RESISTORI IN CARBURO DI SILICIO

RESISTORI SIC PER FORNI ELETTRICI INDUSTRIALI

DESCRIZIONE GENERALE

I resistori SiC di SIM S.r.l. sono una tipologia di
resistenze in carburo di silicio; a seconda del diametro,
essi possono presentarsi a listarelle o tubolari.
I resistori SiC sono composti da una sezione
centrale di riscaldamento, denominata “zona calda”,
e da due sezioni terminali, chiamate “estremità
fredde”. Due sono le tipologie di resistori SiC
che SIM S.r.l. offre alla propria clientela:
1. Le estremità fredde sono impregnate di silicio
metallico – noto come “pezzo unico”, e
2. Le estremità fredde a bassa resistenza sono saldate
in forno alla zona calda – noto come tipo “tre
pezzi” o “LRE” (Low Resistance End – Estremità a
Bassa Resistenza)
Tale estremità fredda a minor resistenza consente
a questa seconda tipologia di operare a temperature
inferiori. Le estremità di questi resistori sono
metallizzate con alluminio in modo da fornire
una superficie di contatto a bassa resistenza, alla
quale vengono fissati i collegamenti elettrici mediante
cinghie di alluminio intrecciate.
I resistori SIC di SIM S.r.l. sono descritti indicando
la lunghezza complessiva, la lunghezza della sezione
di riscaldamento e il diametro. Per esempio:
SiC 43 x 24 x 1 è un SiC che presenta una lunghezza
complessiva di 43’, una zona calda di 24’
e un diametro pari a 1’’.

 

PRESTAZIONI DI PRIMA QUALITA’

I resistori SiC di SIM S.r.l. vi daranno prestazioni
di prima qualità grazie alla loro maggiore densità
– circa 2.4 gms/cc. Ciò garantisce ai resistori SiC
di SIM S.r.l. caratteristiche quali forza aggiuntiva e
deterioramento molto lento.

 

INTERCAMBIABILITA’

I resistori SiC di SIM S.r.l. sono intercambiabili
con tutti i resistori in carburo di silicio prodotti
in Europa, così come con i resistori a maggiore
resistenza prodotti per i mercati Asiatici e Statunitense.
E’ importante fornire la resistenza elettrica
nominale al momento dell’ordine a SIM S.r.l.
Vi preghiamo di contattarci prima di effettuare la
sostituzione.

 

MISURE DISPONIBILI

I Resistori SiC di SIM S.r.l. possono essere realizzati
in qualunque lunghezza sino ad un massimo
di 228 pollici (5800 mm). La lunghezza massima
della zona calda è di 166 pollici (4216mm).

 

TEMPERATURE DI ESERCIZIO

In una atmosfera normale o inerte di argo o elio il
“pezzo unico” SiC è in grado di essere impiegato
fino a una temperatura di controllo del forno pari
a 3100°F (1700°C), mentre il “tre pezzi” fino a
2600°F (1425°C). Il carburo di silicio è ricoperto
da un apposito rivestimento protettivo in biossido
di silicio. L’idrogeno riduce tale rivestimento e può
provocare un deterioramento del resistore SiC. Un
idrogeno particolarmente secco o molto bagnato
può compromettere la durata del prodotto.
Le applicazioni in atmosfera di azoto sono limitate
ad una temperatura di 2500°F (1370°C) e ad una
potenza massima di carico di superficie dai 20 ai
30 watt per pollice quadrato (da 3.1 a 4.6 watt per
centimetro quadrato). Una temperatura superficiale
troppo elevata comporterà una reazione del
nitruro di silicio. Uno strato termicamente isolante
si forma intorno al resistore SiC., provocando il
raggiungimento di temperature superficiali molto
elevate, che danneggiano il resistore.

