Medición de Temperaturas en Altos Hornos con Atmósferas Oxidantes

La necesidad de calentar es común en muchos procesos de fabricación. Gomas y adhesivos son curados, metales son templados para modificar su metalurgia y propiedades, revestimientos son secados, metales son fundidos y cerámicas son quemadas o vitrificadas. Muchos de estos procesos son realizados en hornos, calentados por electricidad o por gas. Hay hornos de altas temperaturas que pueden calentar arriba de 1000°C (1832°F). Uno de ellos es el kiln, usado para cerámica. A altas temperaturas, muchos materiales empiezan a reaccionar con la atmósfera circundante. Si esta atmósfera tiene muy poco oxígeno, ella puede sacar oxígeno del material que se está calentando. Este tipo de atmósfera es llamada de "reductora". Calentamiento de gas normalmente ocasiona una atmósfera con deficiencia de oxígeno. Si la atmósfera es rica en oxígeno, el material que se está calentando va a capturar una parte de él, formando una capa de óxido. Este tipo de atmósfera es llamado de "oxidante". Este es el proceso empleado en altos hornos de difusión usado en la fabricación microelectrónica para producir SiO2. Calentamiento eléctrico tiende más a producir una atmósfera oxidante. El control de la atmósfera puede ser alcanzado de varias maneras. Gas puede ser canalizado hacia adentro del compartimento, lo que puede hacerse para crear una atmósfera inerte. Otra posibilidad es el uso de un alto horno de vacío.

El límite superior para dispositivos termistores es de alrededor de 100°C (212°F), y RTD están limitados a alrededor de 750°C (1382°F). Esto hace que termopares y pirómetros o cámaras sean los equipos más adecuados para medir temperaturas arriba de 1000°C (1832°F).

Termopares utilizan el efecto Seebeck (la diferencia de CEM entre metales distintos) para producir una señal proporcional a la temperatura. Níquel-cromo y alumel son los pares de metal más frecuentemente usados en lo que es llamado de termopar "Tipo K".

El Tipo K es barato y puede ser usado en un intervalo de temperatura de -200 a 1250°C (-328 a 2282°F). Sin embargo, cambios metalúrgicos a temperaturas arriba de 1000°C (1832°F) reducen la exactitud, y ciclos pasando por esa temperatura inducen efectos de histéresis, reduciendo todavía más la exactitud. Termopares Tipo K también son vulnerables a corrosión en una atmósfera oxidante.

Termopares pueden ser dañados o fallar durante el funcionamiento, con la necesidad de ser reemplazados. Si esto involucra la desactivación y el enfriamiento del alto horno, puede ser difícil y una actividad costosa. Por eso, es común que sean puestos termopares redundantes por todo el compartimento de calentamiento.

Pirómetros presentan un conveniente método sin contacto de medir altas temperaturas. Esta tecnología utiliza la Ley de Planck, que afirma que la longitud de onda y la intensidad de la radiación infrarroja emitida por una superficie es proporcional a su temperatura. Un pirómetro o cámara térmica detecta esta radiación, convirtiendo la señal en una temperatura.

La pirometría funciona bien cuando la superficie del material caliente está expuesta, como con metal fundido en un recipiente. Usarlo para medir temperaturas adentro de un alto horno es más difícil, pues es necesario ver a través de una ventana. Esta ventana debe transmitir radiación infrarroja de la longitud de onda correspondiente tanto a la sensibilidad del detector como a la temperatura que se está midiendo.

Vidrio normal es opaco a algunas longitudes de onda infrarrojas, particularmente entre seis y siete micrones. Vidrio de calcogenuro es fabricado especialmente para aplicaciones de transmisión de infrarrojo pero está limitado a temperaturas abajo de alrededor de 370°C (698°F). Zafiro es un material de ventana alternativo que transmite longitudes de onda hasta cuatro micrones, pero es relativamente débil y puede dañarse fácilmente. Cuando una ventana de infrarrojo de zafiro es usada como una puerta de visibilidad, ella debe ser proyectada sin ninguna proyección que la haga vulnerable a daños. El zafiro también tiene un límite de temperatura de alrededor de 450°C (842°F), lo que lo hace inadecuado para aplicaciones de altos hornos.

Emisividad es siempre una cuestión con relación a la pirometría: distintos materiales a la misma temperatura emiten distintas intensidades de radiación infrarroja y el sensor debe ser calibrado para esto. La ventana tendrá una influencia en la radiación transmitida.

Dos familias de termopares están disponibles, la que usa juntas de tungsteno-renio y la de platino-rodio. Los termopares de tungsteno-renio (Tipos G, C y D) operan a temperaturas de como máximo 2320°C (4208°F) pero no sobrevivirán a una atmósfera oxidante.

Para atmósferas oxidantes, termopares de platino-rodio, a veces llamados de "termopares de metal noble", deben ser seleccionados. Ellos están disponibles como Tipo R [máximo de 1460°C (2660°F)] S, [máximo de 1450°C (2642°F)] o B, [máximo de 1700°C (3092°F)]. Ellos son más caros que termopares de metal de base.

Dependiendo de la instalación, es común proteger cables de termopar poniéndolos adentro de un tubo o vaina protectora. Acero inoxidable es ampliamente usado por ser barato y resistir a corrosión. Sin embargo, él tiene un punto de fusión de alrededor de 1400°C (2552°F), limitando la temperatura de servicio a menos de 1100°C (2012°F), y reacciona con atmósferas oxidantes.

Para capacidades mayores de temperatura, considere el uso de vainas de tantalio o de molibdeno. Ellas llegan hasta 2315°C (4199°F) y 2200°C (3992°F) respectivamente, a pesar de que ambas son sensibles a oxidación, y por lo tanto no deben ser usadas en atmósferas oxidantes. Las alternativas son vainas cerámicas, que van a resistir hasta 1960°C (3560°F), vainas de aleación de platino-rodio, que van a aguantar hasta 1650°C (3002°F), o Inconel® 600, que va hasta 1150°C (2102°F). Todas estas pueden lidiar con atmósferas oxidantes.

Materiales de Vainas

El aislamiento es incorporado adentro de la vaina del termopar para impedir que los cables entren en contacto con los costados. Este aislamiento debe tener un intervalo de temperatura apropiado al ambiente. Materiales comunes para temperaturas de altos hornos son alúmina, magnesia y óxido de hafnio. Alúmina tiene una clasificación de temperatura máxima de 1540°C (2804°F), mientras que magnesia y óxido de hafnio van hasta 1650°C (3002°F) y

Termopares son una buena opción para medir temperatura adentro de altos hornos. Aunque los ampliamente usados termopares "Tipo K" puedan ser usados en las temperaturas de altos hornos, un mejor desempeño es ofrecido por los Tipos G, C y D y R, S y B. A las temperaturas de altos hornos, el tipo de atmósfera usado se vuelve un importante factor. En particular, una atmósfera oxidante, como la que se usa en fabricación de microelectrónica, causará una reacción con los Tipos G, C y D, y con la vaina de acero inoxidable frecuentemente usada.

El pirómetro es una alternativa para medir altas temperaturas, pero requiere una puerta de visualización o ventana para medir adentro del alto horno. Por eso, él es en general preferido cuando hay una línea de visión ininterrumpida.