ガラス炉において、熱電対保護管が早期に破損したり、ドリフトが生じたりする理由

ガラス炉において、熱電対保護管が早期に破損したり、ドリフトが生じたりする理由

12年間にわたりガラス溶融作業を支援してきた中で、繰り返し発生する問題として、熱電対の測定値が徐々にドリフトしたり、予定された点検時期よりもかなり前に保護管が破損したりすることが挙げられます。炉内温度は安定しており、熱電対の素子も適切なタイプであるにもかかわらず、表示温度が数十度ずれたり、ガラスラインや燃焼室内で保護管にひび割れや薄化が生じたりします。 その根本的な要因は、アルカリ蒸気や溶融ガラスによる腐食速度と、保護管材料の熱伝導率にあり、これら2つの要因が相まって、耐用年数と温度応答の遅れを決定づけています。.

アルミナ管（通常は99 % Al₂O₃）は、その化学的安定性により、溶融ガラスやアルカリ蒸気による腐食に対してかなり高い耐性を示しますが、熱伝導率は中程度（約25～30 W/m·K）であり、耐熱衝撃性も限られています。 炭化ケイ素管、特に焼結品や再結晶品は、より高い熱伝導率（多くの場合30～50 W/m·K以上）と優れた耐熱衝撃性を備えており、これにより応答の遅れが軽減されるが、一部のグレードでは、強アルカリ性雰囲気下で表面の酸化や反応が生じることがある。 腐食は、アルカリ酸化物が管の表面と反応して低融点の層を形成し、それが徐々に溶解または剥離することで進行します。浸漬部分では腐食が速く進行し、クラウン部や上部構造では、水蒸気の凝縮によって腐食が促進されます。 壁厚の減少は機械的破損のリスクを高める一方、壁が厚い場合や熱伝導率が低い場合は、測定の時定数が増加する。.

1450～1500 °Cで稼働するコンテナ式ガラス炉において、2本の閉端型保護管を炉冠部に並べて設置し、90日間試験を行った。 アルミナ管（当初の肉厚 6 mm）は、最も高温となる領域で平均 1.2 mm の肉厚減少が見られ、バーナーの負荷を変更した際の測定された時定数は約 45 秒であった。 焼結炭化ケイ素管（当初の肉厚 5 mm）は、同じ条件下で 0.7 mm の薄化が見られ、時間定数は約 28 秒でした。いずれの管にも貫通亀裂は発生しませんでした。 取り外し後、アルミナ管の表面にはナトリウムとカリウムを含む薄い反応層が形成されていたのに対し、炭化ケイ素管の表面には、アルカリの浸透が限定的な薄いシリカスケールが形成されていた。炭化ケイ素管からの温度測定値はプロセスの変化をより忠実に追跡していたのに対し、アルミナ管は遅れが生じていたため、より大きな制御デッドバンドが必要となった。.

したがって、保護管の選定にあたっては、設置場所に応じて耐食性と熱伝導率、および肉厚のバランスを考慮する必要があります。熱電対保護管のガラス炉内での耐食性管理において、実用上の変数となるのは、材料の純度、密度、およびアルカリ蒸気への曝露とガラスとの直接接触の有無です。 アルミナ製とSiC製の熱電対シースガラスの性能比較は、実験室での腐食データのみではなく、同一の炉条件下での肉厚減少量と応答時間を測定することで確認される。 溶融ガラス中における熱電対シースの寿命は、その材料が動作温度において化学的侵食と熱衝撃の両方に耐えることで延長されます。測定値にドリフトが生じたり、シースが早期に破損したりした場合、その裏付けとなる証拠は、肉厚の測定値と、既知の温度変化中に観察される時間遅れです。 クラウン比較において、薄化が1.2 mmから0.7 mmへ、時定数が45秒から28秒へと減少したことが示すように、導電率が高く、十分な耐食性を備えたチューブを選択することで、ガラス炉での使用における測定応答性と耐用年数の両方が向上します。.