Termopar de alumínio fundido

O mais eficaz termopar de alumínio fundido utiliza um tubo de proteção de Sialon (nitreto de silício) de alta pureza combinado com um sensor de tipo K ou N para fornecer leituras de temperatura precisas, resistindo à natureza extremamente corrosiva do alumínio líquido. As fundições que mudam de tubos de ferro fundido ou de cerâmica padrão para conjuntos baseados em Sialon normalmente relatam um aumento de vida útil de 6 a 12 meses e uma redução na contaminação por fusão. Para operadores que buscam estabilidade operacional imediata, a solução está em minimizar a capacidade de “molhar” o alumínio contra o invólucro do sensor, uma propriedade em que a ciência avançada de materiais da ADtech se destaca.

A Física da Medição de Temperatura em Alumínio Líquido

A pirometria exacta na fundição de não-ferrosos não é apenas a leitura de um número. Ela define a estrutura do grão, as propriedades mecânicas e as taxas de rejeição do produto final. O alumínio líquido é altamente agressivo. Ele dissolve a maioria dos metais e degrada muitas cerâmicas através de ataque químico e erosão mecânica.

Quando um termopar entra na fusão, enfrenta um ataque triplo: choque térmico devido ao rápido aumento da temperatura, corrosão química devido à reação do alumínio com o material do tubo e tensão mecânica devido à limpeza da escória ou ao movimento do fluido. Um tubo normal de aço inoxidável ou de ferro fundido dissolver-se-á, contaminando a liga com ferro. Isto faz com que a seleção do tubo de proteção seja o fator mais crítico na montagem do sensor.

Choque térmico e integridade dos materiais

As cerâmicas são naturalmente frágeis. Quando um tubo de proteção a frio atinge metal fundido a 700°C (1292°F) ou mais, o exterior expande-se mais rapidamente do que o interior. Esta tensão provoca fissuras nos tubos normais de alumina ou de carboneto de silício.

Materiais avançados como o Sialon (uma liga de nitreto de silício e óxido de alumínio) possuem um baixo coeficiente de expansão térmica. Esta propriedade física permite que o conjunto do termopar resista a ciclos de imersão repetidos sem pré-aquecimento, uma vantagem operacional significativa para casas de banho movimentadas.

Evolução dos tubos de proteção de termopares

Historicamente, as fundições baseavam-se em tubos de ferro fundido. Estes eram baratos, mas pesados e necessitavam de um revestimento diário com lavagem para evitar a recolha de ferro. Atualmente, a indústria mudou para a cerâmica avançada.

Ferro fundido vs. Nitreto de silício (Si3N4)

A transição do ferro fundido para o nitreto de silício representa um salto na eficiência. O ferro fundido actua como um dissipador de calor, causando um tempo de resposta lento. Também introduz ferro na fusão, o que destrói a ductilidade da peça de alumínio.

O nitreto de silício, especificamente as variantes sinterizadas sob pressão de gás ou ligadas por reação, oferece uma elevada condutividade térmica e zero contaminação. O material não é molhante. O alumínio sai dele como a água das costas de um pato. Esta caraterística de não humedecimento evita a acumulação de escória (crescimento de corindo) no tubo, assegurando que o sensor lê a temperatura do metal e não a temperatura de uma camada isolante de escória.

Quadro 1: Análise comparativa dos materiais dos tubos de proteção

Estudo de caso da ADtech: Ganho de eficiência na fundição do Michigan (2023)

Localização: Grand Rapids, Michigan, EUA
Data: 15 de março de 2023 - 15 de setembro de 2023
Perfil do cliente: Rodízio de matriz automotiva de nível 1

O desafio:
A instalação operava seis fornos de espera que forneciam alumínio para blocos de motor. Utilizavam tubos de proteção padrão de carboneto de silício (SiC). Os operadores enfrentaram dois problemas. Primeiro, os tubos de SiC quebravam frequentemente durante a escumação da escória. Segundo, o desvio de temperatura causava uma taxa de refugo de 4% devido a problemas de porosidade ligados ao sobreaquecimento.

A solução:
A ADtech implementou um programa de atualização abrangente. Substituímos os conjuntos de SiC por tubos de proteção de termopar ADtech Sialon equipados com sensores de alta precisão do tipo K.

Resultados operacionais:
Durante o período de acompanhamento de seis meses, os dados revelaram melhorias conclusivas:

1. Quebra zero: O elevado módulo de rutura dos tubos Sialon resistiu à limpeza mecânica diária.

2. Redução de sucata: Um controlo térmico preciso reduziu a taxa de refugo de 4% para 0,8%.

3. Poupança de custos: Embora o custo unitário inicial fosse mais elevado, a eliminação das substituições semanais e a redução da sucata resultaram numa poupança líquida de $42.000 por forno anualmente.

Este caso valida que os consumíveis de primeira qualidade não funcionam como despesas, mas como investimentos na estabilidade do processo.

Critérios de seleção críticos para sensores de metal fundido

A escolha do sensor correto envolve mais do que apenas escolher um número de catálogo. Os engenheiros têm de avaliar o ambiente específico do forno.

