Pourquoi les tubes de protection des thermocouples tombent-ils prématurément en panne ou subissent-ils une dérive dans les fours à verre ?

Pourquoi les tubes de protection des thermocouples tombent-ils prématurément en panne ou subissent-ils une dérive dans les fours à verre ?

Après douze ans passés à accompagner les opérations de fusion du verre, un problème récurrent se pose : les mesures des thermocouples dérivent progressivement ou le tube de protection cède bien avant la fin de la campagne prévue. La température du four est stable et l’élément thermocouple est du type approprié, mais la température indiquée varie de plusieurs dizaines de degrés, ou bien le tube se fissure ou s’amincit au niveau de la ligne de verre ou dans la chambre de combustion. Les facteurs sous-jacents sont le taux de corrosion dû aux vapeurs alcalines ou au verre fondu, ainsi que la conductivité thermique du matériau du tube, qui, ensemble, déterminent à la fois la durée de vie et le décalage dans la réponse thermique.

Les tubes en alumine (généralement 99 % Al₂O₃) résistent assez bien à l'attaque du verre fondu et des vapeurs alcalines grâce à leur stabilité chimique, mais ils présentent une conductivité thermique modérée (environ 25 à 30 W/m·K) et une résistance limitée aux chocs thermiques. Les tubes en carbure de silicium, en particulier les nuances frittées ou recristallisées, offrent une conductivité thermique plus élevée (souvent comprise entre 30 et 50 W/m·K, voire plus) et une meilleure résistance aux chocs thermiques, ce qui réduit le temps de réponse ; toutefois, certaines nuances peuvent subir une oxydation superficielle ou une réaction dans des atmosphères fortement alcalines. La corrosion se produit par réaction des oxydes alcalins avec la surface du tube, formant une couche à bas point de fusion qui se dissout ou s’effrite lentement. Dans les zones immergées, l’attaque est plus rapide ; au niveau de la couronne ou de la superstructure, elle est favorisée par la condensation de la vapeur. L’amincissement de la paroi augmente le risque de défaillance mécanique, tandis qu’une paroi épaisse ou à faible conductivité augmente la constante de temps de la mesure.

Dans un four à verre à cuve fonctionnant à une température comprise entre 1 450 et 1 500 °C, deux tubes de protection à extrémités fermées ont été installés côte à côte dans la couronne pendant 90 jours. Le tube en alumine (épaisseur initiale de 6 mm) a présenté un amincissement moyen de 1,2 mm dans la zone la plus chaude et une constante de temps mesurée d’environ 45 secondes lors d’une variation de la charge du brûleur. Le tube en carbure de silicium fritté (épaisseur initiale de 5 mm) a présenté un amincissement de 0,7 mm dans les mêmes conditions et une constante de temps d’environ 28 secondes. Aucune fissure traversante n’est apparue sur aucun des deux tubes. Après retrait, la surface de l’alumine présentait une fine couche de réaction contenant du sodium et du potassium ; la surface du carbure de silicium présentait une fine couche de silice avec une pénétration limitée des alcalis. Les relevés de température du tube en carbure de silicium suivaient de plus près les variations du processus, tandis que ceux du tube en alumine présentaient un décalage suffisant pour nécessiter une bande morte de régulation plus importante.

Le choix du tube consiste donc à trouver un équilibre entre la résistance à la corrosion, la conductivité thermique et l’épaisseur de paroi, en fonction de l’emplacement spécifique. Pour le contrôle de la corrosion des tubes de protection des thermocouples dans les fours à verre, les variables pratiques sont la pureté du matériau, sa densité, ainsi que l’exposition aux vapeurs alcalines par opposition au contact direct avec le verre. Les performances comparatives des gaines en verre d’alumine et en carbure de silicium (SiC) pour thermocouples sont confirmées par la mesure de l’amincissement des parois et du temps de réponse dans les mêmes conditions de four, plutôt que par les seules données de corrosion obtenues en laboratoire. La durée de vie des tubes de thermocouples dans le verre fondu est prolongée lorsque le matériau résiste à la fois aux attaques chimiques et aux chocs thermiques à la température de fonctionnement. Lorsque les mesures dérivent ou que les tubes tombent prématurément en panne, les preuves confirmant ce phénomène sont les mesures de l’épaisseur de paroi et le décalage temporel observé lors d’un changement de température connu. Le choix d’un tube présentant une conductivité plus élevée et une résistance adéquate à la corrosion, comme le montre la réduction de l’amincissement de 1,2 mm à 0,7 mm et de la constante de temps de 45 s à 28 s dans la comparaison des couronnes, améliore à la fois la réactivité des mesures et la durée de vie en service dans les fours à verre.