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Medição de Temperaturas em Fornalhas com Atmosferas Oxidantes

Temperatura de Fornalha Medir temperaturas dentro de uma fornalha pode apresentar vários desafios: altas temperaturas, ciclos de temperatura e atmosferas hostis, que excedem os limites de muitos equipamentos de medição, fazem com que outros tenham enormemente reduzido seu tempo de vida útil e ocasionam pouca exatidão. Esse artigo aborda principalmente dois desafios específicos relacionados com a medição de temperatura em fornalhas: atmosferas oxidantes e atmosferas redutoras em fornalhas usadas na fabricação de microeletrônica.

Visão Geral de Fornalhas

A necessidade de aquecer é comum em muitos processos de fabricação. Borrachas e adesivos são curados, metais são temperados para modificar sua metalurgia e propriedades, revestimentos são secados, metais são fundidos e cerâmicas são queimadas ou vitrificadas. Muitos desses processos são realizados em fornos, aquecidos por eletricidade ou por gás. Um forno que pode esquentar acima de 1000°C (1832°F) é chamado de fornalha. Um kiln é um tipo particular de fornalha usado para cerâmica. A altas temperaturas, muitos materiais começam a reagir com a atmosfera circundante. Se essa atmosfera tiver muito pouco oxigênio, ela pode puxar oxigênio do material sendo aquecido. Esse tipo de atmosfera é chamada de "redutora". Aquecimento de gás normalmente resulta em uma atmosfera deficiente em oxigênio. Se a atmosfera for rica em oxigênio, o material que está sendo aquecido vai capturar uma parte dele, formando uma camada de óxido. Esse tipo de atmosfera é chamado de "oxidante". Esse é o processo empregado em fornalhas de difusão usado na fabricação microeletrônica para produzir SiO2. Aquecimento elétrico tende mais a produzir uma atmosfera oxidante. O controle da atmosfera pode ser alcançado de várias maneiras. Gás pode ser canalizado para dentro do compartimento, o que pode ser feito para criar uma atmosfera inerte. Outra possibilidade é o uso de uma fornalha de vácuo.

Opções de Medição de Alta Temperatura

Série XT, XMO XPA XIN
Série XTA, XMO, XPA, XIN
O limite superior para dispositivos termistores é de cerca de 100°C (212°F), e RTDs estão limitados a cerca de 750°C (1382°F). Isso faz com que termopares e pirômetros ou câmeras sejam os equipamentos mais adequados para medir temperaturas acima de 1000°C (1832°F).

Termopares

Termopares utilizam o efeito Seebeck (a diferença de CEM entre metais diferentes) para produzir um sinal proporcional à temperatura. Níquel-cromo e alumel são os pares de metal mais comumente usados no que é chamado de termopar "Tipo K".

O Tipo K é barato e pode ser usado em um intervalo de temperatura de -200 a 1250°C (-328 a 2282°F). Entretanto, mudanças metalúrgicas a temperaturas acima de 1000°C (1832°F) reduzem a exatidão, e ciclos passando por essa temperatura induzem efeitos de histerese, reduzindo ainda mais a exatidão. Termopares Tipo K também são vulneráveis a corrosão em uma atmosfera oxidante.

Termopares podem ser danificados ou falhar durante o funcionamento, tendo que ser substituídos. Se isso envolver a desativação e o esfriamento da fornalha, pode ser difícil e uma atividade custosa. Por essa razão, é comum que sejam colocados termopares redundantes por todo o compartimento de aquecimento.

Pirômetro

Série OS530E-DM E
Série OS530E-DM E
Pirômetros apresentam um conveniente método sem contato de medir altas temperaturas. Essa tecnologia se aproveita da Lei de Planck, que afirma que o comprimento de onda e a intensidade da radiação infravermelha emitida por uma superfície é proporcional a sua temperatura. Um pirômetro ou câmera térmica detecta essa radiação, convertendo o sinal em uma temperatura.

A pirometria funciona bem quando a superfície do material quente está exposta, como com metal fundido em um recipiente. Usá-lo para medir temperaturas dentro de uma fornalha é mais difícil, pois é preciso ver através de uma janela. Essa janela deve transmitir radiação infravermelha do comprimento de onda correspondente tanto à sensibilidade do detector quanto à temperatura sendo medida.

Vidro normal é opaco a alguns comprimentos de onda infravermelhos, particularmente entre seis e sete mícrons. Vidro de calcogeneto é fabricado especialmente para aplicações de transmissão de infravermelho mas está limitado a temperaturas abaixo de cerca de 370°C (698°F). Safira é um material de janela alternativo que transmite comprimentos de onda até quatro mícrons, mas é relativamente fraco e pode danificar-se facilmente. Quando uma janela de infravermelho de safira é usada como uma porta de visibilidade, ela deve ser projetada sem nenhuma projeção que a torne vulnerável a danos. A safira também tem um limite de temperatura de cerca de 450°C (842°F), o que a torna inadequada para aplicações de fornalha.

