Por que os tubos radiantes de RBSiC proporcionam aquecimento irregular ou apresentam falhas precoces na fusão do vidro

Por que os tubos radiantes de RBSiC proporcionam aquecimento irregular ou apresentam falhas precoces na fusão do vidro

Após doze anos prestando suporte a sistemas de fusão e condicionamento de vidro, uma observação comum é que os tubos radiantes de carboneto de silício com ligação por reação ou não conseguem transferir calor uniformemente ou apresentam afinamento localizado bem antes do tempo de vida útil esperado. O queimador está funcionando corretamente e o tubo é do tipo adequado, mas as temperaturas da superfície variam ao longo do comprimento ou a parede se torna mais fina preferencialmente no lado da chama. Os fatores determinantes são a alta condutividade térmica do material, que permite uma transferência eficiente de calor, e a taxa de oxidação da superfície ou ataque alcalino, que consome lentamente a parede.

O carboneto de silício ligado por reação (RBSiC ou SiSiC) contém uma rede contínua de grãos de SiC ligados por silício livre residual. A condutividade térmica é tipicamente de 30–50 W/m·K à temperatura de operação, substancialmente maior do que a da maioria das ligas metálicas utilizadas em tubos radiantes. Isso permite um maior fluxo de calor sem gradientes excessivos de temperatura interna, de modo que a superfície externa possa irradiar calor de forma eficaz para o vidro ou para o espaço de combustão. Ao mesmo tempo, o silício livre e a superfície de SiC se oxidam em contato com o ar ou com os produtos da combustão, formando uma camada de sílica. Em um forno de vidro, a camada é ainda mais atacada por vapores alcalinos, que podem formar silicatos de baixo ponto de fusão e acelerar a perda local de material. Como o silício livre amolece próximo a 1.410 °C, as temperaturas práticas dos tubos são geralmente limitadas a aproximadamente 1.350–1.380 °C para manter a resistência. O afinamento da parede, portanto, reduz tanto a margem estrutural quanto a uniformidade da transferência de calor, uma vez que a seção restante se torna fina o suficiente para criar pontos quentes locais.

Em um antefogo de vidro para recipientes operando com tubos radiantes a gás a uma temperatura superficial dos tubos de 1280–1320 °C, dois tubos de RBSiC foram monitorados por 120 dias. O fluxo térmico médio foi de 85 kW/m². A espessura da parede, medida na posição central do lado da chama, diminuiu 0,9 mm em relação aos 8 mm originais. No lado oposto, a perda foi de 0,4 mm. A variação da temperatura superficial ao longo do comprimento do tubo permaneceu dentro de 25 °C, e não foram observadas deformações nem rachaduras. Um tubo paralelo de liga metálica, submetido às mesmas condições de operação do queimador, atingiu um fluxo contínuo máximo de aproximadamente 40 kW/m² antes que preocupações com a fluência limitassem um aumento adicional; sua perda de espessura de parede foi menor, mas o tubo apresentou distorção visível. Após a remoção, a superfície do RBSiC apresentou uma fina camada contínua de sílica com manchas localizadas ricas em álcalis apenas no lado da chama. O ganho de massa das amostras cortadas após a campanha foi de 0,5 %, o que é consistente com uma oxidação limitada.

O desempenho do tubo é, portanto, mantido por meio da operação dentro do limite de temperatura definido pelo silício livre e pelo monitoramento da espessura da parede na superfície mais quente. Para o serviço de fusão de vidro com tubos radiantes de RBSiC, as variáveis controláveis são a temperatura da superfície do tubo, a estequiometria do queimador e a exposição ao vapor alcalino. A vida útil dos tubos radiantes de carboneto de silício ligado por reação é prolongada quando a camada de sílica permanece protetora e a perda de espessura da parede fica abaixo da margem de projeto. A operação do forno de vidro com tubos radiantes de SiSiC permite um fluxo maior do que os tubos metálicos, desde que a temperatura permaneça abaixo da faixa de amolecimento do silício livre. Quando a distribuição de calor se torna irregular ou os tubos se tornam finos rapidamente, os dados confirmatórios são as medições locais da espessura da parede e os perfis de temperatura da superfície. Manter a superfície do tubo a 1.320 °C ou abaixo dessa temperatura e verificar a uniformidade da combustão — conforme demonstrado pela perda de 0,9 mm no lado da chama e pela distribuição estável da temperatura na comparação com o antefogo — preserva tanto a vantagem de transferência de calor quanto a integridade estrutural dos tubos radiantes de RBSiC.