1. Montagem do tipo L vs. montagem do tipo reto

Para aplicações de imersão ou medições portáteis, um termopar reto funciona bem. No entanto, em fornos de espera ou fornos de dosagem, um conjunto em forma de L é superior. A “perna quente” estende-se para a fusão, enquanto a “perna fria” mantém a cabeça do terminal afastada do calor radiante direto e de potenciais zonas de salpicos. Esta configuração protege as ligações eléctricas e prolonga a vida útil dos cabos de compensação.

2. Tipo de sensor: K, N, S, ou R?

• Tipo K (cromel-alumel): O padrão da indústria. Suporta temperaturas até 1260°C. É económico e suficientemente preciso para fundição geral.

• Tipo N (Nicrosil-Nisil): Oferece melhor estabilidade do que o Tipo K a temperaturas mais elevadas, mas é menos comum no alumínio devido à suficiência do Tipo K.

• Tipo S/R (Platina-Ródio): Extremamente preciso, mas caro e frágil. Raramente utilizado para o alumínio, exceto se for estritamente necessário para a certificação de ligas aeroespaciais.

Tabela 2: Adequação do tipo de termopar para alumínio

Protocolos de instalação e manutenção

Mesmo o robusto tubo Sialon requer um manuseamento correto para maximizar o desempenho. A instalação incorrecta continua a ser a principal causa de falha prematura.

Verificações pré-instalação

Antes de inserir o conjunto, verificar a continuidade do circuito. Verificar a resistência do elemento sensor. Certifique-se de que o tubo de cerâmica não apresenta fracturas finas devido ao transporte. Embora o Sialon seja resistente, é uma cerâmica.

Profundidade de imersão

A ponta do termopar deve situar-se no fluxo do metal fundido, mas afastada da trajetória da chama do queimador e da parede. O posicionamento demasiado próximo do queimador resulta em falsas leituras altas. Colocá-lo perto da parede provoca falsas leituras baixas. A profundidade ideal é de pelo menos 6 a 8 vezes o diâmetro do tubo de proteção para evitar erros de condução de calor (efeito de haste).

Calendário de limpeza

A escória de alumínio e as películas de óxido flutuam à superfície. Quando o nível muda, esta lama pode aderir ao tubo.

1. Diariamente: Inspecionar visualmente o tubo.

2. Semanalmente: Limpe suavemente o tubo para remover qualquer acumulação de óxido. Como os tubos ADtech não são molhados, o alumínio deve descolar-se facilmente. Não bata no tubo com um escumador de aço pesado.

O papel da prensagem isostática na longevidade dos tubos

O processo de fabrico do tubo de proteção determina a sua densidade e resistência à erosão. A ADtech utiliza a prensagem isostática a frio (CIP) seguida de sinterização a alta temperatura.

O CIP garante uma densidade uniforme em todo o corpo cerâmico. Ao contrário da fundição por deslizamento, que pode deixar vazios ou gradientes de densidade, o CIP submete o pó a uma pressão igual de todos os lados. Isto resulta num material com uma força mecânica superior e resistência ao choque térmico. Quando se compra um termopar, é vital perguntar sobre o método de fabrico do tubo de proteção. O nitreto de silício sinterizado produzido por CIP supera as variantes ligadas por reação em ligas agressivas.

Resolução de problemas de desvios de temperatura comuns

Quando as leituras de temperatura se desviam ou falham, a reação imediata é frequentemente culpar o controlador. Normalmente, o problema está no conjunto do sensor.

Tabela 3: Matriz de diagnóstico para falha do termopar

Impacto económico da pirometria de precisão

A temperatura é a variável que controla a viscosidade, a solubilidade do hidrogénio e a formação de óxidos.

Solubilidade do hidrogénio

O alumínio líquido absorve o hidrogénio da atmosfera. A taxa de solubilidade duplica por cada 100°C de aumento de temperatura. Se o termopar indicar 720°C, mas a fusão estiver na realidade a 750°C, o metal absorve significativamente mais hidrogénio. Este gás precipita-se sob a forma de porosidade durante a solidificação, dando origem a peças rejeitadas.

Formação de óxidos

As temperaturas mais elevadas aceleram a oxidação. Isso leva a mais escória (perda por fusão). Uma casa de fundição a funcionar 20°C mais quente do que o necessário devido a um erro do sensor queima dinheiro de duas formas: consumo excessivo de combustível e aumento da perda de metal por escória.

Os termopares de alta precisão da ADtech ajudam as fundições a manter tolerâncias apertadas, normalmente dentro de +/- 3°C. Esta precisão permite que os operadores façam funcionar o forno à temperatura mais baixa possível para o processo, poupando energia e melhorando a qualidade do metal.

Tendências futuras na deteção da temperatura do alumínio

A indústria está a avançar para a digitalização e automação. Os sensores inteligentes com transmissores integrados estão a tornar-se padrão. Estes dispositivos convertem o sinal de milivolts num sinal 4-20mA ou digital diretamente na cabeça, reduzindo a interferência de ruído.

