Perché i tubi di protezione delle termocoppie si guastano prematuramente o subiscono derive nei forni per vetro

Perché i tubi di protezione delle termocoppie si guastano prematuramente o subiscono derive nei forni per vetro

Dopo dodici anni di attività a supporto delle operazioni di fusione del vetro, un problema ricorrente è che le letture delle termocoppie subiscono una deriva graduale oppure che il tubo di protezione si guasta ben prima della campagna di manutenzione programmata. La temperatura del forno è stabile e l’elemento termocoppia è del tipo corretto, eppure la temperatura indicata subisce scostamenti di decine di gradi oppure il tubo si crepa o si assottiglia in corrispondenza della linea del vetro o nella camera di combustione. I fattori alla base di questo fenomeno sono il tasso di corrosione causato dai vapori alcalini o dal vetro fuso e la conducibilità termica del materiale del tubo, che insieme determinano sia la durata di vita che il ritardo nella risposta termica.

I tubi in allumina (tipicamente 99 % Al₂O₃) resistono abbastanza bene all’aggressione del vetro fuso e dei vapori alcalini grazie alla loro stabilità chimica, ma presentano una conduttività termica moderata (circa 25–30 W/m·K) e una resistenza limitata agli shock termici. I tubi in carburo di silicio, in particolare quelli sinterizzati o ricristallizzati, offrono una maggiore conduttività termica (spesso 30–50 W/m·K o più) e una migliore resistenza agli shock termici, il che riduce il ritardo di risposta; tuttavia, alcune qualità possono subire ossidazione superficiale o reazioni in atmosfere fortemente alcaline. La corrosione procede per reazione degli ossidi alcalini con la superficie del tubo, formando uno strato a basso punto di fusione che si dissolve o si sfalda lentamente. Nelle posizioni di immersione l’attacco è più rapido; nella corona o nella sovrastruttura l’attacco è guidato dalla condensazione del vapore. L’assottigliamento della parete aumenta il rischio di cedimenti meccanici, mentre una parete spessa o a bassa conducibilità aumenta la costante di tempo della misurazione.

In un forno per vetro in contenitori funzionante a 1450–1500 °C, sono stati installati due tubi di protezione chiusi alle estremità, affiancati nella corona, per 90 giorni. Il tubo in allumina (spessore originale della parete 6 mm) ha mostrato un assottigliamento medio di 1,2 mm nella zona più calda e una costante di tempo misurata di circa 45 secondi al variare del carico del bruciatore. Il tubo in carburo di silicio sinterizzato (spessore originale della parete 5 mm) ha mostrato un assottigliamento di 0,7 mm nelle stesse condizioni e una costante di tempo di circa 28 secondi. In nessuno dei due tubi si sono verificate crepe passanti. Dopo la rimozione, la superficie dell’allumina presentava un sottile strato di reazione contenente sodio e potassio; la superficie del carburo di silicio presentava una sottile incrostazione di silice con una penetrazione alcalina limitata. Le letture di temperatura provenienti dal tubo in carburo di silicio seguivano più da vicino le variazioni del processo, mentre quelle del tubo in allumina presentavano un ritardo tale da richiedere una banda morta di controllo più ampia.

La scelta del tubo comporta quindi un compromesso tra resistenza alla corrosione, conducibilità termica e spessore della parete in base alla specifica applicazione. Per il controllo della corrosione del vetro dei tubi di protezione delle termocoppie nei forni, le variabili pratiche sono la purezza del materiale, la densità e l’esposizione ai vapori alcalini rispetto al contatto diretto con il vetro. Le prestazioni del vetro delle guaine per termocoppie in allumina rispetto a quelle in SiC vengono confermate misurando la perdita di spessore delle pareti e il tempo di risposta nelle stesse condizioni del forno, piuttosto che basandosi esclusivamente sui dati di corrosione ottenuti in laboratorio. La durata del tubo della termocoppia nel vetro fuso si prolunga quando il materiale resiste sia all’attacco chimico che allo shock termico alla temperatura di esercizio. Quando le letture subiscono derive o i tubi si guastano prematuramente, la prova confermativa è data dalle misurazioni dello spessore delle pareti e dal ritardo osservato durante una variazione di temperatura nota. La scelta di un tubo con maggiore conduttività e adeguatamente resistente alla corrosione, come dimostrato dalla riduzione dell’assottigliamento da 1,2 mm a 0,7 mm e della costante di tempo da 45 s a 28 s nel confronto relativo alla corona, migliora sia la reattività della misurazione sia la durata di servizio nell’ambito dell’utilizzo nei forni per vetro.