Por que razão os tubos de carboneto de silício racham na extremidade fria após apenas alguns meses em fornos de lote

Após doze anos a trabalhar com equipamentos de alta temperatura na região de Xangai, a avaria que observo com mais frequência nos tubos de carboneto de silício não é o afinamento gradual nem o ataque químico. Trata-se de uma fissura nítida que começa perto da extremidade fria ou na flange de montagem, após apenas alguns meses de funcionamento normal em lotes. Os operadores costumam assumir que o tubo estava com defeito ou que a temperatura do forno estava simplesmente demasiado elevada. Nas instalações que inspeciono, o próprio tubo raramente é a causa principal. O problema reside na combinação de um gradiente térmico acentuado e na forma como o tubo é fixado.

Os tubos de carboneto de silício utilizados como bainhas de proteção de termopares ou como elementos radiantes curtos suportam bem a zona quente. O material apresenta boa resistência e condutividade térmica, uma vez que esteja uniformemente aquecido. O problema surge sempre que o forno é arrefecido e novamente aquecido. A secção imersa ou aquecida permanece mais quente durante mais tempo, enquanto a secção que se projeta para o ar ambiente mais frio arrefece rapidamente. Isso cria uma diferença acentuada de temperatura ao longo de um curto comprimento dos tubos de carboneto de silício. O carboneto de silício tem baixa expansão térmica, mas continua a ser frágil. Quando as secções quentes e frias tendem a alterar o seu comprimento a ritmos diferentes e o tubo está rigidamente fixado ou selado na extremidade fria, acumula-se tensão de tração precisamente na zona de transição. Após um número suficiente de ciclos, a tensão excede a resistência local e forma-se uma fissura, que muitas vezes começa na superfície exterior.

Vejo este padrão com maior clareza em fornos cerâmicos intermitentes e em pequenos fornos de tratamento térmico de metais que funcionam diariamente ou várias vezes por semana. Os fornos contínuos, com subidas de temperatura mais lentas e melhor isolamento na zona final, raramente apresentam as mesmas fissuras precoces em tubos de qualidade idêntica. A diferença não reside no carboneto de silício em si, mas sim no número de vezes que o tubo é submetido a um grande gradiente de temperatura axial enquanto se mantém fixo.

As soluções práticas que realmente prolongam a vida útil são de natureza mecânica e processual, em vez de uma alteração no tipo de material. Em primeiro lugar, evite uma fixação rígida exatamente no ponto em que o tubo sai da zona quente. Um pequeno troço de vedante flexível, um anel de vedação com mola ou simplesmente permitir alguns milímetros de movimento axial permite que o tubo se expanda e contraia sem acumular elevadas tensões de tração. Em segundo lugar, adicione um colar isolante curto ou uma proteção contra radiação à volta da transição da extremidade fria. Reduzir a queda de temperatura nos últimos 100–150 mm do tubo diminui o gradiente o suficiente para que a mesma disposição de montagem resista a muito mais ciclos. Em terceiro lugar, controle as taxas de aquecimento e arrefecimento no próprio forno. Mesmo um abrandamento modesto na rampa na faixa de 400–800 °C reduz a tensão de pico a que o tubo é submetido em cada ciclo.

A espessura da parede também é mais importante do que muitas especificações de compra reconhecem. Paredes mais espessas melhoram a resistência mecânica e retardam a velocidade a que uma fissura superficial se pode propagar, mas também aumentam a massa térmica e podem agravar o gradiente se a extremidade fria estiver mal isolada. Na maioria dos serviços de proteção de termopares, considero que uma parede de espessura moderada — suficientemente espessa para resistir a danos causados pelo manuseamento, mas não tão pesada que acumule calor em excesso — proporciona o melhor equilíbrio, desde que a montagem permita alguma mobilidade. As fábricas que se limitam a especificar a densidade mais elevada ou a parede mais espessa disponível e, em seguida, fixam o tubo com firmeza, continuam a substituir os tubos num ciclo curto.

Os tubos de carboneto de silício devolvidos que apresentaram esta avaria revelam quase sempre que a fissura tem origem no ponto de fixação ou logo a seguir a este, com poucos sinais de oxidação ou erosão generalizadas noutras zonas. Quando o mesmo tipo de material é instalado com uma pequena margem de liberdade axial e um gradiente reduzido na zona terminal, o intervalo até à formação de fissuras estende-se normalmente de alguns meses a bem mais de um ano, sob o mesmo ciclo de funcionamento. O material é capaz de proporcionar esse tempo de serviço mais longo; o fator limitante em campo é, normalmente, o detalhe de instalação que o obriga a suportar tensões térmicas desnecessárias em cada ciclo de aquecimento e arrefecimento.