Integración de una resistencia calefactora de SiC y un tubo de nitruro de silicio en baños de aluminio fundido

El nitruro de silicio es un material con excelentes características, tales como altamente resistente, elevada tenacidad a la rotura, elevada resistencia de aislamiento eléctrico y muy buena conductividad térmica. Es ampliamente usado en la industria, pero de forma especial en la producción de aluminio. Las aplicaciones más usuales son tubos de protección para termopares en hornos de fusión, de mantenimiento y fundición a baja presión, tubos de protección de elementos calefactores y tubos de elevación. La figura 1 muestra las aplicaciones más comunes en los baños de aluminio fundido.

Las fuentes de energía para la fundición de aluminio son comunmente el gas natural y la electricidad. El calentamiento con gas natural presenta la ventaja de un menor coste, pero la electricidad produce menores emisiones y mantiene un ambiente más limpio de la propia empresa. Para el calentamiento eléctrico se usan habitualmente resistencias metálicas o de SiC como elemento calefactor. TKK dispone de una larga experiencia fabricando resistencias de carburo de silicio, por lo que es natural que desarrollara un conjunto calefactor formado por la resistencia interior y su tubo de protección en nitruro de silicio.

Una ventaja para el usuario con esta combinación es que se ahorra tener que adquirir dos productos distintos de diferentes fabricantes. También, con esta unidad calefactora de inmersión se facilitan y se simplifican las tareas de compra ya que no se requieren especificaciones precisas para dos componentes –el elemento calefactor y el tubo de protección- tales como las tolerancias en diámetros, que deben permitir un espacio suficiente para acomodar las dilataciones térmicas que se produciran al operar a la temperatura de trabajo y que TKK ya contempló al diseñar el conjunto calefactor.

El conjunto permite ser controlado eficientemente para obtener una temperatura precisa del aluminio fundido debido al elevado rendimiento térmico y a la excelente transmisión del calor. Además, este conjunto forma una unidad compacta que es fácil de manejar. Se alimentará con una tensión de 200 V y puede protegerse contra sobretemperaturas con un termopar integrado en la misma. Pero el hecho de que puedan existir unos modelos estandarizados no reduce la flexibilidad en el diseño de nuevas instalaciones o la adaptación de las ya existentes puesto que pueden fabricarse a medida y de acuerdo con las disponibilidades de espacio y de tensión de alimentación.

En el baño de aluminio fundido se requiere un calentador de elevada potencia que pueda suministrar la energía necesaria. Por ello, tanto el tubo como la resistencia deben estar diseñados para poder soportar el calor y la elevada densidad de energía. Para fabricar tal elemento calefactor debe comprenderse el mecanismo de transmisión del calor en el baño.

En este mecanismo de transferencia, según se muestra en las figuras 5 y 6, la energía eléctrica, transformada en calor por el efecto Joule, se desplaza desde el calentador hasta la cara interior del tubo de protección. De ahí, y después de atravesar la pared del tubo, pasa al aluminio fundido y finalmente a las paredes del horno. El flujo de calor se transmite por radiación, convección y conducción. Resulta difícil determinar los valores exactos de energía transmitida por cada uno de estos métodos con cálculos simples.

TKK estudió este problema midiendo las temperaturas del elemento calefactor, las temperaturas de las paredes interior y exterior del tubo de protección, y la propia temperatura del baño de aluminio fundido utilizando diferentes conjuntos calefactores con potencias y con diseños distintos. La figura 7 muestra las temperaturas en aquellos puntos. Puede apreciarse que la temperatura del elemento calefactor aumenta según se incrementa su propia potencia, pero las temperaturas en el tubo de protección permanecen en un valor prácticamente constante. Ello es debido a la elevada conductividad térmica del nitruro de silicio que rápidamente transmite el calor al aluminio fundido, quien a su vez transmite rápidamente por convección el calor al resto del baño.

Puesto que la temperatura del baño permanece constante, usar elementos de elevada potencia significará una más rápida transferencia de calor y una mayor estabilidad de la temperatura del baño debido a las mayores corrientes de convección provocadas. Como información indicamos que la conductividad térmica del aire es de 0,024 W/cm², la del aluminio es 237 W/cm² y la de nuestros tubos de nitruro de silicio es 40 W/cm². Puede decirse a partir de esta observación que el sistema de inmersión es un método eficiente para introducir la energía térmica en el baño.

La figura 8 muestra la temperatura en la superficie del calentador en función de la carga superficial W/cm², temperatura que puede alcanzar los 1.450°C (2.642ºF). Las aleaciones metálicas usadas para la construcción de elementos calefactores no pueden trabajar a estas temperaturas debido a limitaciones en su oxidación y en su punto de fusión. Al poder operara com más elevada temperatura, la transferencia de calor de un elemento calefactor de SiC al baño de aluminio será mucho más rápida y más eficiente que con elementos construidos con aleaciones metálicas.

Los datos técnicos mostrados en este artículo reflejan una pequeña parte de las muchas experiencias atesoradas. Como consecuencia de los estudios prácticos realizados con nuestros materiales, TKK puede hoy fabricar un mejor conjunto calefactor formado por la resistencia de carburo de silsicio y el tubo de protección de nitruro de silsicio, conjunto que puede ofrecer una mayor duración, ser más eficiente y además poder ser adaptado en los baños de aluminio fundido según las necesidades de calefacción, de dimensiones, de potencia y de requerimientos de eficiencia.

Este artículo describe la combinación de una resistencia calefactora de carburo de silicio (SiC) con un tubo de protección de nitruro de silicio (Si3N4) para calentar aluminio fundido. La firma japonesa Tokai Konetsu Kogyo Co., Ltd (TKK) fabrica y comercializa desde 1936 resistencias calefactoras de SiC por lo que dispone de una muy larga experiencia en el uso de estos elementos en múltiples aplicaciones.