Waarom beschermbuizen voor thermokoppels in glasovens vroegtijdig defect raken of afwijken

Waarom beschermbuizen voor thermokoppels in glasovens vroegtijdig defect raken of afwijken

Na twaalf jaar ondersteuning van glassmeltprocessen is een terugkerend probleem dat de meetwaarden van thermokoppels geleidelijk afwijken of dat de beschermbuis ruim voor het geplande onderhoud uitvalt. De oventemperatuur is stabiel en het thermokoppelelement is van het juiste type, maar toch verschuift de aangegeven temperatuur met tientallen graden of vertoont de buis scheuren of verdunning bij de glaslijn of in de verbrandingsruimte. De onderliggende factoren zijn de corrosiesnelheid door alkalidampen of gesmolten glas en de thermische geleidbaarheid van het buismateriaal, die samen zowel de levensduur als de vertraging in de temperatuurrespons bepalen.

Aluminiumoxidebuizen (doorgaans 99 % Al₂O₃) zijn dankzij hun chemische stabiliteit redelijk goed bestand tegen aantasting door gesmolten glas en alkalidampen, maar ze hebben een matige warmtegeleidbaarheid (ongeveer 25–30 W/m·K) en een beperkte weerstand tegen thermische schokken. Siliciumcarbidebuizen, met name gesinterde of geherkristalliseerde soorten, bieden een hogere thermische geleidbaarheid (vaak 30–50 W/m·K of meer) en een betere weerstand tegen thermische schokken, wat de reactievertraging vermindert, maar bij sommige soorten kan oppervlakteoxidatie of een reactie optreden in sterk alkalische atmosferen. Corrosie vindt plaats door een reactie van alkali-oxiden met het buisoppervlak, waarbij een laag met een laag smeltpunt wordt gevormd die langzaam oplost of afbladdert. In ondergedompelde delen verloopt de aantasting sneller; in de kroon of bovenbouw wordt de aantasting aangedreven door dampcondensatie. Wandverdunning verhoogt het risico op mechanisch falen, terwijl een dikke wand of een wand met lage geleidbaarheid de tijdconstante van de meting vergroot.

In een glasoven voor de verwerking van glascontainers, die bij een temperatuur van 1450–1500 °C werkte, werden twee aan beide uiteinden afgesloten beschermbuizen gedurende 90 dagen naast elkaar in de ovenkroon geplaatst. De aluminiumoxidebuis (oorspronkelijke wanddikte 6 mm) vertoonde een gemiddelde wandverdunning van 1,2 mm in de heetste zone en een gemeten tijdconstante van ongeveer 45 seconden bij verandering van de branderbelasting. De gesinterde siliciumcarbidebuis (oorspronkelijke wanddikte 5 mm) vertoonde onder dezelfde omstandigheden een wandverdunning van 0,7 mm en een tijdconstante van ongeveer 28 seconden. In geen van beide buizen traden doorlopende scheuren op. Na verwijdering vertoonde het aluminiumoxideoppervlak een dunne reactielaag die natrium en kalium bevatte; het siliciumcarbideoppervlak vertoonde een dunne silicadraadlaag met beperkte alkali-indringing. De temperatuurmetingen van de siliciumcarbidebuis volgden de procesverandering nauwkeuriger, terwijl de aluminiumoxidebuis voldoende achterbleef om een grotere regel-dodezone te vereisen.

Bij de keuze van de buis wordt daarom een afweging gemaakt tussen corrosiebestendigheid, thermische geleidbaarheid en wanddikte, afgestemd op de specifieke toepassing. Voor de corrosiebeheersing in glasovens bij beschermbuizen voor thermokoppels zijn de praktische variabelen de zuiverheid van het materiaal, de dichtheid en de blootstelling aan alkalidampen versus direct contact met het glas. De prestaties van thermokoppelomhullingsglas van aluminiumoxide ten opzichte van SiC worden bevestigd door het meten van wandverlies en responstijd onder dezelfde ovenomstandigheden, in plaats van uitsluitend op basis van corrosiegegevens uit laboratoriumonderzoek. De levensduur van thermokoppelbuizen in gesmolten glas wordt verlengd wanneer het materiaal zowel bestand is tegen chemische aantasting als tegen thermische schokken bij de bedrijfstemperatuur. Wanneer meetwaarden afwijken of buizen voortijdig defect raken, wordt dit bevestigd door metingen van de wanddikte en de waargenomen tijdsvertraging tijdens een bekende temperatuurverandering. De keuze voor een buis met een hogere geleidbaarheid en voldoende corrosiebestendigheid – zoals blijkt uit de afname van de wanddikte van 1,2 mm naar 0,7 mm en van de tijdconstante van 45 s naar 28 s in de kroonvergelijking – verbetert zowel de meetrespons als de levensduur bij gebruik in glasovens.