Além disso, os sistemas de monitorização contínua integram agora os dados dos termopares com os dados da pressão do forno e do fluxo de combustível. Esta visão holística permite a manutenção preditiva. Um pico invulgar no tempo de resposta da temperatura pode desencadear um alerta de que o tubo de proteção necessita de ser limpo antes que a leitura se torne imprecisa.

A ADtech continua na vanguarda desta evolução, desenvolvendo tubos de proteção com sensores de desgaste incorporados para alertar os operadores quando a espessura da parede atinge um limite crítico.

Sialon vs. Titanato: Identificar a melhor cerâmica

Embora o Sialon seja dominante, o titanato de alumínio é outro material utilizado na indústria. O titanato tem uma excelente resistência ao choque térmico, mas uma menor resistência mecânica em comparação com o nitreto de silício.

Para aplicações estáticas em que não ocorre qualquer impacto físico, o titanato é aceitável. No entanto, em fornos de fusão activos ou panelas de transferência, onde ocorre movimento do metal e limpeza mecânica, a resistência superior do Sialon torna-o a melhor escolha. Resiste às forças de flexão exercidas pelo fluxo de metal líquido pesado.

Ligação à qualidade da fundição e ao refinamento do grão

A eficácia dos refinadores de grão (titânio-boro) depende muito da temperatura. A adição de refinadores de grão a uma temperatura demasiado elevada reduz a sua eficácia (“desvanecimento”). O feedback preciso do termopar garante que os aditivos entram na fusão na janela térmica ideal.

Do mesmo modo, os processos de desgaseificação requerem intervalos de temperatura específicos. Se a massa fundida estiver demasiado fria, o rotor de desgaseificação cria uma turbulência excessiva sem remover eficazmente o hidrogénio. Se estiver demasiado quente, a reabsorção do hidrogénio ultrapassa a remoção. O termopar é a bússola que orienta estes processos metalúrgicos.

Perguntas mais frequentes (FAQs)

1. Qual é a temperatura máxima para os tubos de proteção ADtech Sialon?
Os nossos tubos Sialon podem suportar temperaturas até 1300°C continuamente, o que abrange todas as aplicações de fundição de alumínio e zinco.

2. Como é que escolho o comprimento correto para o termopar?
Medir a distância entre a flange de montagem e o nível metálico mais baixo. A ponta deve ser sempre submersa pelo menos 150 mm abaixo do nível de metal mais baixo em funcionamento para garantir leituras consistentes.

3. Posso utilizar estes termopares para ligas de zinco?
Sim. O zinco é menos agressivo do que o alumínio, pelo que os tubos Sialon duram ainda mais tempo em aplicações de zinco, excedendo frequentemente os 12 meses.

4. Porque é que o meu termopar tem uma leitura inferior à da minha lança manual?
Isto deve-se frequentemente a “camadas térmicas” no forno. O termopar fixo pode estar numa zona mais fria, perto do fundo ou da parede. Alternativamente, o tubo de proteção pode ter uma acumulação de escória que actua como isolamento.

5. Os tubos Sialon necessitam de pré-aquecimento?
Embora o Sialon tenha uma excelente resistência ao choque térmico, recomendamos o pré-aquecimento simplesmente para garantir que não existe humidade retida no interior do tubo que possa expandir-se e causar problemas de pressão.

6. O que provoca a rutura do tubo de proteção?
A causa mais comum é o impacto mecânico durante a escumação da escória. A segunda causa mais comum é o stress térmico, se o tubo tiver uma parede extremamente espessa e for mergulhado instantaneamente no metal à temperatura máxima (embora o Sialon atenue esta situação).

7. Como é que a propriedade “molhante” afecta a precisão?
Se o alumínio “molhar” ou se colar ao tubo, forma uma camada de corindo. Esta camada é um isolante. O sensor mede então a temperatura do corindo e não a do metal líquido, causando um atraso na resposta.

8. Qual é a diferença entre Sialon e Nitreto de Silício?
Sialon é uma solução sólida de nitreto de silício com óxido de alumínio. Oferece propriedades semelhantes, mas com maior estabilidade química e facilidade de sinterização, resultando num produto mais denso e resistente.

9. Posso reparar um termopar danificado?
Se o tubo de proteção estiver rachado, tem de ser substituído imediatamente para poupar o elemento sensor interno, que é dispendioso. Se o fio do sensor estiver partido, o elemento pode ser substituído enquanto se reutiliza o tubo de proteção.

10. Como é que a ADtech assegura a consistência do produto?
Utilizamos composições de pó rigorosamente controladas e prensagem isostática automatizada. Todos os lotes são submetidos a testes de densidade e inspeção por raios X para garantir que não existem vazios internos antes do envio.

Conclusão

O termopar de alumínio fundido é a sentinela da qualidade da fundição. Ao selecionar os avançados tubos de proteção Sialon da ADtech, as fundições eliminam as variáveis de contaminação por ferro e desvio de temperatura. A mudança de materiais tradicionais para cerâmicas avançadas não é apenas uma atualização técnica; é uma estratégia financeira que reduz as taxas de refugo e o consumo de energia. Para as fundições que pretendem dominar um mercado competitivo, a precisão proporcionada por estes instrumentos é indispensável.