Por que razão os tubos de proteção dos termopares apresentam falhas prematuras ou desvios nos fornos de vidro

Por que razão os tubos de proteção dos termopares apresentam falhas prematuras ou desvios nos fornos de vidro

Após doze anos a apoiar operações de fusão de vidro, um problema recorrente é o desvio gradual das leituras dos termopares ou a falha do tubo de proteção muito antes do fim da campanha programada. A temperatura do forno é estável e o elemento do termopar é do tipo correto, mas a temperatura indicada varia em dezenas de graus ou o tubo racha ou fica mais fino na linha de vidro ou na câmara de combustão. Os fatores subjacentes são a taxa de corrosão causada pelos vapores alcalinos ou pelo vidro fundido e a condutividade térmica do material do tubo, que, em conjunto, determinam tanto a vida útil como o atraso na resposta à temperatura.

Os tubos de alumina (normalmente 99 % Al₂O₃) resistem razoavelmente bem ao ataque do vidro fundido e dos vapores alcalinos devido à sua estabilidade química, mas apresentam uma condutividade térmica moderada (cerca de 25–30 W/m·K) e uma resistência limitada ao choque térmico. Os tubos de carboneto de silício, particularmente os de tipos sinterizados ou recristalizados, oferecem maior condutividade térmica (frequentemente 30–50 W/m·K ou mais) e melhor resistência ao choque térmico, o que reduz o atraso na resposta; no entanto, alguns tipos podem sofrer oxidação superficial ou reação em atmosferas fortemente alcalinas. A corrosão ocorre por reação de óxidos alcalinos com a superfície do tubo, formando uma camada de baixo ponto de fusão que se dissolve ou se desprende lentamente. Em posições de imersão, o ataque é mais rápido; na coroa ou na superestrutura, o ataque é impulsionado pela condensação de vapor. O afinamento da parede aumenta o risco de falha mecânica, enquanto uma parede espessa ou de baixa condutividade aumenta a constante de tempo da medição.

Num forno de vidro para recipientes a funcionar a 1450–1500 °C, foram instalados dois tubos de proteção de extremidade fechada, lado a lado, na coroa, durante 90 dias. O tubo de alumina (espessura original da parede de 6 mm) apresentou um afinamento médio de 1,2 mm na zona mais quente e uma constante de tempo medida de aproximadamente 45 segundos quando a carga do queimador foi alterada. O tubo de carboneto de silício sinterizado (espessura original da parede de 5 mm) apresentou um afinamento de 0,7 mm nas mesmas condições e uma constante de tempo de aproximadamente 28 segundos. Não ocorreram fissuras de passagem em nenhum dos tubos. Após a remoção, a superfície da alumina apresentava uma fina camada de reação contendo sódio e potássio; a superfície do carboneto de silício apresentava uma fina camada de sílica com penetração alcalina limitada. As leituras de temperatura do tubo de carboneto de silício acompanharam a variação do processo de forma mais precisa, enquanto o tubo de alumina apresentou um atraso suficiente para exigir uma banda morta de controlo maior.

A seleção do tubo equilibra, portanto, a resistência à corrosão com a condutividade térmica e a espessura da parede para a localização específica. No que diz respeito ao controlo da corrosão do vidro dos tubos de proteção de termopares em fornos, as variáveis práticas são a pureza do material, a densidade e a exposição ao vapor alcalino em comparação com o contacto direto com o vidro. O desempenho do vidro da bainha do termopar de alumina em comparação com o de SiC é confirmado através da medição da perda de espessura da parede e do tempo de resposta nas mesmas condições do forno, em vez de se basear apenas em dados laboratoriais de corrosão. A vida útil do tubo do termopar em vidro fundido é prolongada quando o material resiste tanto ao ataque químico como ao choque térmico à temperatura de funcionamento. Quando as leituras apresentam desvios ou os tubos falham prematuramente, a evidência confirmativa reside nas medições da espessura da parede e no atraso observado durante uma variação de temperatura conhecida. A escolha de um tubo com maior condutividade e resistência adequada à corrosão — como demonstrado pela redução do afinamento de 1,2 mm para 0,7 mm e da constante de tempo de 45 s para 28 s na comparação da coroa — melhora tanto a capacidade de resposta das medições como a vida útil em aplicações de fornos de vidro.