Dlaczego rurki ochronne termopar ulegają przedwczesnemu zużyciu lub wykazują odchylenia w piecach szklarskich

Dlaczego rurki ochronne termopar ulegają przedwczesnemu zużyciu lub wykazują odchylenia w piecach szklarskich

Po dwunastu latach eksploatacji w procesie topienia szkła powtarzającym się problemem jest stopniowe odchylenie odczytów termopary lub uszkodzenie rurki ochronnej na długo przed planowanym przeglądem. Temperatura pieca jest stabilna, a element termopary jest odpowiedniego typu, jednak wskazywana temperatura zmienia się o dziesiątki stopni, a rurka pęka lub ulega przerzedzeniu na linii szklanej lub w komorze spalania. Czynniki leżące u podstaw tego zjawiska to tempo korozji spowodowanej oparami alkaliów lub stopionym szkłem oraz przewodność cieplna materiału, z którego wykonana jest rurka, które łącznie determinują zarówno żywotność, jak i opóźnienie w reakcji na zmianę temperatury.

Rury z tlenku glinu (zazwyczaj 99 % Al₂O₃) dzięki swojej stabilności chemicznej dość dobrze wytrzymują oddziaływanie stopionego szkła i oparów alkaliów, ale charakteryzują się umiarkowaną przewodnością cieplną (około 25–30 W/m·K) oraz ograniczoną odpornością na szok termiczny. Rury z węglika krzemu, zwłaszcza gatunki spiekane lub rekrystalizowane, charakteryzują się wyższą przewodnością cieplną (często 30–50 W/m·K lub więcej) oraz lepszą odpornością na szok termiczny, co zmniejsza opóźnienie reakcji, jednak niektóre gatunki mogą ulegać utlenianiu powierzchniowemu lub wchodzić w reakcje w silnie alkalicznych atmosferach. Korozja przebiega w wyniku reakcji tlenków metali alkalicznych z powierzchnią rury, tworząc warstwę o niskiej temperaturze topnienia, która powoli się rozpuszcza lub odpryskuje. W miejscach zanurzonych korozja przebiega szybciej; w koronie lub nadbudowie korozja jest napędzana przez kondensację pary. Zmniejszenie grubości ścianki zwiększa ryzyko uszkodzenia mechanicznego, natomiast gruba ścianka lub ścianka o niskiej przewodności zwiększa stałą czasową pomiaru.

W piecu do produkcji szkła kontenerowego, pracującym w temperaturze 1450–1500 °C, w koronie pieca zamontowano obok siebie dwie rury ochronne z zamkniętymi końcami, które pozostawały tam przez 90 dni. Rura z tlenku glinu (pierwotna grubość ścianki 6 mm) wykazała średnie zmniejszenie grubości o 1,2 mm w najgorętszej strefie oraz zmierzoną stałą czasową wynoszącą około 45 sekund po zmianie obciążenia palnika. Rura ze spiekanego węglika krzemu (pierwotna grubość ścianki 5 mm) wykazała w tych samych warunkach zmniejszenie grubości o 0,7 mm oraz stałą czasową wynoszącą około 28 sekund. W żadnej z rur nie wystąpiły pęknięcia przelotowe. Po demontażu na powierzchni rury z tlenku glinu widoczna była cienka warstwa reakcyjna zawierająca sód i potas; na powierzchni rury z węglika krzemu widoczna była cienka warstwa krzemionkowa z ograniczoną penetracją metali alkalicznych. Odczyty temperatury z rury z węglika krzemu dokładniej odzwierciedlały zmiany w procesie, podczas gdy rura z tlenku glinu wykazywała opóźnienie wymagające zastosowania większego martwego pasma regulacji.

Dobór rur polega zatem na znalezieniu równowagi między odpornością na korozję a przewodnością cieplną oraz grubością ścianek w konkretnym miejscu zastosowania. W przypadku kontroli korozji w piecu szklarskim w odniesieniu do rur ochronnych termopar praktycznymi zmiennymi są czystość materiału, gęstość oraz narażenie na działanie oparów alkaliów w porównaniu z bezpośrednim kontaktem ze szkłem. Wydajność szkła osłonowego termopar z tlenku glinu w porównaniu z węglikiem krzemu (SiC) potwierdza się poprzez pomiar utraty grubości ścianki i czasu reakcji w tych samych warunkach piecowych, a nie wyłącznie na podstawie laboratoryjnych danych dotyczących korozji. Żywotność rurki termopary w stopionym szkle ulega wydłużeniu, gdy materiał jest odporny zarówno na oddziaływanie chemiczne, jak i na szok termiczny w temperaturze roboczej. Gdy odczyty ulegają dryftowi lub rurki ulegają przedwczesnej awarii, potwierdzeniem tego są pomiary grubości ścianki oraz obserwowane opóźnienie czasowe podczas znanej zmiany temperatury. Wybór rurki o wyższej przewodności i odpowiedniej odporności na korozję – co pokazuje zmniejszenie cienkości ścianki z 1,2 mm do 0,7 mm oraz skrócenie stałej czasowej z 45 s do 28 s w porównaniu w części korony – poprawia zarówno szybkość reakcji pomiarowej, jak i żywotność podczas pracy w piecu do topienia szkła.