 

CARATTERISTICHE ELETTRICHE

Il resistore in carburo di silicio di SIM S.r.l. è un
tipo di resistenza lineare che converte l’energia
elettrica in energia termica – Legge di Joule: W =
I² x R (W= potenza in watt, I = corrente in ampere,
R = resistenza in ohm).
La zona calda del resistore SiC è in carburo di silicio
“self-bonded” (auto-legante). La struttura reticolare o i leganti che tengono insieme i grani di
carburo di silicio si formano mediante ricristallizzazione
del carburo di silicio a temperature molto
elevate. I resistori SiC sono prodotti con carburo
di silicio verde, che è classificato come un conduttore
con eccesso di elettroni.
La resistenza elettrica di un resistore SiC è difficile
da misurare a temperatura ambiente, a causa
di alcune impurità minori, auto-riscaldamento e
resistenza di contatto. Anche il carburo di silicio
verde è caratterizzato da una temperatura di resistenza
negativa, a partire da temperatura ambiente
fino a circa 1200°F (650°C). A questa temperatura
diventa positiva e rimane tale per tutto la sua
normale temperatura di esercizio.
La resistenza nominale del resistore SiC è misurata
alla temperatura di calibrazione di 1960°F
(1071°C). I valori di resistenza nominale di SiC
in ohm per unità di lunghezza sono riportati nella
Tabella A.

 

CARICO ELETTRICO

I resistori SiC non sono dimensionati per uno specifico
wattaggio come le resistenze metalliche. La
quantità di energia che un resistore SiC è in grado
di convertire da energia elettrica a energia termica
dipende dalla temperatura ambiente del forno e
dall’atmosfera in cui il SiC è impiegato.
Nel calcolare le capacità di wattaggio di un resistore
SiC si utilizza l’unità di watt prodotti per
unità di superficie radiante. La Figura 1 mostra il
carico di watt consigliato per pollice quadrato o
per centimetro quadrato di superficie radiante in
funzione della temperatura del forno.
Per determinare la capacità di wattaggio consigliata
del resistore SiC, iniziare con la Figura 1, conoscendo
la temperatura del forno e l’atmosfera in
cui il resistore SiC sarà impiegato. Seguire la linea
della temperatura fino ad incrociare la linea nera
(scegliendo la linea appropriata a seconda dell’atmosfera
in cui il SiC sarà impiegato). Leggere il
carico in watt per unità di superficie radiante che
può essere applicato al resistore SiC. Per trovare la
quantità totale di energia che un SiC può fornire
in tali condizioni, moltiplicare questo valore per
la superficie radiante del SiC. L’area della superficie
radiante si calcola moltiplicando il diametro
per la lunghezza della “zona calda” per pi (3.14).
Esempio:
A 2750°F il resistore SiC potrebbe essere caricato
a 35 watt per pollice quadrato. Pertanto, un resistore
con 10 pollici quadrati di superficie radiante
potrebbe fornire 350 W, mentre un resistore con
200 pollici quadrati di superficie radiante potrebbe
fornire 7000 W.
(A 1500°C il SiC potrebbe essere caricato a 6 watt
per centimetro quadrato. Pertanto, un SiC con 100
centimetri quadrati di superficie radiante potrebbe
fornire 600 watt, mentre un SiC con 2000 centimetri
quadrati di superficie radiante potrebbe
fornire 12.000 watt).
Esempio di superficie radiante:
Il RI 43 x 24 x 1 ha una “zona calda” lunga 24
pollici su un diametro di 1 pollice. La superficie
radiante è di 24 x 1 x 3.14, o 75.4 pollici quadrati.
(Il RI 1092 x 610 x 25 ha una “zona calda” di
610mm e un diametro di 25mm. La superficie radiante
è 610 x 25 x 3.14 o 47,885 mm quadrati,
che convertita in centimetri è pari a 478 centimetri
quadrati).

 

ALIMENTAZIONE

Nel paragrafo precedente abbiamo spiegato come
calcolare il wattaggio (potenza elettrica) di uscita
consigliato dei resistori SiC. Ora spiegheremo
come calcolare i requisiti elettrici per fornire la
potenza consigliata.
Conoscendo il wattaggio di uscita e la resistenza
dei resistori SiC, si dispone di due elementi di
un’equazione a tre incognite. Tale equazione è:
E = √ (W x R), (E = voltaggio nominale di pieno carico, W = potenza del SiC in watt, R = resistenza
del SiC in ohm). La resistenza del resistore SiC
può essere calcolata usando i valori riportati nella
Tabella A.
Risolvendo per E, si otterrà il voltaggio richiesto su
una resistenza nominale SiC perché possa fornire
il wattaggio di uscita desiderato.
Esempio: Un resistore SiC RI 43 x 24 x 1 ha una
resistenza di 1.21 ohm e una superficie radiante di
75 pollici quadrati. Caricando a 40 watt per pollice
quadrato, questo SiC potrebbe fornire 3000
watt. Per trovare il voltaggio nominale, risolvere
per E:

