لماذا تتعطل أنابيب حماية المزدوجات الحرارية مبكرًا أو تتعرض للانحراف في أفران الزجاج

لماذا تتعطل أنابيب حماية المزدوجات الحرارية مبكرًا أو تتعرض للانحراف في أفران الزجاج

بعد اثني عشر عامًا من دعم عمليات صهر الزجاج، تكررت مشكلة تتمثل في الانحراف التدريجي لقراءات المزدوجات الحرارية أو تعطل أنبوب الحماية قبل وقت طويل من موعد الحملة المقررة. ورغم استقرار درجة حرارة الفرن واستخدام النوع الصحيح من المزدوجات الحرارية، فإن درجة الحرارة المُشار إليها تتغير بمقدار عشرات الدرجات، أو يتشقق الأنبوب أو يتآكل عند خط الزجاج أو في حجرة الاحتراق. وتكمن العوامل الأساسية في معدل التآكل الناتج عن أبخرة القلويات أو الزجاج المنصهر، بالإضافة إلى الموصلية الحرارية لمادة الأنبوب، وهما العاملان اللذان يحددان معًا كل من العمر التشغيلي والتأخر في استجابة درجة الحرارة.

تتمتع أنابيب الألومينا (عادةً 99 % Al₂O₃) بمقاومة معقولة للتآكل الناتج عن الزجاج المنصهر وأبخرة القلويات بفضل استقرارها الكيميائي، لكنها تتميز بموصلية حرارية معتدلة (تتراوح بين 25 و30 وات/م·كلفن) ومقاومة محدودة للصدمات الحرارية. توفر أنابيب كربيد السيليكون، ولا سيما الأنواع الملبدة أو المعاد بلورتها، موصلية حرارية أعلى (غالبًا ما تتراوح بين 30 و50 وات/م·كلفن أو أكثر) ومقاومة أفضل للصدمات، مما يقلل من تأخر الاستجابة، لكن بعض الأنواع قد تتعرض لأكسدة السطح أو للتفاعل في الأجواء شديدة القلوية. يحدث التآكل عن طريق تفاعل أكاسيد القلويات مع سطح الأنبوب، مما يؤدي إلى تكوين طبقة منخفضة الانصهار تتحلل أو تتفتت ببطء. يكون التآكل أسرع في مناطق الغمر؛ أما في التاج أو الهيكل العلوي، فيحدث التآكل بفعل تكثف البخار. ويؤدي ترقق الجدار إلى زيادة خطر حدوث عطل ميكانيكي، في حين أن الجدار السميك أو ذو الموصلية المنخفضة يزيد من الثابت الزمني للقياس.

في فرن زجاجي يعمل بدرجة حرارة تتراوح بين 1450 و1500 درجة مئوية، تم تركيب أنبوبين واقيين مغلقين الطرفين جنبًا إلى جنب في الجزء العلوي من الفرن لمدة 90 يومًا. أظهر أنبوب الألومينا (سمك الجدار الأصلي 6 مم) ترققًا متوسطًا قدره 1.2 مم في المنطقة الأكثر سخونة وثابتًا زمنيًا مقاسًا يبلغ حوالي 45 ثانية عند تغيير حمل الموقد. أما أنبوب كربيد السيليكون الملبد (سمك الجدار الأصلي 5 مم) فقد أظهر ترققًا بمقدار 0.7 مم في ظل نفس الظروف وثابت زمني يبلغ حوالي 28 ثانية. ولم تحدث أي شقوق نافذة في أي من الأنبوبين. بعد الإزالة، ظهرت على سطح الألومينا طبقة تفاعل رقيقة تحتوي على الصوديوم والبوتاسيوم؛ بينما ظهر على سطح كربيد السيليكون قشرة رقيقة من السيليكا مع تغلغل محدود للقلويات. كانت قراءات درجة الحرارة من أنبوب كربيد السيليكون تتبع التغيرات في العملية بشكل أوثق، في حين تأخر أنبوب الألومينا بدرجة كافية لتتطلب نطاقًا ميتًا أكبر للتحكم.

وبالتالي، فإن اختيار الأنبوب يوازن بين مقاومة التآكل والتوصيل الحراري وسماكة الجدار وفقًا للموقع المحدد. وبالنسبة للتحكم في تآكل أنابيب حماية المزدوجات الحرارية في الأفران الزجاجية، فإن المتغيرات العملية هي نقاء المادة وكثافتها، والتعرض لأبخرة القلويات مقابل التلامس المباشر مع الزجاج. يتم تأكيد أداء زجاج غلاف المزدوجات الحرارية المصنوع من الألومينا مقابل زجاج غلاف المزدوجات الحرارية المصنوع من كربيد السيليكون (SiC) من خلال قياس فقدان سماكة الجدار ووقت الاستجابة في ظل نفس ظروف الفرن، وليس بالاعتماد على بيانات التآكل المختبرية وحدها. يتم إطالة عمر أنبوب المزدوج الحراري في الزجاج المنصهر عندما تقاوم المادة كل من الهجوم الكيميائي والصدمة الحرارية عند درجة حرارة التشغيل. وعندما تنحرف القراءات أو تتعطل الأنابيب مبكرًا، فإن الدليل المؤكد هو قياسات سماكة الجدار والتأخر الزمني الملحوظ أثناء تغير معروف في درجة الحرارة. إن اختيار أنبوب ذي موصلية أعلى ومقاوم للتآكل بشكل كافٍ، كما يتضح من انخفاض سماكة الجدار من 1.2 مم إلى 0.7 مم وانخفاض الثابت الزمني من 45 ثانية إلى 28 ثانية في مقارنة التاج، يحسّن كلاً من استجابة القياس وعمر الخدمة في عمليات فرن الزجاج.