Condutividade térmica do quartzo fundido: valores reais, tendências e guia de quantidade

A condutividade térmica do quartzo fundido é de 1,4 W/m·K a 20ºC. Esse único número está por trás de uma quantidade surpreendente de engenharia: ele decide a espessura que a parede do tubo do forno precisa ter, a rapidez com que uma janela de visualização atinge o equilíbrio térmico, por que um aquecedor infravermelho de 900 ° C não derrete o bloco terminal atrás dele e quanto da carga de calor de um barco de wafer atinge realmente os wafers que ele carrega.

É também um dos números mais mal interpretados nas especificações do vidro de quartzo. As folhas de dados citam-no à temperatura ambiente, os projetistas aplicam-no a uma zona quente de 900 °C e o resultado é uma espessura de parede ou uma taxa de rampa que é um desperdício ou insegura. O quartzo não fundido é um metal. Sua condutividade térmica aumenta com a temperatura em vez de cair, e a diferença entre o valor da temperatura ambiente e o valor da zona quente pode ultrapassar 80%.

Este guia coleta os números de trabalho, a curva de temperatura, as diferenças de classe para classe, as armadilhas de medição e as regras práticas de seleção que são importantes quando o fluxo de calor através do vidro de quartzo faz parte do problema de projeto. Ele foi escrito para engenheiros de processo, construtores de equipamentos, gerentes de laboratório e equipes de compras que precisam especificar tubos de quartzo, hastes, placas, cadinhos, janelas e aquecedores com confiança, em vez de suposições.

• Como o quartzo fundido conduz o calor e por que o mecanismo difere dos metais e da cerâmica densa.
• Valores de condutividade térmica de 20ºC a 1000ºC e o que a curva significa na prática.
• Como a transparência, o conteúdo da bolha e o conteúdo de hidroxila (OH) alteraram o número efetivo.
• Como o quartzo fundido se compara ao vidro borossilicato, alumina, grafite e aço inoxidável.
• Como o valor é medido e onde a proporção de alta temperatura dá errada.
• Especificação, adequada, controle de qualidade e regras de manutenção para projetos reais.

O que a condutividade térmica do quartzo fundido realmente mede

A condutividade térmica é a taxa em que o calor passa através de uma unidade de espessura do material para uma determinada diferença de temperatura. A solução de trabalho para uma parede plana é simples: o fluxo de calor é igual à condutividade multiplicada pela diferença de temperatura, dividida pela espessura da parede. Um tubo adiciona um termo logarítmico porque a área muda com o raio, mas a lógica é idêntica. Cada decisão sobre a espessura da parede de quartzo, o suporte de isolamento, o ar de resfriamento ou a taxa de rampa depende dessa solução.

O que torna o quartzo fundido interessante é como ele transporta calor. Os metais são conduzidos através de elétrons livres, razão pela qual o cobre atinge aproximadamente 400 W/m·K. O quartzo fundido não possui elétrons livres que valham a pena contar; é um excelente isolamento elétrico à temperatura ambiente, e o calor se move quase feito através de vibrações da rede, chamadas fônons. Num cristal, essas vibrações percorrem longas distâncias antes de se espalharem. No quartzo fundido, a rede de tetraedros silício-oxigênio é desordenada, de modo que o caminho livre médio de um fônon é limitado a distâncias aproximadamente interatômicas. O calor é espalhado quase imediatamente e a condutividade permanece baixa.

O quartzo cristalino prova isso por contraste. Medido ao longo do seu eixo óptico, o quartzo monocristalino conduz calor a aproximadamente 10,7 W/m·K à temperatura ambiente; ao longo do eixo o valor cai para cerca de 6,2 W/m·K. O quartzo fundido, sem eixos, assenta em cerca de 1,4 W/m·K e permanece isotrópico em todas as áreas. Essa isotropia é uma vantagem óbvia da engenharia em tubos redondos, cúpulas e cadinhos, onde um material direcional criaria listras quentes.