E = √ (W x R)
E = √ (3000 x 1.21)
E = 60 volts

I resistori SiC possono essere collegati in parallelo,
in serie, o in una combinazione di entrambi. In
genere si preferiscono connessioni parallele.
In disposizione parallela, il voltaggio lungo tutto
il SiC è lo stesso. Nella formula W = E² ÷ R, (W
= watt, E = voltaggio, R = resistenza) si può osservare
che maggiore è la resistenza, minore è il
wattaggio (potenza) di uscita. I resistori SiC in un
circuito parallelo con la minima resistenza forniranno
più energia termica e quindi opereranno ad
una temperatura superiore. Questa maggiore temperatura
dei SiC provocherà un graduale aumento
della loro resistenza, fino a quando tutti i resistori
SiC avranno la stessa resistenza. A questo punto,
i resistori SiC dovrebbero tutti avere all’incirca gli
stessi valori di resistenza e temperatura di superficie,
quindi rimanere in equilibrio.
Per calcolare la resistenza di rete di un gruppo di
resistori SiC si può utilizzare la seguente formula:
Rn = R x S ÷ P (Rn = resistenza di rete, R = resistenza
del SiC, S = numero di SiC connessi in
serie; P = numero di circuiti paralleli).
Esempio: Otto SiC RI 43 x 24 x 1 (R = 1.21 ohms)
collegati in serie di 2, 4 gruppi paralleli (P = 4).

Rn = R x S ÷ P
Rn = 1.21 x 2 ÷ 4
Rn = 0.6 ohms

Per calcolare il voltaggio nominale richiesto per alimentare
un set di SiC, si utilizzerà una combinazione
delle formule usate nei due precedenti esempi:
En = √ (Wt x Rn), (En = voltaggio nominale di rete,
Rn = resistenza di rete, Wt = potenza totale in watt).
Esempio: Otto SiC RI 43 x 24 x 1 (R= 1.21 ohms)
collegati in serie di 2, 4 gruppi paralleli. Ogni resistore
SiC fornisce 3000 watts. Wt = 8 x 3000 =
24,000 watts. Rn = 0.60 ohms.

En = √ (Wt x Rn)
En = √ (24,000 x 0.6)
En = 120 volts

La resistenza dei resistori SiC aumenta gradualmente
durante il loro impiego. Pertanto, sono necessari
alcuni strumenti atti a mantenere la potenza di ingresso
nel forno ad un livello sufficientemente alto
per mantenere la temperatura desiderata.
Storicamente, per tutte le applicazioni, tranne
quelle a temperatura molto bassa, si raccomandavano
strumenti costosi per la modifica del voltaggio,
come trasformatori a presa multipla o reattori
saturabili.
I resistori SiC possono essere utilizzati direttamente
sulla linea (voltaggi fissi) a temperature fino a
2400°F (1315°C). Per compensare l’output ridotto
via via che i resistori SiC “invecchiano” o aumentano
gradualmente in resistenza, il forno viene inizialmente
sovra potenziato del 25% fino al 50%.
Questo tipo di accorgimento elimina l’impiego di
costose attrezzature per la modifica del voltaggio
e si è dimostrato molto soddisfacente in numerose
applicazioni. Non è però consigliato quando è necessario
un preciso controllo della temperatura di
processo.

