المنت‌های حرارتی برای کوره‌ها از جنس مولیبدن، تنگستن، تنتال و فلزات گران‌بها

طیف وسیعی از سیستم‌ها در دسترس هستند که المنت‌ها را به‌همراه یک روکش عایق مناسب در یک واحد منفرد تجمیع می‌کنند. معمولاً، المنت‌های استفاده‌شده در این سیستم‌ها یا از جنس آلیاژ آهن-کروم-آلمینیوم هستند یا آلیاژ نیکل و کروم. قالب‌های استاندارد نیم‌دایره، صفحات تخت یا استوانه با سطوح قدرت، اندازه و ولتاژ مختلف هستند.

ساختار معمول، یک سرامیک فشرده‌شده یا ریخته‌گری‌شده با پوشش ریخته‌گری وکیوم، یا یک روکش سرامیکی اختیاری است که عایق و حفاظ را فراهم می‌سازد. آنها به‌منظور دست‌یابی به گستره بیشینه دماهای محفظه بین ۱٬۱۰۰ تا ۱٬۴۰۰ درجه سانتی‌گراد رده‌بندی می‌شوند. گستره‌های حرارتی بالاتر معمولاً برای پکیج‌های گرمایشی خاص با محدودیت‌های شدید در عمل‌کرد هستند.

گرم‌کن‌های فلزپوش نوع خاصی از پکیج‌های گرمایشی هستند که المنت‌های سیمی محافظت‌شده در پوشش فلزی را دربرمی‌گیرند. این نوع از گرم‌کن‌ها از پنل‌های عایق استفاده نمی‌کنند.

مواد حساس به اکسیژن

ویژگی‌های مشخص مواد حساس به اکسیژن در زیر فهرست می‌شوند:

• از مواد حساس به اکسیژن می‌توان در حرارت‌های بسیار بالا و بارهای الکتریکی، به‌شرطی‌که درمعرض اکسیژن نباشند، بهره برد. حفظ سطوح مناسب وکیوم یا یک اتموسفر بی‌اثر، محافظت از اکسیژن را حاصل می‌کند.
• این مواد با افزایش دما، افزایش قابل توجهی در مقاومت نشان می‌دهند. ازاین‌رو، محافظت از کوره، المنت‌ها و منبع تغذیه دربرابر جذب نیروی افزایش‌یافته به‌خصوص درشرایط شروع سرد (روشن شدن دوباره) ضروری است.
• این مواد نسبت‌به شوک حرارتی و مکانیکی حساس هستند. بنابراین، یک کاربرد تدریجی و آهسته روبه‌افزایش نیاز است.
• بسیاری از این مواد در ولتاژ کمتر از ولتاژ خط استاندارد عمل می‌کنند. ذکر این مطلب مهم است که از آنجا که این مواد همگی ویژگی‌های بالا را دربردارند، به یک منبع تغذیه پرهزینه و پیچیده نیاز است.

مواد حساس به اکسیژن عبارتند از: تنگستن، تنتال، گرافیت و مولیبدن. جزئیات مربوط‌به این مواد در ادامه می‌آیند.

مولیبدن

استفاده از مولیبدن[۱] در کوره‌های صنعتی در سال ۱۹۳۰ میلادی آغاز گردید و از سال ۱۹۴۰ به‌گستردگی از آن در کاربردهای صنعتی بهره گرفته شد. این ماده در شکل‌های مختلف ازجمله، میله، سیم، تسمه و لوله عرضه می‌شود. برخی ویژگی‌های مشخص مولیبدن که در زمان خرید المنت مولیبدن باید در نظر داشته باشید در زیر فهرست می‌شوند:

• مولیبدن در دمای بالا میل زیادی به ترکیب با اکسیژن دارد و تنها درحضور یک کاهنده، وکیوم یا یک اتموسفر بی‌اثر خالص قابل گرم شدن است. اکسایش این ماده در دمایی میان ۲۵۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد اتفاق می‌افتد که مولیبدن دی‌اکسید را تشکیل می‌دهد که محافظت محدودی تا حدود ۶۰۰ درجه سانتیگراد را سبب می‌شود.
• مولیبدن دی‌اکسید به مولیبدن تری‌اکسید تبدیل می‌گردد که به‌شدت فرّار است و فلز پایه را درمعرض اکسایش بیشتر قرار می‌دهد.
• در دمای حدود ۸۰۰ درجه سانتیگراد، اکسایش تخریبیی با ابرهای مولیبدن دی‌اکسید ایجادشده رخ می‌دهد.
• باید مطمئن شد که در دمای بالای ۴۰۰ درجه سانتیگراد، مولیبدن درمعرض اکسیژن قرار نگیرد.
• چکش‌خواری مولیبدن درهنگام نو بودن خوب است، اما با تغییرات دمایی چکش‌خواری این ماده تبدیل به شکنندگی می‌شود.
• درحالت ایده‌آل، مولیبدن هنگام بهره‌گیری از خلوص بالای صفحات سرامیکی Al₂O_{3 می‌تواند} به‌عنوان قسمتی از یک سیستم ازپیش بسته‌شده تهیه شود.
• ممکن است این ماده در پودر آمونیاک خشک، هیدروژن خشک و اتموسفر هلیوم یا آرگون بی‌اثر بسیار خالص، در دمای تا ۱۹۰۰ درجه سانتیگراد و در دمای بیشتر نیز مورد استفاده قرار گیرد.

تنگستن

تنگستن[۲] بیشتر خصوصیات مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و شیمیایی مشاهده‌شده در مولیبدن را بُروز می‌دهد. هم‌چنین، در شکل‌های مشابه مولیبدن یافت می‌شود. تنگستن چکش‌خواری کمتری دارد و کار با آن سخت‌تر است. ویژگی‌های منحصربه‌فرد مشخص تنگستن در زیر فهرست می‌شوند:

• تنگستن نقطه ذوب بالایی دارد. پس می‌توان آن را در دمای بالاتر و سطح بالاتر وکیوم نسبت‌به مولیبدن به کار گرفت.
• حداکثر دمای استفاده حدود ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد است.
• در سطوح وکیوم زیر ۱۰-۲ تور[۳] می‌توان از آن تا ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد استفاده کرد. در سطوح کمتر از ۱۰-۴ تور می‌توان از آن تا ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد بهره گرفت که پس از آن تبخیر تنگستن اتفاق می‌افتد.
• اکسایش در حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد آغاز می‌گردد و در حدود ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد اکسایش تخریبی رخ می‌دهد.

تنتال

تنتال[۴] می‌تواند در یک اتموسفر بی‌اثر یا در یک وکیوم زیر ۱۰-۴ تور حرارت یابد. ویژگی‌های منحصربه‌فرد مشخص تنتال در زیر فهرست می‌شوند:

• این ماده میل نسبتاً زیادی به پیوند با بیشتر مولکول‌های گازی موجود در اتموسفرهای گرمایشی متداول صنعتی بُروز می‌دهد.
• انجام واکنش شیمیایی در مجاورت با اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن یا کربن منجر به تشکیل اکسیدها، هیدریدها، نیتریدها یا کربنیدها می‌شود. باتوجه‌به این فرسایش، چنین پیش می‌آید
• تشکیل هیدرید می‌تواند معکوس شود و اکسید تنتال می‌تواند از بین رود، بنابراین، می‌توان از آن در کاربردهای حساس به‌عنوان گاززدا[۵] بهره برد.
• تنتال بسیار چکش‌خوار است و برای اطمینان از حفظ چکش‌خواریش باوجود حرارت مکرر و تبلور کلی مجدد، باید دربرابر این گازها محافظت شود.
• هنگام استفاده از سطوح وکیوم زیر ۱۰-۴ تور، در اتموسفرهای هلیوم یا آرگون با خلوص زیاد، به‌کارگیری تنتال تا ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد ممکن است. تنتال تحت شرایط وکیوم بالا، بسیار مستعد تبخیر است.
• تنتال خیلی گران است، ازاین‌رو، تنها برای کاربردهای خاص استفاده می‌شود.