Um exemplo prático que mostra a escala

Pegue um tubo de forno com parede de 10 mm, 800°C na face interna e 200ºC na face externa. Usando uma condutividade média de temperatura de cerca de 2,1 W/m·K, o fluxo de calor é aproximadamente 2,1 multiplicado por 600, dividido por 0,01 metros, o que dá cerca de 126.000 W/m², ou 12,6 W/cm². Coloque o mesmo gradiente em uma parede de 96% de alumina e o fluxo aumenta mais de uma ordem de grandeza. Essa diferença é a razão pela qual o quartzo é escolhido para viseiras aquecidas e nunca é escolhido como ponte térmica estrutural.

A outra metade da história é o choque térmico. O quartzo fundido se expande a aproximadamente 0,55 ppm por °C, cerca de um sexto do vidro borossilicato e um trigésimo do aço inoxidável. Um baixo coeficiente de expansão combinado com uma condutividade moderada significa que o material tolera gradientes acentuados que quebrariam imediatamente o vidro de cal sodada. Uma baixa condutividade não é um defeito aqui; faz parte de um pacote.

Condutividade térmica do quartzo fundido versus temperatura

A condutividade térmica não é um número fixo para o quartzo fundido; é uma curva, e o formato dessa curva surpreende quem está acostumado com metais. O valor impresso em quase todas as folhas de dados é medido a 20ºC, e esse único dado diz muito sobre como um tubo de forno se comporta a 900 °C. Como a sílica fundida não possui rede cristalina, o calor é transportado por fônons cujo caminho livre médio já é limitado pela rede atômica desordenada, de modo que o mecanismo que governa a resposta à temperatura é diferente tanto dos metais quanto da cerâmica densa. Os metais perdem condutividade à medida que aquecem, e a maioria das cerâmicas cristalinas fazem o mesmo. O quartzo faz o oposto na maior parte de sua faixa de trabalho. É por isso que o gráfico abaixo é mais importante do que qualquer número de folha de dados.

Leia o gráfico da esquerda para a direita e a tendência é inconfundível: o material torna-se um melhor condutor à medida que fica mais quente. À temperatura ambiente o valor fica próximo de 1,4 W/m·K. A 400 °C subiu para cerca de 1,8 W/m·K, um aumento de cerca de 30%. A 800 °C aproxima-se de 2,3 W/m·K. Perto de 1000ºC, ele atinge a faixa de 2,5 a 2,8 W/m·K, o que é quase o dobro do valor da temperatura ambiente.

Vale a pena entender a física por trás da ascensão porque explica por que a curva nunca se comporta da mesma forma que uma curva metálica. Em um sólido amorfo, o caminho livre médio do fônon já está estabelecido próximo ao espaçamento interatômico, portanto não pode encolher muito mais com o aumento da temperatura. Em vez disso, o que muda é uma população de modos vibracionais que são excitados. Acima da temperatura de Debye, que para a sílica fica bem abaixo da temperatura ambiente, a capacidade térmica do vidro se aproxima de uma constante enquanto a condutividade continua a aumentar aproximadamente em proporção à temperatura absoluta. Em outras palavras, o material não é o melhor caminho para o calor; está preenchendo os caminhos que já possui com mais energia térmica.

Na prática, isso significa que um tubo de forno operando a 1.000 °C transfere calor através de sua parede visivelmente mais rápido do que uma folha de dados de temperatura ambiente prevista, e um modelo térmico construído em 1,4 W/m·K subestimará as perdas em quase um fator de dois. Isso também significa que o gradiente de temperatura através da parede é menor em temperaturas altas, o que sugere um cálculo ingênuo, o que geralmente é uma boa notícia para a análise de tensão, porque um gradiente menor significa menos expansão diferencial ao longo da espessura da parede.

Um segundo contribuinte aparece acima de aproximadamente 600°C: a radiação. Os fótons começam a transportar uma parte significativa da energia através de uma parede de sílica transparente, aumentando ainda mais a contribuição do fônon e aumentando ainda mais a condutividade eficaz. É aqui que o quartzo transparente e opaco começa a divergir. As microbolhas presas no quartzo opaco e leitoso espalham a radiação infravermelha, suprimindo o termo radiativo e fazendo com que o material se comporte mais como um condutor fônon puro em alta temperatura.