Supponiamo che un forno richiederà circa 24000 watt dopo che tutte le perdite di calore e i fattori di
carico sono stati considerati. Aumentare questi 24000 watt del 25% fino al 50% comporta una richiesta
di wattaggio compreso tra i 30000 e i 36000 watt.
Dando un’occhiata all’esempio precedente, si può notare che 10 resistori SiC RI 43 x 24 x 1 collegati in
serie da due, cinque gruppi paralleli su 120 volt, fornirebbero 30000 watt. Se si utilizzassero 12 resistori
SiC della stessa dimensione, la potenza di uscita (output) sarebbe di 36000 watt. Dodici resistori SiC collegati
in serie di quattro per fase su 240 volt creerebbero una rete bilanciata a tre fasi di 240 volt.
La temperatura del forno è controllata da un regolatore on-off. Quando i SiC sono nuovi, saranno alimentati
solo per 24/30 o per 24/36 di un’ora. Via via che i SiC aumentano in resistenza, saranno “on” per una
maggiore percentuale di tempo. Quando la loro resistenza sarà aumentata sino al punto in cui forniscono
24000 watt, saranno “on” per il 100% del tempo. Si può anche utilizzare un SCR (Silicon Controlled
Rectifier – Raddrizzatore Controllato al Silicio) o tiristore.
Per le applicazioni in cui si desidera uno stretto controllo della temperatura e/o per temperature superiori
ai 2400°F (1315°C) è necessario un dispositivo per incrementare il voltaggio al resistore SiC. Vi sono diversi
modi per fornire questa sorgente di voltaggio variabile:

1 – Il trasformatore a presa multipla è il più comune, perchè è solitamente il meno costoso. Il secondario
del trasformatore è provvisto di rapporti che in genere variano in numero da 10 a 36. Selezionando
attentamente i rapporti di voltaggio, si può ottenere la potenza di uscita adatta alla resistenza
dei resistori SiC lungo tutto il loro arco di vita “utile”.

2 – Reattori saturabili e regolatori ad induzione sono utilizzati per fornire un controllo della tensione
continua. Talvolta sono anche utilizzati con i trasformatori a presa multipla.

3 – Di rado si utilizzano controlli mediante condensatori. Questi, certamente, tenderanno a migliorare
un fattore di potenza, cosa che rende il loro impiego desiderabile in alcune aree.

4 – Gli SCR (Silicon Controlled Rectifier – Raddrizzatori Controllati al Silicio) sono diventati abbastanza
comuni con i progressi nei dispositivi a stato solido.

Per compensare la ridotta potenza di uscita via via che il SiC aumenta in resistenza, si richiede un intervallo
di voltaggio che possa compensare un aumento del 100% nella resistenza dei SiC. Si può utilizzare
la seguente formula per calcolare l’Emax: Emax = √(Wt x Rn) x 1.5, (Emax = voltaggio massimo consigliato
necessario per compensare un aumento della resistenza dovuta all’invecchiamento e tolleranza di
resistenza, Wt = classificazione del trasformatore in watt, Rn = resistenza di rete del resistore SiC, 1.5 =
margine minimo per adattarsi al raddoppio della resistenza del SiC e la tolleranza di resistenza +20%).
Un valore più alto offrirà una durata di utilizzo leggermente maggiore.
Esempio: Il trasformatore è classificato a 24KVA e ha un voltaggio nominale di pieno carico calcolato di

120 volt. (Rn = 0.6, Wt = 24,000).
Emax = √ (Wt x Rn) x 1.5
Emax = √ (24,000 x 0.6) x 1.5
Emax = 180 volt

 

Il voltaggio nominale a pieno carico e il voltaggio massimo sono stati calcolati. Quando si specifica
il trasformatore, la tensione nominale a pieno carico è generalmente ridotta dal 5% al 10% per tener
conto del -20% di tolleranza di resistenza del resistore SiC. Inoltre, per riscaldamenti lenti e al minimo
vengono generalmente fornite delle prese a minor voltaggio.
Per calcolare il voltaggio minimo, considerare il 70% del voltaggio nominale. Per applicazioni periodiche,
considerare il 30% del voltaggio nominale a pieno carico.
Se il voltaggio primario è 230 volt o meno si possono utilizzare auto-trasformatori. Questi non dovrebbero però essere impiegati in una disposizione a tre fasi. Una pratica accettata è quella di limitare il voltaggio secondario su tutti i trasformatori a 300 volt. Oltre tale valore la dispersione di voltaggio del refrattario diventa un problema. Quando si calcola la dimensione degli step di voltaggio tra una presa e l’altra, si utilizza spesso un valore pari al 5% del voltaggio nominale a pieno carico. Quando si utilizzano controlli SRC o tiristori sul primario, sono richieste meno prese.

