De ce tuburile de protecție ale termocuplurilor se defectează prematur sau prezintă abateri în cuptoarele de sticlă

De ce tuburile de protecție ale termocuplurilor se defectează prematur sau prezintă abateri în cuptoarele de sticlă

După doisprezece ani de utilizare în operațiunile de topire a sticlei, o problemă recurentă este aceea că valorile indicate de termocuplu se abat treptat de la valoarea reală sau că tubul de protecție se defectează cu mult înainte de campania programată. Temperatura cuptorului este stabilă, iar elementul termocuplului este de tipul corect, însă temperatura indicată se abate cu zeci de grade, iar tubul se fisurează sau se subțiază la nivelul liniei de sticlă sau în camera de ardere. Factorii care stau la baza acestui fenomen sunt rata de coroziune provocată de vaporii alcalini sau de sticla topită și conductivitatea termică a materialului din care este fabricat tubul, care, împreună, determină atât durata de viață, cât și întârzierea răspunsului la temperatură.

Tuburile din alumină (de obicei 99 % Al₂O₃) rezistă destul de bine la atacul sticlei topite și al vaporilor alcalini datorită stabilității lor chimice, dar au o conductivitate termică moderată (în jur de 25–30 W/m·K) și o rezistență limitată la șocul termic. Tuburile din carbură de siliciu, în special cele sinterizate sau recristalizate, oferă o conductivitate termică mai mare (adesea de 30–50 W/m·K sau mai mult) și o rezistență mai bună la șocuri, ceea ce reduce întârzierea de răspuns, dar unele tipuri pot suferi oxidare de suprafață sau reacții în atmosfere puternic alcaline. Coroziunea se produce prin reacția oxizilor alcalini cu suprafața tubului, formând un strat cu punct de topire scăzut care se dizolvă sau se exfoliază lent. În pozițiile de imersie, atacul este mai rapid; în coroană sau în suprastructură, atacul este determinat de condensarea vaporilor. Subțierea peretelui crește riscul de defectare mecanică, în timp ce un perete gros sau cu conductivitate redusă mărește constanta de timp a măsurătorii.

Într-un cuptor cu vas de sticlă care funcționează la 1450–1500 °C, două tuburi de protecție cu capete închise au fost instalate unul lângă altul în partea superioară a cuptorului, timp de 90 de zile. Tubul de alumină (grosimea inițială a peretelui 6 mm) a prezentat o subțiere medie de 1,2 mm în zona cea mai fierbinte și o constantă de timp măsurată de aproximativ 45 de secunde la modificarea sarcinii arzătorului. Tubul din carbură de siliciu sinterizată (grosime inițială a peretelui de 5 mm) a prezentat o subțiere de 0,7 mm în aceleași condiții și o constantă de timp de aproximativ 28 de secunde. Nu s-au produs fisuri transversale în niciunul dintre tuburi. După îndepărtare, suprafața tubului din alumină prezenta un strat subțire de reacție conținând sodiu și potasiu; suprafața tubului din carbură de siliciu prezenta o crustă subțire de siliciu cu o penetrare limitată a alcalinilor. Valorile de temperatură înregistrate de tubul din carbură de siliciu au urmărit mai îndeaproape schimbările procesului, în timp ce tubul din alumină a înregistrat o întârziere suficient de mare încât a necesitat o bandă moartă de control mai mare.

Prin urmare, alegerea tubului implică găsirea unui echilibru între rezistența la coroziune, conductivitatea termică și grosimea peretelui, în funcție de locația specifică. Pentru controlul coroziunii cuptorului de sticlă al tubului de protecție al termocuplului, variabilele practice sunt puritatea materialului, densitatea și expunerea la vapori alcalini, comparativ cu contactul direct cu sticla. Performanța sticlei pentru teaca termocuplului din alumină față de cea din SiC este confirmată prin măsurarea pierderii de grosime a peretelui și a timpului de răspuns în aceleași condiții de cuptor, mai degrabă decât doar pe baza datelor de coroziune obținute în laborator. Durata de viață a tubului termocuplului în sticla topită este prelungită atunci când materialul rezistă atât la atacul chimic, cât și la șocul termic la temperatura de funcționare. Atunci când citirile deviază sau tuburile se defectează prematur, dovezile confirmatoare sunt măsurătorile grosimii peretelui și decalajul de timp observat în timpul unei schimbări cunoscute de temperatură. Alegerea unui tub cu conductivitate mai mare și rezistență adecvată la coroziune, așa cum se arată prin reducerea subțierii de la 1,2 mm la 0,7 mm și a constantei de timp de la 45 s la 28 s în comparația privind coroana, îmbunătățește atât capacitatea de răspuns a măsurătorilor, cât și durata de viață în cadrul operațiunilor cuptorului de sticlă.