Num tubo de aquecimento infravermelho, essa dispersão é deliberada. Um envelope de quartzo opaco difunde a radiação na câmara em vez de deixá-la passar diretamente, o que melhora a uniformidade e reduz os pontos quentes na superfície do alvo. Para uma viseira ou janela óptica, a transparência é o ponto principal, de modo que o termo radiativo permanece no jogo e a condutividade efetiva é maior do que um equivalente opaco das mesmas dimensões.

A medição torna-se mais difícil na mesma faixa de temperatura. A resistência de contato entre a amostra e o sensor, a própria emissão da amostra e a perda de calor através do acessório influenciam as leituras de alta temperatura, razão pela qual as curvas publicadas para o mesmo material nominal podem diferir em 15% ou mais acima de 800 °C. Para trabalhos de projeto, construa o cálculo a partir de um valor médio de temperatura ao longo da faixa operacional real, e não a partir de um ponto final, e sempre exija ao fornecedor a qual grau a curva pertence.

Grau, conteúdo OH e opacidade: porque o mesmo material fornece números diferentes

Dois tubos de quartzo com dimensões idênticas e originais ainda podem transferir calor a taxas diferentes acima de 600 °C. A razão é que a condução é apenas parte da história quando a radiação se junta a ela, e a radiação é altamente sensível à forma como o vidro é feito.

Quartzo transparente versus opaco

O quartzo transparente fundido é totalmente denso e transmite luz visível e infravermelha na próxima. O quartzo branco leitoso e opaco contém uma dispersão controlada de bolhas microscópicas, normalmente com alguns microômetros de diâmetro. Essas bolhas fazem duas coisas: dispersam a radiação e reduzem a fração sólida da parede. O resultado é uma condutividade efetiva mais baixa em altas temperaturas, que é exatamente o que você deseja em um envelope de aquecedor infravermelho ou em um defletor de forno de difusão. O transporte de fótons, e não o transporte de fônons, é o parâmetro que está sendo projetado.

Conteúdo de hidroxila

Os grupos hidroxila divididos na rede de sílica absorvem fortemente no infravermelho, com uma banda bem conhecida próxima a 2,73 micrômetros e um tom mais fraco próximo a 1,38 micrômetros. O quartzo fundido padrão contém cerca de 150 a 200 ppm de OH; os graus de baixo OH mantêm o valor abaixo de cerca de 10 ppm. A diferença tem um pequeno efeito na condução da rede, mas um efeito muito visível na transmissão infravermelha, que por sua vez altera o componente radiativo da transferência de calor através da parede. A sílica fundida com baixo teor de OH é, portanto, o tipo preferido para janelas infravermelhas, viseiras de alta temperatura e qualquer caminho óptico que deva transportar energia infravermelha média. Também possui maior resistência em temperaturas elevadas, o que melhora a resistência à flexão em tubos horizontais de fornos.

Doping e notas especiais

Tubos de quartzo dopados, produzidos pela adição de elementos como titânio ou cério ao fundido, são usados para filtrar comprimentos de onda ultravioleta específicos em lâmpadas germicidas e reatores UV. A dopagem altera tanto a borda de absorção óptica quanto, marginalmente, o comportamento térmico do vidro. O quartzo de grau semicondutor é uma concepção de pureza e não térmica, mas é importante na prática: a contaminação metálica na superfície de uma peça de quartzo atua como um fluxo, conduzindo a temperatura na qual a superfície se desvitrifica em cristobalita. A sílica cristalizada tem um comportamento de expansão diferente do vidro, de modo que um ponto quente contaminado se torna um local de início de fissura muito antes da temperatura máxima nominal do material ser atingido.

