Mica para aplicaciones de alta temperatura
Los sellos están expuestos a muchas cargas diferentes. Además de la presión que actúa sobre la junta y las tensiones provocadas por medios a veces agresivos, la temperatura también es un factor limitante en la elección del material. Los materiales comunes como el grafito alcanzan sus límites alrededor de los 500°C. Dado que muchas aplicaciones y procesos requieren temperaturas >500°C, los materiales a base de mica son una alternativa adecuada porque: La mica se caracteriza particularmente por su estabilidad térmica. Dependiendo de su tipo y composición, los límites de aplicación de la mica están entre 600°C y 1.000°C. Esta enorme ventaja de temperatura, en combinación con la excelente resistencia química del material, hace que la mica de alta calidad sea la campeona oculta para aplicaciones de alta temperatura.
Los peligros de la oxidación#
Como catalizador de la tendencia a la oxidación de un material (una reacción del sólido con el oxígeno atmosférico), además de la concentración de oxígeno, es decisiva la temperatura de funcionamiento. Los materiales de grafito, ampliamente utilizados, se caracterizan, por ejemplo, por una muy buena estanqueidad y bajas fugas. Sin embargo, dependiendo de la calidad del material, la oxidación comienza alrededor de los 350°C. Si el grafito se expone a altas temperaturas en medios oxidantes durante un período de tiempo más prolongado, el material tiende a perder masa. En una aplicación práctica específica, esto puede conducir a una reducción de la presión superficial y al fallo del sello. Como se muestra en la curva de Análisis Termogravimétrico (TGA) en la Figura 1, En los materiales de grafito, la pérdida de peso debida a la oxidación a temperaturas >600°C es desproporcionadamente alta y, desde un punto de vista técnico, excluye al grafito como material de sellado fiable. Es casi inevitable que la junta falle al poco tiempo. Aquí es donde los materiales de mica de alta calidad muestran importantes ventajas.
variedades de mica#
La mica es un mineral natural del grupo de los silicatos estratificados. Se clasifica en diferentes variedades. Sólo unos pocos tipos son adecuados como materiales de sellado. Estos incluyen mica flogopita especial. Sólo a temperaturas relativamente altas se produce la llamada calcinación en estos materiales. Durante este proceso, el agua unida a los cristales se elimina de la mica. Como resultado, las propiedades del material cambian. A diferencia de, por ejemplo, la mica moscovita utilizada como material aislante, en la que la calcinación comienza alrededor de los 600°C, la mica flogopita permanece estable hasta una temperatura de alrededor de 1.000°C.
Hasta 1000 °C: la mica flogopita es imbatible#
La mica flogopita es extremadamente resistente a la pérdida de volumen y peso inducida térmicamente y la calcinación crítica solo comienza a temperaturas superiores a 1000 °C. El papel de mica de flogopita refinado (p. ej. UniTherm) se utiliza para una gran cantidad de materiales de sellado. La proporción más baja posible de aglutinantes, como resinas de silicona o impregnaciones, promueve la elasticidad del sello y reduce las fugas al cerrar las vías de difusión/permeación.
La Figura 1 muestra los resultados del análisis termogravimétrico de un producto de mica flogopita de alta calidad (UniTherm) en función de la temperatura en comparación con un equivalente de mica como la vermiculita expandida química y térmicamente.
La pérdida de masa del material de flogopita es inferior al 5 % hasta una temperatura de 1.000 °C y es sólo la mitad de la pérdida de masa del material de comparación en el rango de temperatura crítico. La razón de esto suele ser la proporción del aglutinante que se evapora a temperatura elevada, lo cual es necesario para la producción de materiales de placas para la industria de sellado. Los métodos habituales para determinar los parámetros de fuga a temperatura ambiente sugieren inicialmente una buena estanqueidad para materiales con un alto contenido de aglutinante. Sin embargo, el panorama es diferente para aplicaciones en el rango de altas temperaturas. A temperaturas >600°C, la mica flogopita y la vermiculita expandida mencionada anteriormente son técnicamente equivalentes. Teniendo en cuenta los aspectos de costes y rentabilidad.
Figura 1: Análisis termo gravimétrico
A 800°C: un auténtico asado#
Las mediciones de fugas se basaron en juntas enrolladas en espiral (SG) con distintos rellenos: mica flogopita (UniTherm SG), vermiculita expandida (vermiculita expandida SG) y grafito puro (grafito SG). Los diagramas siguientes muestran los resultados de fugas en función de la presión superficial para una serie de experimentos realizados de conformidad con la norma EN 13555. Montaje experimental: presión de ensayo: 16 bares; medio de ensayo: helio; temperatura ambiente (figura 2); temperatura de ensayo: 800 °C (figura 3).
Observando únicamente las curvas de los materiales de alta temperatura, los gráficos son prácticamente idénticos a una carga térmica de 800°C. A partir de una presión superficial de unos 45 MPa, la junta con mica flogopita presenta valores de fuga mejorados en comparación con las demás probetas. Sin embargo, también está claro que mantener el cumplimiento de cualquier requisito específico de tasa de fuga, como L0,01 de acuerdo con VDI 2290, se convierte en una perspectiva tenue y lejana a tales temperaturas.
Contrariamente a lo esperado, el índice de fugas de las juntas espirales de grafito en la prueba de alta temperatura fue significativamente inferior al de las otras muestras. Sin embargo, hubo importantes indicios de fallo incluso después de un tiempo muy corto (24 h/60 MPa), hasta el colapso completo de la junta, como resultado de lo cual no se pudieron determinar mediciones de fugas útiles para el grafito.
La medición de fugas a temperatura ambiente es engañosa#
Con el fin de reducir el riesgo de fallo de estanquidad en aplicaciones de alta temperatura, el aglutinante evaporable se mantiene deliberadamente bajo en UniTherm. En comparación con los productos con un alto contenido de aglutinante, estos productos muestran valores de estanqueidad más bajos cuando se comprueba la estanqueidad a temperatura ambiente. Sin embargo, desde un punto de vista técnico, los valores de estanqueidad determinados a temperatura ambiente deben considerarse de forma crítica y cuestionarse. No es posible sacar conclusiones sobre las altas temperaturas presentes en las aplicaciones prácticas.
(imagen: mica_graphics-02.png)
Figura 2: Comparación de fugas a temperatura ambiente (presión de prueba 16 bar, He medio)
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Figura 3: Comparación de fugas a temperatura de prueba 800°C (presión de prueba 16 bar, He medio)
Conclusión#
Cuando se trata de seleccionar una junta para temperaturas de hasta 500°C, los productos de grafito ofrecen ventajas significativas debido a los bajos valores de fuga y a la muy buena resistencia química y física del material. Si la aplicación requiere una resistencia permanente a temperaturas superiores a 500°C, los materiales de mica ofrecen mucha más seguridad en términos de estabilidad térmica. Los productos de mica flogopita, en particular, se caracterizan por una extraordinaria fiabilidad bajo cargas permanentes de hasta 1.000°C. Además, debe tenerse en cuenta la cantidad de aglutinante. Cuanto menor sea el contenido de aglutinante, mejor será el rendimiento de la junta, ya que se reduce el asentamiento de la junta y la consiguiente pérdida de presión superficial bajo cargas de alta temperatura. Por tanto, la mica flogopita de alta calidad, aunque a menudo malinterpretada, es la campeona oculta en las aplicaciones de alta temperatura.