Emissividade é sempre uma questão quanto à pirometria: diferentes materiais à mesma temperatura emitem diferentes intensidades de radiação infravermelha e o sensor deve ser calibrado para isso. A janela terá uma influência na radiação transmitida.

Termopares de Alta Temperatura

Duas famílias de termopares estão disponíveis, aquela que usa junções de tungstênio-rênio e aquela de platina-ródio. Os termopares de tungstênio-rênio (Tipos G, C e D) operam a temperaturas de no máximo 2320°C (4208°F) mas não sobreviverão a uma atmosfera oxidante.

Para atmosferas oxidantes, termopares de platina-ródio, às vezes chamados de "termopares de metal nobre", devem ser selecionados. Estes estão disponíveis como Tipo R [máximo de 1460°C (2660°F)] S, [máximo de 1450°C (2642°F)] ou B, [máximo de 1700°C (3092°F)]. Eles são mais caros que termopares de metal de base.

Bainhas para Termopares

Dependendo da instalação, é comum proteger fios de termopar colocando-os dentro de um tubo ou bainha protetora. Aço inoxidável é amplamente usado por ser barato e resistir a corrosão. Entretanto, ele tem um ponto de fusão de cerca de 1400°C (2552°F), limitando a temperatura de serviço a menos de 1100°C (2012°F), e reage com atmosferas oxidantes.

Para capacidades maiores de temperatura, considere o uso de bainhas de tântalo ou de molibdênio. Elas chegam até a 2315°C (4199°F) e 2200°C (3992°F) respectivamente, apesar de que ambas são sensíveis a oxidação, e portanto não devem ser usadas em atmosferas oxidantes. As alternativas são bainhas cerâmicas, que vão resistir até 1960°C (3560°F), bainhas de liga de platina-ródio, que vão aguentar até 1650°C (3002°F), ou Inconel® 600, que vai até 1150°C (2102°F). Todas estas podem lidar com atmosferas oxidantes.

Materiais de Bainhas
CódigoMaterialTemp. de Oper. Máx.Ambiente de FuncionamentoPonto de Fusão Aprox.Observações
XTATântalo2300°C
4200°F
Vácuo3000°C
5425°F
Resiste a Muitos Ácidos e Álcalis Fracos. Muito Sensível a Oxidação Acima de 300°C (570°F)
XMO*Molibdênio2200°C
4000°F
Redutor de Vácuo Inerte2610°C
4730°F
Sensível a Oxidação Acima de 204°C (400°F) Não Flexível
XPALiga de Platina-Ródio1650°C
3000°F
Inerte Oxidante1870°C
3400°F
Sem Ataque de SO2 a 1093°C (2000°F). Sílica É Prejudicial. Halogêneos Atacam a Alta Temp.
XINInconel 6001150°C
2100°F
Vácuo Inerte Oxidante1400°C
2550°F
Excelente Resistência a Oxidação a Alta Temp. Hidrogênio Tende a Ficar Quebradiço. Muito Sensível a Corrosão de Enxofre
*Metais refratários são extremamente sensíveis a qualquer traço de oxigênio acima de aproximadamente 260°C (500°F).

Isolamento de Termopar

Isolamento de XC XC4 e XS
Isolamento de XC, XC4, e XS
O isolamento é incorporado dentro da bainha do termopar para impedir os fios de entrarem em contato com os lados. Esse isolamento deve ter um intervalo de temperatura apropriado ao ambiente. Materiais comuns para temperaturas de fornalha são alumina, magnésia e óxido de háfnio. Alumina tem uma classificação de temperatura máxima de 1540°C (2804°F), enquanto que magnésia e óxido de háfnio vão até 1650°C (3002°F) e

Conclusões

Termopares são um boa opção para medir temperatura dentro de fornalhas. Apesar dos amplamente usados termopares "Tipo K" poderem ser usados em temperaturas de fornalhas, um melhor desempenho é oferecido pelos Tipos G, C e D e R, S e B. A temperaturas de fornalha, o tipo de atmosfera usado se torna um importante fator. Em particular, uma atmosfera oxidante, como a usada em fabricação de microeletrônica, causará uma reação com os Tipos G, C e D, e com a bainha de aço inoxidável frequentemente usada.

O pirômetro é uma alternativa para medir altas temperaturas, mas requer uma porta de visualização ou janela para medir dentro da fornalha. Por isso, ele é geralmente preferido quando existe uma linha de visão ininterrupta.