Por qué los tubos de protección de termopares fallan prematuramente o sufren desviaciones en los hornos de vidrio

Por qué los tubos de protección de termopares fallan prematuramente o sufren desviaciones en los hornos de vidrio

Tras doce años prestando apoyo a las operaciones de fusión de vidrio, un problema recurrente es que las lecturas de los termopares se desvían gradualmente o que el tubo de protección falla mucho antes de la campaña programada. La temperatura del horno es estable y el elemento del termopar es del tipo correcto; sin embargo, la temperatura indicada varía en decenas de grados o el tubo se agrieta o se adelgaza en la línea de vidrio o en la cámara de combustión. Los factores subyacentes son la velocidad de corrosión provocada por los vapores alcalinos o el vidrio fundido y la conductividad térmica del material del tubo, que, en conjunto, determinan tanto la vida útil como el retraso en la respuesta térmica.

Los tubos de alúmina (normalmente 99 % Al₂O₃) resisten bastante bien el ataque del vidrio fundido y los vapores alcalinos gracias a su estabilidad química, pero tienen una conductividad térmica moderada (alrededor de 25-30 W/m·K) y una resistencia limitada al choque térmico. Los tubos de carburo de silicio, especialmente los de tipos sinterizados o recristalizados, ofrecen una mayor conductividad térmica (a menudo de 30-50 W/m·K o más) y una mejor resistencia a los choques térmicos, lo que reduce el retraso en la respuesta; sin embargo, algunos tipos pueden sufrir oxidación superficial o reacciones en atmósferas fuertemente alcalinas. La corrosión se produce por la reacción de los óxidos alcalinos con la superficie del tubo, formando una capa de bajo punto de fusión que se disuelve o se desprende lentamente. En las zonas de inmersión, el ataque es más rápido; en la corona o superestructura, el ataque se debe a la condensación del vapor. El adelgazamiento de la pared aumenta el riesgo de fallo mecánico, mientras que una pared gruesa o de baja conductividad aumenta la constante de tiempo de la medición.

En un horno de vidrio de recipiente que funcionaba a una temperatura de entre 1450 y 1500 °C, se instalaron dos tubos de protección de extremos cerrados uno al lado del otro en la corona durante 90 días. El tubo de alúmina (espesor original de 6 mm) presentó un adelgazamiento medio de 1,2 mm en la zona más caliente y una constante de tiempo medida de aproximadamente 45 segundos cuando se modificó la carga del quemador. El tubo de carburo de silicio sinterizado (espesor original de 5 mm) presentó un adelgazamiento de 0,7 mm en las mismas condiciones y una constante de tiempo de aproximadamente 28 segundos. No se produjeron grietas pasantes en ninguno de los dos tubos. Tras su retirada, la superficie de la alúmina presentaba una fina capa de reacción que contenía sodio y potasio; la superficie del carburo de silicio presentaba una fina capa de sílice con una penetración alcalina limitada. Las lecturas de temperatura del tubo de carburo de silicio seguían más de cerca los cambios del proceso, mientras que las del tubo de alúmina presentaban un retraso suficiente como para requerir una banda muerta de control mayor.

Por lo tanto, la selección del tubo implica encontrar un equilibrio entre la resistencia a la corrosión, la conductividad térmica y el espesor de la pared para cada ubicación específica. En lo que respecta al control de la corrosión en los hornos de vidrio de los tubos protectores de termopares, las variables prácticas son la pureza del material, la densidad y la exposición al vapor alcalino frente al contacto directo con el vidrio. El rendimiento del vidrio de la vaina del termopar, ya sea de alúmina o de SiC, se confirma midiendo la pérdida de espesor de la pared y el tiempo de respuesta en las mismas condiciones del horno, en lugar de basarse únicamente en datos de corrosión de laboratorio. La vida útil del tubo del termopar en vidrio fundido se prolonga cuando el material resiste tanto el ataque químico como el choque térmico a la temperatura de funcionamiento. Cuando las lecturas se desvían o los tubos fallan prematuramente, la prueba confirmatoria son las mediciones del espesor de la pared y el retraso observado durante un cambio de temperatura conocido. La elección de un tubo de mayor conductividad y con una resistencia adecuada a la corrosión —como demuestra la reducción del adelgazamiento de 1,2 mm a 0,7 mm y de la constante de tiempo de 45 s a 28 s en la comparación de la corona— mejora tanto la capacidad de respuesta de la medición como la vida útil en el servicio de hornos de vidrio.