peso) de una arcilla de aluminosilicato y/o uno o más óxidos inorgánicos, como SiO2. Según una realización, la arcilla de aluminosilicato es del tipo montmorillonita por ejemplo bentonita. Funcionarán como auxiliares de extrusión y/o auxiliares de sinterización.
La al menos una parte basada en una composición que comprende más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2 puede comprender una fase matriz a base de Mo(Si,Al)2 y hasta 5 % en volumen de Mo5(Si, Al)3 y hasta 15 % en volumen de Al2O3, respectivamente.
Según la invención, el elemento calefactor tal como se ha definido anteriormente o a continuación comprende o consiste en dos partes de diferentes composiciones a base de disiliciuro de molibdeno. De acuerdo con otra realización, el elemento calefactor como se define anteriormente o más adelante comprende o consiste en tres partes, donde dos de las partes están compuestas por la misma composición a base de disiliciuro de molibdeno. De acuerdo con otra realización, el elemento calefactor como se define anteriormente o más adelante comprende o consiste en cuatro partes a base de disiliciuro de molibdeno donde dos partes se basan en la composición de disiliciuro de molibdeno aleado con cromo como se define más arriba o más adelante. Según la invención, el elemento calefactor comprende o consiste en dos partes basadas en la composición de (Mo1-xCrx)Si2 y una parte basada en la composición de Mo(Si,Al)2.
Haciendo referencia a los dibujos, un elemento calefactor comprende una sección conocida como terminal(es) (véase figura 1). La zona fría suele estar situada en este tramo. Según una realización, el terminal se basa preferentemente en la parte que comprende la composición a base de disiliciuro de molibdeno aleado con cromo pero también se podría realizar una pequeña sección del terminal del material que se va a utilizar en la zona caliente. La sección de la zona caliente se fabrica preferiblemente a partir de la otra composición de disiliciuro de molibdeno. Todo el terminal puede estar compuesto por la composición a base de disiliciuro de molibdeno aleado con cromo. El terminal puede tener un diámetro mayor que la zona de calentamiento. El terminal también puede adaptarse para extenderse hacia el exterior del horno a través de la pared del horno y conectarse eléctricamente en el exterior del horno.
La figura 1 ilustra ejemplos de un elemento calefactor según la presente descripción. La Figura 1 describe un elemento calefactor 1. El elemento calefactor 1 tiene terminales 2. Las partes 3 de los terminales están compuestas de una composición de disiliciuro de molibdeno aleado con cromo y una parte está compuesta de una composición a base de disiliciuro de molibdeno adecuada para la zona caliente 4.
Las partes de un elemento calefactor pueden unirse mediante soldadura, tal como soldadura por difusión o mediante calentamiento por inducción y luego aplicar una presión externa perpendicular a la unión. También se puede utilizar el paso de una corriente eléctrica a través de la junta y luego, simultáneamente, aplicar una presión externa perpendicular a la junta. La Figura 2 muestra una unión entre un material a base de Mo(Si,Al)2 (lado izquierdo) y un material a base de MoSi2 aleado con cromo donde la unión se ha realizado mediante soldadura por difusión.
Las diferentes partes del elemento calefactor se pueden formar en forma de varillas u otras formas y luego conectarse. Además, las partes pueden tener la forma de elementos en U, pero también de vástagos múltiples, helicoidales, casetes de difusión, paneles planos, etc. Las diferentes partes pueden tener forma de varillas y pueden estar dobladas o rectas según el uso previsto del elemento calefactor. La sección transversal de la varilla puede ser típicamente circular, pero dependiendo de la aplicación, también pueden ser posibles otras formas geométricas, como elíptica o rectangular.
Según una realización, la(s) pieza(s) del material a base de (Mo,Cr)Si2 es(son) lo suficientemente larga(s) para cubrir la(s) zona(s) que tienen un intervalo de temperaturas de 400-600 °C durante la operación. Según una realización, dicha(s) parte(s) tiene(n) forma de varilla que tiene un diámetro de 1 a 30 mm y una longitud de 1 a 40 cm.
En la presente descripción, la expresión "la parte se basa en una composición" pretende significar que al menos el 70 % en peso de la parte se basa en esa composición.
