Γιατί οι σωλήνες προστασίας θερμοστοιχείων παρουσιάζουν πρόωρη βλάβη ή απόκλιση στους κλιβάνους γυαλιού

Γιατί οι σωλήνες προστασίας θερμοστοιχείων παρουσιάζουν πρόωρη βλάβη ή απόκλιση στους κλιβάνους γυαλιού

Μετά από δώδεκα χρόνια υποστήριξης των εργασιών τήξης γυαλιού, ένα επαναλαμβανόμενο πρόβλημα είναι ότι οι ενδείξεις των θερμοστοιχείων παρουσιάζουν σταδιακή απόκλιση ή ότι ο σωλήνας προστασίας παρουσιάζει βλάβη πολύ πριν από την προγραμματισμένη συντήρηση. Η θερμοκρασία του κλιβάνου είναι σταθερή και το θερμοστοιχείο είναι του σωστού τύπου, ωστόσο η ενδείκνυόμενη θερμοκρασία παρουσιάζει απόκλιση δεκάδων βαθμών ή ο σωλήνας ραγίζει ή λεπταίνει στη γραμμή του γυαλιού ή στον χώρο καύσης. Οι βασικοί παράγοντες είναι ο ρυθμός διάβρωσης από ατμούς αλκαλίων ή λιωμένο γυαλί και η θερμική αγωγιμότητα του υλικού του σωλήνα, οι οποίοι από κοινού καθορίζουν τόσο τη διάρκεια ζωής όσο και την καθυστέρηση στην απόκριση της θερμοκρασίας.

Οι σωλήνες αλουμίνας (συνήθως 99 % Al₂O₃) αντέχουν αρκετά καλά στη διάβρωση από το λιωμένο γυαλί και τους αλκαλικούς ατμούς λόγω της χημικής τους σταθερότητας, αλλά έχουν μέτρια θερμική αγωγιμότητα (περίπου 25–30 W/m·K) και περιορισμένη αντοχή σε θερμικά σοκ. Οι σωλήνες από καρβίδιο του πυριτίου, ιδίως οι πυροσυσσωματωμένοι ή οι ανακρυσταλλωμένοι τύποι, προσφέρουν υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα (συχνά 30–50 W/m·K ή και περισσότερο) και καλύτερη αντοχή σε θερμικά σοκ, γεγονός που μειώνει την καθυστέρηση απόκρισης, αλλά ορισμένοι τύποι ενδέχεται να παρουσιάσουν επιφανειακή οξείδωση ή αντίδραση σε έντονα αλκαλικές ατμόσφαιρες. Η διάβρωση προχωρά μέσω της αντίδρασης αλκαλικών οξειδίων με την επιφάνεια του σωλήνα, σχηματίζοντας ένα στρώμα χαμηλού σημείου τήξης που διαλύεται ή αποσπάται αργά. Σε θέσεις εμβάπτισης η διάβρωση είναι ταχύτερη· στην κορυφή ή στην υπερκατασκευή η διάβρωση προκαλείται από τη συμπύκνωση ατμών. Η μείωση του πάχους του τοιχώματος αυξάνει τον κίνδυνο μηχανικής αστοχίας, ενώ ένα παχύ τοίχωμα ή ένα τοίχωμα χαμηλής αγωγιμότητας αυξάνει τη χρονική σταθερά της μέτρησης.

Σε έναν κλίβανο γυαλιού-δοχείου που λειτουργούσε σε θερμοκρασία 1450–1500 °C, τοποθετήθηκαν δύο σωλήνες προστασίας με κλειστά άκρα ο ένας δίπλα στον άλλο στην κορυφή του κλιβάνου για 90 ημέρες. Ο σωλήνας αλουμίνας (αρχικό πάχος τοιχώματος 6 mm) παρουσίασε μέση μείωση πάχους 1,2 mm στη θερμότερη ζώνη και μια μετρημένη χρονική σταθερά περίπου 45 δευτερολέπτων όταν άλλαξε το φορτίο του καυστήρα. Ο σωλήνας από πυροσυσσωματωμένο καρβίδιο του πυριτίου (αρχικό πάχος τοιχώματος 5 mm) παρουσίασε αραίωση 0,7 mm υπό τις ίδιες συνθήκες και χρονική σταθερά περίπου 28 δευτερολέπτων. Δεν παρατηρήθηκαν διαμπερείς ρωγμές σε κανέναν από τους δύο σωλήνες. Μετά την αφαίρεση, η επιφάνεια της αλουμίνας παρουσίαζε ένα λεπτό στρώμα αντίδρασης που περιείχε νάτριο και κάλιο· η επιφάνεια του καρβιδίου του πυριτίου παρουσίαζε μια λεπτή επικάλυψη πυριτίου με περιορισμένη διείσδυση αλκαλίων. Οι μετρήσεις θερμοκρασίας από τον σωλήνα καρβιδίου του πυριτίου παρακολουθούσαν πιο στενά τις μεταβολές της διεργασίας, ενώ ο σωλήνας αλουμίνας παρουσίαζε επαρκή καθυστέρηση ώστε να απαιτείται μεγαλύτερη νεκρή ζώνη ελέγχου.

Η επιλογή του σωλήνα, επομένως, εξισορροπεί την αντοχή στη διάβρωση με τη θερμική αγωγιμότητα και το πάχος του τοιχώματος για τη συγκεκριμένη θέση. Όσον αφορά τον έλεγχο της διάβρωσης του γυαλιού των σωλήνων προστασίας θερμοστοιχείων σε κλιβάνους, οι πρακτικές μεταβλητές είναι η καθαρότητα του υλικού, η πυκνότητα και η έκθεση σε ατμούς αλκαλίων σε σύγκριση με την άμεση επαφή με το γυαλί. Η απόδοση του γυαλιού του περιβλήματος θερμοστοιχείου από αλουμίνα έναντι SiC επιβεβαιώνεται με τη μέτρηση της απώλειας πάχους τοιχώματος και του χρόνου απόκρισης υπό τις ίδιες συνθήκες κλιβάνου και όχι μόνο από εργαστηριακά δεδομένα διάβρωσης. Η διάρκεια ζωής του σωλήνα θερμοστοιχείου σε λιωμένο γυαλί παρατείνεται όταν το υλικό αντέχει τόσο στη χημική διάβρωση όσο και στο θερμικό σοκ στη θερμοκρασία λειτουργίας. Όταν οι μετρήσεις παρουσιάζουν απόκλιση ή οι σωλήνες παρουσιάζουν πρόωρη βλάβη, τα αποδεικτικά στοιχεία είναι οι μετρήσεις του πάχους του τοιχώματος και η παρατηρούμενη χρονική υστέρηση κατά τη διάρκεια μιας γνωστής μεταβολής της θερμοκρασίας. Η επιλογή ενός σωλήνα υψηλότερης αγωγιμότητας και επαρκούς αντοχής στη διάβρωση, όπως αποδεικνύεται από τη μείωση της απώλειας πάχους από 1,2 mm σε 0,7 mm και της χρονικής σταθεράς από 45 s σε 28 s στη σύγκριση των κορωνών, βελτιώνει τόσο την ανταπόκριση της μέτρησης όσο και τη διάρκεια ζωής κατά τη λειτουργία σε κλιβάνους γυαλιού.