Por qué los tubos radiantes de RBSiC proporcionan un calor desigual o fallan prematuramente durante la fusión del vidrio

Por qué los tubos radiantes de RBSiC proporcionan un calor desigual o fallan prematuramente durante la fusión del vidrio

Tras doce años prestando asistencia técnica a sistemas de fusión y acondicionamiento de vidrio, una observación habitual es que los tubos radiantes de carburo de silicio con unión por reacción o bien no transfieren el calor de manera uniforme, o bien presentan un adelgazamiento localizado mucho antes de que finalice la campaña prevista. El quemador funciona correctamente y el tubo es del grado adecuado, pero las temperaturas superficiales varían a lo largo de su longitud o la pared se adelgaza preferentemente en el lado de la llama. Los factores determinantes son la elevada conductividad térmica del material, que permite una transmisión eficiente del calor, y la velocidad de oxidación superficial o de ataque alcalino, que consume lentamente la pared.

El carburo de silicio unido por reacción (RBSiC o SiSiC) contiene una red continua de granos de SiC unidos por silicio libre residual. La conductividad térmica suele situarse entre 30 y 50 W/m·K a temperatura de funcionamiento, un valor considerablemente superior al de la mayoría de las aleaciones metálicas de los tubos radiantes. Esto permite un mayor flujo de calor sin gradientes de temperatura internos excesivos, de modo que la superficie exterior puede irradiar eficazmente hacia el vidrio o el espacio de combustión. Al mismo tiempo, el silicio libre y la superficie de SiC se oxidan en contacto con el aire o los productos de la combustión, formando una capa de sílice. En un horno de vidrio, la capa sufre además el ataque de los vapores alcalinos, que pueden formar silicatos de bajo punto de fusión y acelerar la pérdida local de material. Dado que el silicio libre se ablanda cerca de los 1410 °C, las temperaturas prácticas de los tubos suelen limitarse a aproximadamente 1350-1380 °C para mantener la resistencia. Por lo tanto, el adelgazamiento de la pared reduce tanto el margen estructural como la uniformidad de la transferencia de calor, una vez que la sección restante se vuelve lo suficientemente delgada como para crear puntos calientes locales.

En un antehorno de vidrio para envases que funcionaba con tubos radiantes alimentados con gas a una temperatura superficial de los tubos de entre 1280 y 1320 °C, se realizó un seguimiento de dos tubos de RBSiC durante 120 días. El flujo térmico medio fue de 85 kW/m². El espesor de la pared, medido en la posición central del lado de la llama, disminuyó en 0,9 mm con respecto a los 8 mm originales. En el lado opuesto, la pérdida fue de 0,4 mm. La variación de la temperatura superficial a lo largo del tubo se mantuvo dentro de un margen de 25 °C, y no se observaron deformaciones ni grietas. Un tubo paralelo de aleación metálica, sometido a las mismas condiciones de funcionamiento del quemador, alcanzó un flujo continuo máximo de aproximadamente 40 kW/m² antes de que los riesgos de fluencia limitaran un mayor aumento; su pérdida de espesor fue menor, pero el tubo desarrolló una deformación visible. Tras su extracción, la superficie del RBSiC presentaba una fina capa continua de sílice con zonas localizadas ricas en álcalis únicamente en el lado de la llama. El aumento de masa de las muestras cortadas tras la campaña fue de 0,5 %, lo que concuerda con una oxidación limitada.

Por lo tanto, el rendimiento del tubo se mantiene operando dentro del límite de temperatura establecido por el silicio libre y controlando el espesor de la pared en la superficie más caliente. En el caso de los tubos radiantes de RBSiC para la fusión de vidrio, las variables controlables son la temperatura de la superficie del tubo, la estequiometría del quemador y la exposición al vapor alcalino. La vida útil de los tubos radiantes de carburo de silicio unido por reacción se prolonga cuando la capa de sílice sigue ejerciendo su función protectora y la pérdida de espesor de la pared se mantiene por debajo del margen de diseño. El funcionamiento del horno de vidrio con tubos radiantes de SiSiC permite un mayor flujo que los tubos metálicos, siempre que la temperatura se mantenga por debajo del rango de reblandecimiento del silicio libre. Cuando el suministro de calor se vuelve desigual o los tubos se adelgazan rápidamente, los datos que lo confirman son las mediciones locales del espesor de la pared y los perfiles de temperatura superficial. Mantener la superficie del tubo a una temperatura igual o inferior a 1320 °C y verificar la uniformidad de la combustión —como demuestran la pérdida de 0,9 mm en el lado de la llama y la distribución estable de la temperatura en la comparación con el antehorno— preserva tanto la ventaja de la transferencia de calor como la integridad estructural de los tubos radiantes de RBSiC.