Quartzo fundido comparado com borosilicato, alumina, grafite e aço inoxidável

A escolha do quartzo fundido envolveu apenas a condutividade. Trata-se da combinação de condutividade, expansão, temperatura máxima de serviço e inércia química. O vidro borossilicato é mais barato e mais fácil de formar, mas amolece em torno de 500 °C. A alumina conduz o calor duas vezes mais rápido e suporta temperaturas mais altas, mas é frágil sob gradientes acentuados e não pode ser extinta. O grafite é um excelente condutor e sobrevive a temperaturas extremas em atmosferas inertes, mas não pode ser utilizado em condições oxidantes sem revestimento. O aço inoxidável é resistente e soldável, mas se expande trinta vezes mais que o quartzo e contamina processos sensíveis.

O padrão é consistente: o quartzo fundido fica na parte inferior da tabela de condutividade e simultaneamente no topo da tabela de choque térmico. Essa combinação é incomum. A maioria dos materiais de baixa condutividade também são frágeis sob gradientes acentuados, porque a superfície e o núcleo se expandem em detalhes diferentes. O quartzo fundido evita essa armadilha porque seu coeficiente de expansão é tão pequeno que mesmo um grande gradiente de temperatura produz uma deformação modesta.

Existe uma maneira formal de expressar isso. O parâmetro de resistência ao choque térmico combina resistência à tração, índice de Poisson, módulo de elasticidade e coeficiente de expansão. Para o quartzo fundido, o termo de baixa expansão domina o projeto e aumenta o parâmetro o suficiente para que uma parede de 3 mm possa ser temperada a partir de 1000 °C em água sem falhas, desde que a superfície esteja limpa e livre de falhas profundas. A alumina, com resistência semelhante, mas quatorze vezes maior que a expansão, não consegue sobreviver ao mesmo tratamento.

Onde a alumina vence não é rendimento total de calor. Se um processo precisa mover o calor rapidamente através de uma parede, o quartzo é uma escolha errada. Onde o processo precisa manter um gradiente, proteger uma colocação, isolar uma zona quente de uma zona fria ou permitir a passagem da radiação, o quartzo vence.

Como a condutividade térmica do quartzo fundido é medida e relacionada

Compreender como o número é produzido ajuda a julgar se um valor cotado se aplica à sua situação. Vários métodos são de uso comum e nem todos medem a mesma coisa.

1. Fonte de plano transitório, também chamado de método de disco quente. Um sensor plano atua como aquecedor e interferência, e a condutividade térmica é derivada do aumento da temperatura durante alguns segundos. É rápido, funciona desde temperaturas criogênicas até aproximadamente 1.000 °C e é coberto pela ISO 22007-2. É o método mais comumente usado para relacionar um único número em uma folha de dados de quartzo.
2. Difusividade do flash laser. Um pulso curto de laser aquece uma face de um disco e um detector infravermelho registra o aumento de temperatura na face oposta. O método produz difusividade térmica, que é convertida em condutividade multiplicando pela densidade e calor específico. É regido pela ASTM E1461 e é a rota padrão para dados de alta temperatura.
3. Placa quente protegida. Um método de estado estacionário no qual uma amostra é impressa entre uma placa quente e uma fria. É preciso, mas lento, e luta acima de algumas centenas de graus devido às perdas de calor nas bordas.
4. Fluxo radial e métodos comparativos de corte de barras. Estas são técnicas de estado estacionário adequadas para amostras cilíndricas ou em barra e permanecem úteis para tubos de quartzo fundido porque podem ser aplicadas à geometria real do produto, em vez de um cupom usinado.
5. Métodos três ômega e filme fino. Reservado para filmes e revestimentos, onde o substrato domina e os métodos convencionais não conseguem resolver a camada que está sendo testada.

Cada método carrega seu próprio orçamento de erros. Os métodos transitórios são sensíveis ao quão bem o sensor entra em contato com uma superfície lisa e dura, e o quartzo fundido é liso e duro, portanto o contato pode ser imperfeito. Os métodos de estado estacionário são sensíveis às perdas nas bordas e à resistência térmica da interface. Acima de aproximadamente 800 °C, a troca radiativa entre a amostra e o acessório adjacente torna-se significativo em todos os métodos, e o valor relatado pode incluir uma contribuição que depende do aparelho e não do material.