La presente divulgación se describe adicionalmente mediante el siguiente ejemplo no limitativo.
EJEMPLO
Se prepararon dos mezclas de polvos de molibdeno, silicio y cromo y se calentaron en argón para formar Mo0.85Cr0.15Si2. El producto obtenido se molió y posteriormente se mezcló con un 5 % en peso de aluminosilicato (arcilla bentonítica del tipo montmorillonita) y agua para formar una pasta para extrusión. La pasta formada se extruyó en varillas de 9 mm de diámetro, que posteriormente se secaron y presinterizaron en hidrógeno. Luego se realizó la sinterización final para lograr la densidad completa mediante calentamiento por resistencia en aire. Se rectificaron las superficies extremas de diámetro de las varillas.
Se proporcionaron varillas de 9 mm de materiales a base de Mo(Si,Al)2 y se rectificaron las superficies de los extremos del diámetro de las varillas.
Las varillas se calentaron bajo gas protector utilizando una bobina de inducción. Las varillas se juntaron cuando la temperatura alcanzó los 1550-1650 °C y se aplicó una presión de 400-600 N durante 15-60 s (unión por difusión). Las secciones longitudinales de la unión se analizaron en un microscopio electrónico de barrido y se confirmó la unión exitosa entre los dos materiales, consulte la Figura 2A y B.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un elemento calefactor compuesto por al menos dos partes a base de disiliciuro de molibdeno
en el que al menos una de las partes a base de disiliciuro de molibdeno se basa en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que tiene más de o igual a 90 % en peso de (Mo1-xCrx)Si2 donde x es de 0,05 a 0,25; y
en el que al menos una de las partes a base de disiliciuro de molibdeno se basa en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que comprende más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2.
2. El elemento calefactor según la reivindicación 1, en el que el elemento calefactor consiste en dos partes a base de disiliciuro de molibdeno.
3. El elemento calefactor según la reivindicación 1, en el que el elemento calefactor consiste en tres partes a base de disiliciuro de molibdeno, de las cuales dos partes se basan en la misma composición a base de disiliciuro de molibdeno y una parte se basa en otra composición a base de disiliciuro de molibdeno.
4. El elemento calefactor según la reivindicación 3, en el que dos partes se basan en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que tiene más de o igual a 90 % en peso de (Mo1-xCrx)Si2 donde x es de 0,05 a 0,25; y una parte se basa en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que comprende más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2.
5. El elemento calefactor según la reivindicación 1, en el que el elemento calefactor consiste en cuatro partes a base de disiliciuro de molibdeno y en el que dos partes del elemento calefactor se basan en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que tiene más de o igual a 90 % en peso de (Mo1-xCrx)Si2 donde x es de 0,05 a 0,25 y dos partes del elemento calefactor se basan en una composición a base de disiliciuro de molibdeno que comprende más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2.
6. El elemento calefactor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la composición a base de disiliciuro de molibdeno que tiene más de o igual a 90 % en peso de (Mo1-xCrx)Si2 donde x es 0,05 a 0,25 también comprende menos de o igual a 10 % en peso de aluminosilicato y/o uno o más óxidos inorgánicos.
7. El elemento calefactor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que x está entre 0,10 y 0,20, tal como entre 0,15 y 0,20.
8. El elemento calefactor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la composición a base de disiliciuro de molibdeno que contiene (Mo1-xCrx)Si2 comprende más de o igual a 95 % en peso de (Mo1-xCrx)Si2.
9. El elemento calefactor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la composición a base de disiliciuro de molibdeno que se basa en más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2 también comprende menos de o igual a 10 % en peso de aluminosilicato y/o uno o más óxidos inorgánicos.
10. El elemento calefactor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la al menos una parte compuesta por una composición que se basa en más de o igual a 90 % en peso de Mo(Si,Al)2 también comprende una fase matriz basada en Mo(Si,Al)2 y hasta un 5 % en volumen de Mos(Si,Al)3 y hasta un 15 % en volumen de Al2O3, respectivamente.
11. Contacto fijo que comprende un elemento calefactor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
12. Horno que comprende un elemento calefactor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
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