 

FACILITA’ DI SOSTITUZIONE

I resistori SiC possono essere sostituiti mentre il forno è a temperatura di esercizio. Si dovrà interrompere
l’erogazione di corrente al resistore da sostituire, sganciare le pinze a molla e la treccia di alluminio
e rimuovere il vecchio SiC. Il nuovo SiC potrà essere inserito agevolmente attraverso il forno caldo
con velocità sufficiente ad assicurare che l’alluminio non fonda al di fuori del terminale, ma non così
velocemente da causare uno shock termico.

 

“VITA UTILE”

La resistenza dei SiC aumenta gradualmente con l’uso. Tale caratteristica di incremento della resistenza è chiamata “invecchiamento”. L’invecchiamento è una funzione dei seguenti elementi:

1 – Temperatura di esercizio

2 – Carico elettrico (generalmente espresso in watt per pollice quadrato o watt per centimetro quadrato di superficie radiante del SiC)

3 – Atmosfera

4 – Tipologia di funzionamento (continuo o intermittente)

5 – Tecniche di funzionamento e di manutenzione

 

MONTAGGIO

Non ci sono restrizioni alle posizioni di montaggio dei SiC, anche se le posizioni orizzontale e verticale
sono le più comuni. Nel montaggio si dovrà utilizzare estrema cautela per assicurare che i SiC non
siano posti in tensione. Ci dovrà essere uno spazio libero adeguato per consentire al forno e ai resistori
SiC di espandersi e contrarsi in modo indipendente.
Quando i SiC vengono montati verticalmente, l’estremità inferiore dovrà essere appoggiata su supporti
isolati elettricamente.
La sezione di riscaldamento dei resistori SiC dovrà essere centrata nella camera del forno, in modo che nessuna parte della sezione di riscaldamento si estenda sulla parete del forno. Talvolta, su ogni parete interna attraverso cui passa il resistore SiC si trova un incavo a forma di cono o di cono tronco profondo
1/2 pollice (13mm). Questo consente alla zona calda di irradiare correttamente e aiuta a mantenere una temperatura uniforme nel forno.

 

CAMERA DI RISCALDAMENTO DEL FORNO

La camera di riscaldamento del forno, attraversata dai resistori SiC, può essere della stessa lunghezza
della zona calda dei resistori SiC, come mostrato dal resistore SiC sotto il carico nella Figura 3. In
alternativa, le dimensioni della camera di riscaldamento del forno possono essere un pollice (25mm)
inferiori all’effettiva lunghezza della zona di riscaldamento del SiC. In questo caso, ci dovrà essere
una cavità conica di 45° nella parete del forno, come mostrato nella Figura 3 per il resistore SiC sopra
il carico. La Tabella B mostra i diametri consigliati per i fori terminali delle varie pareti refrattarie e le
dimensioni dei resistori.
I resistori SiC non dovranno essere posizionati più vicini di due diametri SiC l’uno all’altro o non più
vicini di un diametro e mezzo del SiC a una parete o a un altro corpo riflettente. Se il resistore SiC non
è in grado di dissipare energia termica in modo uguale in tutte le direzioni, potrà causare surriscaldamento
locale e potenziali guasti.

 

SPECIFICHE E CORRISPONDENZE

 

SPECIFICHE E CORRISPONDENZE

I resistori SiC hanno una tolleranza di fabbricazione di +/– 20% rispetto resistenza nominale. Tutti
i resistori SiC sono calibrati almeno due volte prima della spedizione per garantire che rispettino le
specifiche. L’amperaggio calibrato di ogni resistore SiC è segnato sul cartone e sull’estremità destra di
ciascuno di essi. Durante l’installazione, sistemare i resistori SiC con i valori di amperaggio il più possibile
vicini l’uno all’altro. Quando i resistori SiC collegati in serie hanno resistenze corrispondenti si
avrà una “vita utile” di maggior durata. Nella spedizione si includeranno resistori SiC che siano il più
possibile corrispondenti tra loro in resistenza.