فلزات گران‌بها

این فلزات آلیاژهای پلاتین و رودیم[۶]، پلاتین خالص و رودیم خالص را شامل می‌شوند. بعضی ویژگی‌های آنها در زیر می‌آیند:

• این المنت‌ها با افزایش دما، افزایش چشم‌گیری در مقاومت نشان می‌دهند. این تغییرات در مقاومت ممکن است منجر به یک کشش لحظه‌ای زیاد در شرایط راه‌اندازی سرد گردد، مگر این‌که چنان‌که شایسته است دقت شود.
• این فلزات حساسیت چندانی به چرخه‌های حرارتی ندارند، اگرچه ساختار پایه آنها حساس هستند. باید در سیستم کنترل، عملکرد تقویت‌کننده‌ای وجود داشته باشد که به‌منظور اطمینان از محافظت سیستم دربرابر آسیب، شدت جریان برق را در طراحی خصوصیات محدود سازد.
• پلاتین خالص دمای ذوب پایینی درحدود ۱۷۷۰ درجه سانتیگراد و فشار بخار بسیار زیادی دارد، پس با افزایش حرارت، مستعد اتلاف ماده به‌صورت آزادسازی اکسیژن است.
• دمای استاندارد استفاده برای پلاتین خالص بدون حفاظ حدود ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد مطرح می‌شود. اتلاف اکسیژن و فلز را می‌توان با فرو بردن پلاتین در سیمان نسوز تأییدشده کاهش داد. بنابراین، تحت پارامترهای عملیاتی سختگیرانه، دمای عامل تا ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد در موارد عادی و تا ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد در موارد خاص ممکن است.
• رودیم نقطه ذوب بالاتری درحدود ۱۹۶۰ درجه سانتیگراد، فشار بخار و میزان آزادسازی اکسیژن بهتر، قدرت بهبودیافته گرما و دمای بیشتری برای شروع رشد بلور دارد، درعین‌حال، دارای چکش‌خواری ضعیف و منحنی نامطلوب مقاومت است که کار با آن را سخت می‌کند.
• رودیم می‌تواند با پلاتین آلیاژ شود که ایجاد ترکیبات جدید دارای بهبودی‌های قابل توجه در دمای کاربرد، فشار بخار، میزان اکسایش، و شکنندگی درنتیجه کاهش قدری چکش‌خواری درمقایسه‌با پلاتین خالص، امکان می‌پذیرد.
• آلیاژهای استاندارد ۱۰، ۲۰، ۳۰ یا ۴۰ درصد رودیم با مقدار متناسب پلاتین را دربرمی‌گیرند. این آلیاژها دارای دمای کاربرد ۱۵۵۰، ۱۶۵۰، ۱۷۲۰ و ۱۷۷۰ درجه سانتیگراد هستند؛ با به‌ترتیب ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد برای پلاتین خالص و ۱۸۵۰ تا ۱۹۰۰ درجه سانتیگراد برای رودیم خالص مقایسه شود.
• آلیاژهای پلاتین با ۱۰ و ۲۰ درصد رودیم به‌دلیل چکش‌خواری، دما و قیمت، استفاده بیشتری دارند.
• از این فلزات، به‌سبب قیمت زیادشان، برای کاربردهای خاص در صنعت شیشه و در تحقیق و توسعه[۷] بهره می‌برند.

نتیجه‌گیری

می‌توان از مولیبدن، تنگستن، تنتال و فلزات گران‌بها به‌عنوان المنت حرارتی استفاده کرد و آنها محاسن و معایب خودشان را دارند.

منبع

[۱] مولیبدن به این نشانی اینترنتی پیوند دارد: http://www.thermcraftinc.com/literature/

[۲] تنگستن به این نشانی اینترنتی پیوند دارد: http://www.thermcraftinc.com/literature/

[۳] از واحدهای سنجش فشار

[۴] تنتال به این نشانی اینترنتی پیوند دارد: http://www.thermcraftinc.com/literature/

[۵] getter

[۶]rhodium: با رادیوم Radium اشتباه نشود.

[۷] R&D: Research and development