Por que os tubos de proteção de termopares apresentam falhas prematuras ou desvios em fornos de vidro

Por que os tubos de proteção de termopares apresentam falhas prematuras ou desvios em fornos de vidro

Após doze anos de experiência no suporte a operações de fusão de vidro, um problema recorrente é que as leituras dos termopares sofrem desvios graduais ou que o tubo de proteção apresenta falhas muito antes do fim da campanha programada. A temperatura do forno é estável e o elemento do termopar é do tipo correto; no entanto, a temperatura indicada sofre desvios de 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 por vapores alcalinos ou vidro fundido e a condutividade térmica do material do tubo, que, juntos, determinam tanto a vida útil quanto 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 condutividade térmica moderada (em torno de 25–30 W/m·K) e resistência limitada ao choque térmico. Os tubos de carboneto de silício, particularmente os tipos sinterizados ou recristalizados, oferecem maior condutividade térmica (frequentemente de 30 a 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 desintegra 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.

Em um forno de vidro para recipientes operando a 1.450–1.500 °C, dois tubos de proteção de extremidade fechada foram instalados lado a lado na coroa do forno por 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 rachaduras 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 mais de perto, enquanto o tubo de alumina apresentou um atraso suficiente para exigir uma banda morta de controle maior.

A escolha do tubo, portanto, envolve um equilíbrio entre resistência à corrosão, condutividade térmica e espessura da parede, de acordo com a localização específica. Para o controle 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 contato direto com o vidro. O desempenho do vidro da bainha do termopar de alumina em comparação com o de SiC é confirmado pela medição da perda de espessura da parede e do tempo de resposta nas mesmas condições do forno, e não apenas por dados de corrosão de laboratório. A vida útil do tubo do termopar em vidro fundido é prolongada quando o material resiste tanto ao ataque químico quanto ao choque térmico na temperatura de operação. Quando as leituras apresentam desvio ou os tubos falham prematuramente, a evidência confirmatória são as medições da espessura da parede e o atraso observado durante uma variação de temperatura conhecida. A escolha de um tubo com maior condutividade e resistência adequada à corrosão — conforme 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 da medição quanto a vida útil em serviços em fornos de vidro.