Há também uma questão de planejamento que os compradores devem fazer diretamente: o valor relatado é uma medição única da temperatura ambiente, uma curva ou um valor médio da temperatura? Uma folha de dados que lista um número a 20 °C é perfeitamente adequada para uma aplicação óptica em temperatura ambiente e completamente personalizada para um tubo de forno de 1000 °C. Um fornecedor que pode fornecer uma curva medida para um grau específico, ou pelo menos um conjunto de três ou quatro pontos em toda a faixa de trabalho, está dizendo algo específico sobre seu controle de processo.

Especificando produtos de quartzo quando a condutividade térmica orienta o projeto

Depois de aceitar que a condutividade varia com a temperatura, o processo de concepção se torna mais concreto. O objetivo é fixar as variáveis ​​que realmente influenciam o fluxo de calor e deixar o mínimo possível para suposições.

Espessura e diâmetro da parede

O fluxo de calor através de uma parede cilíndrica é inversamente proporcional ao logaritmo da razão entre os raios externo e interno. Duplicar a espessura da parede não reduz as perdas pela metade; reduz-os em uma quantidade menor do que a maioria das pessoas espera. Como os tubos de quartzo estão disponíveis em uma ampla variedade de espessuras de parede, desde furos capilares finos até mangas de paredes pesadas, o conselho prático é começar pelos requisitos mecânicos e de processo e depois verificar se a perda de calor resultante é aceitável, em vez de adicionar espessura de parede apenas como isolamento.

Tubulação de grande diâmetro para serviço em fornos e reatores UV é um bom exemplo. Um tubo com diâmetro externo de 150 mm e parede de 4 mm é rígido o suficiente para a maioria das aplicações de forno vertical e perde muito menos calor do que uma parede de 10 mm com o mesmo diâmetro. Se o tubo também tiver que suportar uma carga ou resistir ao colapso por vácuo, a decisão da espessura cabe ao engenheiro e ao projeto térmico seguinte.

Geometria, tolerância e acabamento

• Tolerâncias de diâmetro e ovalidade, que controlam o calor bem o tubo se ajustam a um flange ou bloco de calor e, portanto, calor uniforme é o contato.
• Tolerância de espessura da parede, que depende do fluxo de calor local e pode produzir listras quentes em um elemento de aquecimento.
• Classe de bolha e limites de inclusão, que influenciam tanto a propagação da radiação quanto a resistência mecânica.
• Conteúdo OH, que controla a transmissão infravermelha em aplicações de janelas e aquecedores.
• Estado de reconhecimento, uma vez que a tensão residual da conformação pode reduzir o desempenho do choque térmico mesmo quando a geometria está correta.

Para trabalhos personalizados, uma conversa sobre design geralmente passa rapidamente de um tubo padrão para uma montagem fabricada. Tubos flangeados, tampas, janelas de visualização e janelas de proteção envolvem juntas que sobrevivem aos mesmos ciclos térmicos do corpo.

A aparência de quartzo transparente padrão continua sendo o carro-chefe do catálogo, e suas dimensões publicadas geralmente cobrem a faixa de espessura de parede necessária para a maioria das construções de fornos e reatores.

Cenários de aplicação onde a condutividade térmica do quartzo fundido decide o resultado

Em diversos assuntos, o valor da condutividade deixa de ser uma propriedade acadêmica e passa a ser a razão pela qual um componente existe no quartzo e não em outro material.

Processamento de semicondutores e fotovoltaicos

Tubos de forno de difusão, barcos wafer e cadinhos operam entre 1000 °C e 1450 °C dependendo do processo. A parede de quartzo deve manter um gradiente acentuado, permanecer dimensionalmente estável e evitar a liberação de contaminantes. A baixa condutividade mantém a parede externa fria o suficiente para vedações de elastômero e flanges de metal, enquanto a baixa expansão evita que o tubo force uma estrutura de suporte. Os cadinhos para crescimento de cristais enfrentam um problema diferente: o fundido deve ser desligado enquanto o próprio cadinho resiste ao amolecimento, e a proteção de calor controlada através da parede do cadinho determina parcialmente a qualidade do cristal.

