Warum Thermoelementschutzrohre in Glasöfen vorzeitig ausfallen oder Drift aufweisen

Warum Thermoelementschutzrohre in Glasöfen vorzeitig ausfallen oder Drift aufweisen

Nach zwölf Jahren im Einsatz bei Glasschmelzprozessen zeigt sich immer wieder das Problem, dass die Messwerte der Thermoelemente allmählich abweichen oder das Schutzrohr bereits weit vor Ablauf der geplanten Betriebsdauer versagt. Die Ofentemperatur ist stabil und das Thermoelement ist vom richtigen Typ, dennoch weicht die angezeigte Temperatur um mehrere Dutzend Grad ab oder das Rohr bekommt Risse oder wird an der Glaslinie oder im Brennraum dünner. Die zugrunde liegenden Faktoren sind die Korrosionsrate durch Alkalidämpfe oder geschmolzenes Glas sowie die Wärmeleitfähigkeit des Hülsenmaterials, die gemeinsam sowohl die Lebensdauer als auch die Verzögerung im Temperaturansprechen bestimmen.

Aluminiumoxidrohre (typischerweise 99 % Al₂O₃) widerstehen aufgrund ihrer chemischen Stabilität dem Angriff durch geschmolzenes Glas und Alkalidämpfe recht gut, weisen jedoch eine mäßige Wärmeleitfähigkeit (etwa 25–30 W/m·K) und eine begrenzte Temperaturwechselbeständigkeit auf. Siliziumkarbidrohre, insbesondere gesinterte oder rekristallisierte Sorten, bieten eine höhere Wärmeleitfähigkeit (oft 30–50 W/m·K oder mehr) und eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit, was die Reaktionsverzögerung verringert; bei einigen Sorten kann es jedoch in stark alkalischen Atmosphären zu Oberflächenoxidation oder Reaktionen kommen. Die Korrosion verläuft durch die Reaktion von Alkalioxiden mit der Rohroberfläche, wobei sich eine niedrigschmelzende Schicht bildet, die sich langsam auflöst oder abblättert. An Eintauchstellen verläuft der Angriff schneller; im Kronenbereich oder im Überbau wird der Angriff durch Dampfkondensation vorangetrieben. Eine Wandverdünnung erhöht das Risiko eines mechanischen Versagens, während eine dicke Wand oder eine Wand mit geringer Wärmeleitfähigkeit die Zeitkonstante der Messung erhöht.

In einem bei 1450–1500 °C betriebenen Glasbehälterofen wurden zwei geschlossene Schutzrohre 90 Tage lang nebeneinander in der Ofenkrone installiert. Das Aluminiumoxidrohr (ursprüngliche Wandstärke 6 mm) wies in der heißesten Zone eine durchschnittliche Wanddünnung von 1,2 mm und bei Änderung der Brennerlast eine gemessene Zeitkonstante von etwa 45 Sekunden auf. Das gesinterte Siliziumkarbidrohr (ursprüngliche Wandstärke 5 mm) wies unter denselben Bedingungen eine Wanddickenabnahme von 0,7 mm und eine Zeitkonstante von etwa 28 Sekunden auf. In keinem der beiden Rohre traten Durchgangsrisse auf. Nach dem Ausbau wies die Aluminiumoxid-Oberfläche eine dünne Reaktionsschicht auf, die Natrium und Kalium enthielt; die Siliziumkarbid-Oberfläche wies eine dünne Siliziumdioxid-Schicht mit begrenzter Alkalieindringung auf. Die Temperaturmesswerte des Siliziumkarbid-Rohrs folgten den Prozessänderungen genauer, während das Aluminiumoxid-Rohr so stark nacheilte, dass eine größere Regel-Totzone erforderlich war.

Bei der Auswahl der Rohre wird daher die Korrosionsbeständigkeit gegen die Wärmeleitfähigkeit und die Wandstärke für den jeweiligen Einsatzort abgewogen. Für den Korrosionsschutz von Thermoelement-Schutzrohren in Glasöfen sind die praktischen Variablen die Reinheit des Materials, die Dichte sowie die Einwirkung von Alkalidämpfen im Vergleich zum direkten Kontakt mit dem Glas. Die Leistungsfähigkeit von Thermoelement-Schutzrohren aus Aluminiumoxid im Vergleich zu SiC-Glas wird durch die Messung des Wandverlusts und der Ansprechzeit unter denselben Ofenbedingungen bestätigt und nicht allein durch Korrosionsdaten aus Laborversuchen. Die Lebensdauer von Thermoelementhülsen in geschmolzenem Glas wird verlängert, wenn das Material sowohl chemischen Angriffen als auch Thermoschocks bei der Betriebstemperatur standhält. Wenn Messwerte abweichen oder Hülsen vorzeitig ausfallen, liefern Wanddickenmessungen und die beobachtete Zeitverzögerung bei einer bekannten Temperaturänderung den entscheidenden Beweis. Die Wahl eines Rohrs mit höherer Leitfähigkeit und ausreichender Korrosionsbeständigkeit – wie durch die Verringerung der Wanddickenabnahme von 1,2 mm auf 0,7 mm und der Zeitkonstante von 45 s auf 28 s im Kronenvergleich gezeigt – verbessert sowohl die Ansprechgeschwindigkeit der Messung als auch die Lebensdauer im Glasofenbetrieb.