 

DISPONIBILITA’

I resistori SiC possono essere spediti dal nostro stock di magazzino, o da due a tre settimane dopo la
ricezione dell’ordine.

 

CONFIGURAZIONI PERSONALIZZATE

Sono disponibili dimensioni e formati speciali. Le parti fredde possono avere lunghezze differenti. Ciò,
per esempio, potrebbe essere appropriato per forni con tetto ad arco che richiedono estremità fredde
più lunghe lungo il tetto e più corte lungo il pavimento.
Un’altra modifica possibile è la zona calda a due temperature. Ciò, per esempio, sarebbe utile per
ottenere energia termica aggiuntiva all’interno del forno a tunnel, più lento e caricato più densamente.
Mentre questa zona calda appositamente modificata non genera una specifica temperatura differenziale,
essa offre un modo conveniente per ottenere più energia termica in una data area del forno.
L’angolo retto (RA) qui illustrato ha tutte le caratteristiche del RI. Le estremità fredde sono attaccate
perpendicolarmente alla zona calda. L’angolo retto è normalmente installato col l’estremità fredda che attraversa la volta del forno.

 

LA NOSTRA GAMMA COMPLETA DI RESISTENZE IN CARBURO DI SILICIO

Resistenze Dritte a Tre Pezzi – Aste SiC

Le Resistenze Dritte a Tre Pezzi – Aste SiC – sono caratterizzate da estremità fredde a bassa resistenza
(LRE), più fredde rispetto alle estremità fredde di qualunque altro pezzo. La temperatura massima delle
aste è 1550°C e, per una migliore efficienza energetica, il calore è concentrato all’interno del formo,
non sulle estremità delle aste.
Con il massimo rapporto Caldo:Freddo di 1:40, queste aste creano uno dei più efficienti riscaldatori in
carburo di silicio.

Resistenze a spirale singola “Reaction Bonded” (carburo di silicio legato per reazione)

Il carburo di silicio “reaction bonded” (legato per reazione) è utilizzato nella produzione di resistenze
in carburo di silicio a spirale (SPIRAL). Queste sono disponibili in diverse dimensioni, che vanno dai
12mm ai 50mm di diametro e 2250mm di lunghezza.
Si tratta di elementi riscaldanti a spirale, sagomati a parete sottile e a grana fine di carburo di silicio
“reaction bonded” (legato per reazione). Questi possono sopportare carichi elettrici elevati, rapidi cicli
di riscaldamento e raffreddamento e shock termici. Per soddisfare vari processi di riscaldamento, questi
prodotti sono disponibili in diversi formati.

 

Resistenze a spirale doppia “Reaction Bonded” (in carburo di silicio legato per reazione)

Le resistenze a spirale doppia “Reaction Bonded” presentano tutte le connessioni terminali ad una estremità che ha densità di 3.3 Gms./cc ? 3.4 Gma./ cc. Queste resistenze sono ideali nelle situazioni in cui l’accesso del forno è limitato ad un unico piano.

Resistenze a forma di “U” – SIC Rods

Le resistenze a forma di “U” sono delle
barre di carburo di silicio (SiC) collegate
da entrambi i terminali, a forma
di ponte “spesso”. Queste barre sono
ideali per le condizioni in cui una
sola asta non è in grado di attraversare
la camera di riscaldamento. Inoltre,
queste barre sono anche adatte
a sistemi a tubo radiante.

Resistenze in carburo di silicio a tamburo (o a manubrio)

Queste resistenze prendono il loro nome dal fatto di avere le estremità fredde in carburo di silicio più grandi. Le estremità fredde delle resistenze abbassano la resistenza elettrica, e l’aumentata sezione trasversale dell’estremità fredda aiuta ad abbassarne la temperatura di esercizio.
Nelle moderne barre a forma di manubrio “alpha rods”, la tecnologia avanzata è utilizzata per mantenere le estremità dei terminali fredde, cosicchè le estremità fredde “fuori misura” (oversized) non sono più necessarie..
Il rapporto delle resistenze di “vecchio stile” era 1:3. Il rapporto delle nuove resistenze è 1:40
La temperatura massima è 1550°C. (Per Dimensioni, Resistenza, etc, si prega di contattarci).