Cadinho de quartzo semicondutor (grau eletrônico) Os cadinhos de quartzo semicondutores têm requisitos de alta pureza, geralmente exigindo que a pureza do SiO2 exceda 99,998%, o teor de impurezas seja inferior a 10 ppm e o gás-líquido... Ver Produto →

Os cadinhos eletrônicos são especificados exatamente para esta combinação de pureza, estabilidade térmica e transferência de calor previsível.

Aquecimento infravermelho

Os tubos de aquecimento infravermelho de quartzo funcionam porque o envelope pode estar a 800 °C ou mais, permanecendo transparente ou translúcido à radiação emitida. Os elementos de fibra de carbono, liga de níquel-cromo e filamentos de tungstênio são todos selados dentro de envelopes de quartzo por esse motivo. O quartzo opaco é frequentemente escolhido porque as microbolhas difunde a radiação e produz um padrão de aquecimento mais amplo e uniforme, o que é importante na termoformação, na cura de tintas e no processamento de alimentos.

Tubo de aquecimento infravermelho de quartzo transparente O tubo de aquecimento infravermelho de quartzo transparente é um dispositivo de aquecimento que usa vidro de quartzo de alta pureza como revestimento e possui um elemento de aquecimento embutido (como níquel-cromo... Ver Produto →

Tubos de aquecimento infravermelho transparentes são usados ​​onde a transferência radiante direta e a resposta rápida são mais importantes que a difusão.

Equipamentos de laboratório, ópticos e ultravioleta

Cubetas, tubos de digestão, placas de evaporação e barras de combustão independentes da mesma combinação de inércia química e transferência controlada de calor. Em instrumentos analíticos, uma cubeta de quartzo que conduzisse calor como o metal distorceria seu próprio caminho óptico segundos depois de ser colocada em um suporte de célula aquecida. As janelas ópticas e as viseiras enfrentam a restrição oposta: elas devem transmitir enquanto a radiação limita o calor demora para o flange de montagem, razão pelas quais janelas finas e de baixo OH com perfis flangeados ou abobadados são comuns em portas de visualização de alta temperatura.

Desinfecção ultravioleta e reatores

Lâmpadas germicidas e reatores UV utilizam mangas de quartzo porque o material transmite a linha de emissão de 254 nm e tolera a carga térmica da lâmpada. Os graus de quartzo dopado podem ser ajustados para filtrar comprimentos de onda indesejados, mantendo a luva mecanicamente estável.

Obtendo quartzo fundido de um fabricante: o que verificar

Como a condutividade, o conteúdo de OH e a classe de bolha dependente do processo, o controle do fornecedor sobre o processo de fusão e conformação determina se a peça entregue corresponde à folha de dados. Algumas verificações são separadas por um fabricante confiável de quartzo de um comerciante que vende ações não especificadas.

1. Peça a designação da classe, não apenas o nome do produto. Materiais transparentes, opacos, com baixo teor de OH, dopados e de grau semicondutor se comportam de maneira diferente e são projetados de maneira diferente.
2. Solicite rastreabilidade desde o lote de lingotes ou tubos até a peça acabada, especialmente para aplicações de semicondutores e fotovoltaicas onde o controle de contaminação é importante.
3. Confirme as tolerâncias dimensionais por escrito, incluindo a variação da espessura da parede ao longo do comprimento, o que afeta diretamente o fluxo de calor local.
4. Consulte se o fornecedor pode fornecer dados térmicos medidos ou apenas valores publicados na literatura, e se esses valores forem encontrados ao grau cotado.
5. Verifique a prática de reconhecimento. Uma peça devidamente reconhecida apresenta menor tensão residual e, portanto, melhor desempenho de choque térmico.
6. Esclareça a rotina de inspeção dimensional e óptica: concentração de bolhas, limites de tamanho de inclusão, verificações de transmissão para classes ópticas e padrões visuais para falhas superficiais.
7. Confirme a embalagem e as especificações, pois a contaminação da superfície do papelão, resíduos de fita ou mãos desprotegidas pode causar desvitrificação em altas temperaturas.

Para programas de volume, as questões comerciais são tão importantes quanto as técnicas. Um atacadista ou distribuidor pode movimentar itens do catálogo rapidamente, mas diâmetros personalizados, espessuras de parede não padronizadas, montagens flangeadas e componentes retificados com precisão geralmente envolvem envolvimento direto com a planta de produção. É aí que a consistência do lote, o prazo de entrega e a capacidade de manter uma planejamento em múltiplas entregas tornam os fatores decisivos.

Considere solicitar uma amostra para verificação antes de iniciar uma produção. Um breve teste de ciclagem térmica em um tubo de amostra, combinado com uma verificação dimensional, revelará mais sobre o controle do processo do que qualquer certificado por si só. Se for uma aplicação sensível à transmissão infravermelha, solicite uma medição de transmissão no lote real entregue em vez de uma curva genérica da família de materiais.

Manutenção e manutenção que protegem o desempenho térmico

Os componentes do quartzo apresentam falhas ocasionais porque a condutividade térmica mudou. Eles falharam porque a superfície mudou. A desvitrificação, a contaminação e os danos mecânicos alteram o comportamento de uma peça sob carga térmica, e a maior parte desses danos é evitável.

Evite a desvitrificação

Acima de aproximadamente 1100 °C, a sílica fundida começa a se converter em cristobalita, começando na superfície. A transformação é dramaticamente acelerada pela contaminação alcalina e alcalino-terrosa, que atua como um fluxo. O sódio das redes digitais, o cálcio da água da torneira e o potenciômetro de alguns cimentos refratários são os suspeitos do traje. Limpe a peça antes de colocá-la em uma zona quente e guarde-a embrulhada em vez de empilhada em uma prateleira aberta.

Taxas de rampa de controle

O quartzo fundido tolera rampas rápidas, melhor do que quase qualquer outro material transparente, mas essa tolerância não é ilimitada e depende da geometria. Tubos de paredes finas e janelas pequenas podem ser empurrados com força. Flanges grossos, mangas de paredes pesadas e cúpulas grandes desenvolvem gradientes internos maiores e devem ser aquecidos mais lentamente, especialmente se uma peça tiver algum dano superficial anterior.

Apoie a peça específica

O quartzo preso rigidamente entre acessórios de metal sofrerá tensão quando a montagem aquecer, porque o metal se expande muito mais que o vidro. Utilize suportes compatíveis, folgas generosas e materiais com coeficientes de expansão mais próximos da sílica sempre que possível. Quando um tubo de quartzo passa por uma placa de metal, uma junta fibrosa ou um anel de grafite usinado geralmente tem melhor desempenho do que um contato rígido.

Limpe sem arriscar

A limpeza abrasiva cria falhas na superfície e as falhas concentram o estresse. Geralmente, detergente neutro, água deionizada e um pano sem fiapos são suficientes. Para depósitos pesados, o ácido diluído seguido de enxágue completo é mais seguro do que a raspagem mecânica. Existem classes de quartzo resistentes à abrasão para aplicações onde a superfície estará exposta ao desgaste de partículas, e vale a pena especificá-las na fase de projeto, e não após a primeira falha.

Observe os pontos quentes

Um ponto quente localizado em uma peça de quartzo geralmente indica contato irregular, um caminho infravermelho parcialmente bloqueado ou um condutor contaminante. Como o quartzo fundido não conduz o calor rapidamente, o ponto quente permanece quente e a desvitrificação começa aí. A inspeção periódica de uma câmera térmica durante a operação detectará o problema muito antes de uma peça quebrar.

FAQ: Condutividade Térmica de Quartzo Fundido

Qual é a condutividade térmica do quartzo fundido?

A 20 °C, o quartzo transparente fundido tem uma condutividade térmica de aproximadamente 1,4 W/m·K. O valor é isotrópico, o que significa que é o mesmo em todas as direções, porque o material é amorfo e não cristalino.

A condutividade térmica do quartzo fundido aumenta com a temperatura?

Sim. Ele aumenta gradualmente para cerca de 1,8 W/m·K a 400 °C, 2,3 W/m·K a 800 °C e aproximadamente 2,6 W/m·K a 1000 °C. O aumento é consequência do transporte de fônons em uma rede desordenada e é o oposto do comportamento observado na maioria dos metais.

O quartzo fundido é um bom isolante térmico?

Comparado com metais e cerâmicas densas, sim. É cerca de dez vezes menos condutivo que 96% de alumina e mais de dez vezes menos condutivo que o aço inoxidável. Para comparar com o isolamento feito sob medida, porém, não é competitivo; A lã mineral e o aerogel de sílica têm condutividade muito menor, e o quartzo é escolhido por sua transparência, pureza e resistência ao choque térmico, e não apenas pelo valor de isolamento.

Como o quartzo fundido se compara ao vidro borossilicato para uso térmico?

O vidro borossilicato 3.3 conduz calor em torno de 1,1 W/m·K, um pouco menos que o quartzo fundido, mas seu coeficiente de expansão é seis vezes maior e sua temperatura máxima de serviço contínuo é aproximadamente a metade. Para trabalhos em altas temperaturas, o quartzo fundido ganha resistência ao choque térmico e à temperatura de serviço, embora sua condutividade seja reduzida mais alta.

O conteúdo de OH altera a condutividade térmica?

A contribuição da rede muda apenas aumentando, mas o conteúdo de hidroxila afeta fortemente a análise infravermelha, ou que altera o componente radiativo da transferência de calor em altas temperaturas. Os graus de baixo OH são preferidos para janelas infravermelhas e para aplicações onde a transmissão de energia no infravermelho médio é importante.

Qual é a temperatura máxima de trabalho do quartzo fundido?

O quartzo transparente fundido é normalmente classificado para serviço contínuo em torno de 1.000 a 1.100 °C, com excursões curtas um pouco mais altas. O limite prático é geralmente definido pela desvitrificação e pela carga mecânica da peça, e não pela própria condutividade térmica.

Posso usar o valor da temperatura ambiente para um projeto de 900 °C?

Não. Usar 1,4 W/m·K a 900 °C subestimará o fluxo de calor em aproximadamente 70 a 80%. Use um valor médio de temperatura em toda a faixa operacional, normalmente 1,9 a 2,2 W/m·K para uma faixa de serviço que vai de 200 °C a 900 °C, e verifique com o fornecedor se os dados de classificação ou suporte.

Produtos de quartzo relacionados e leituras adicionais

Ambos têm a mesma regra subjacente: o comportamento térmico da peça acabada depende da classe, da geometria e da condição da superfície em conjunto, portanto a especificação deve ser escrita como um pacote único.

A condutividade térmica do quartzo fundido é melhor entendida como uma faixa e não como uma constante: aproximadamente 1,4 W/m·K à temperatura ambiente, aumentando para cerca de 2,6 W/m·K perto de 1000 °C, e ainda influenciada pelo fato de o vidro ser transparente ou opaco, com alto ou baixo OH, de parede fina ou de parede pesada. Os engenheiros que levam essa faixa em seus cálculos evitam os dois erros mais comuns no projeto de quartzo, que são subdimensionar o isolamento em torno de um tubo quente e superestimar o calor que pode ser despejado através de uma parede de quartzo em um sistema de resfriamento.

O fluxo de trabalho prático é curto. Corrija primeiro os requisitos mecânicos e de processo. Selecione o grau com base na transmissão, pureza e temperatura. Calcule o fluxo de calor com uma condutividade média de temperatura. Confirme os números com um fornecedor que possa falar com o lote específico e, em seguida, proteja a peça com tal limpo, montagem compatível e rampa controlada. Faça essas quatro coisas e o material terá desempenho superior a quase qualquer outro disponível pelo mesmo custo.