Почему защитные трубки термопар в стекловаренных печах выходят из строя преждевременно или дают отклонения

Почему защитные трубки термопар в стекловаренных печах выходят из строя преждевременно или дают отклонения

После двенадцати лет эксплуатации в процессах плавки стекла постоянно возникает проблема: показания термопары постепенно смещаются, либо защитная трубка выходит из строя задолго до запланированного технического обслуживания. Температура в печи остается стабильной, а элемент термопары соответствует требуемому типу, однако показания температуры смещаются на десятки градусов, либо трубка растрескивается или истончается в зоне выхода стекла или в камере сгорания. Основными факторами являются скорость коррозии под воздействием паров щелочей или расплавленного стекла, а также теплопроводность материала трубки, которые в совокупности определяют как срок службы, так и запаздывание температурного отклика.

Трубки из оксида алюминия (как правило, 99 % Al₂O₃) благодаря своей химической стойкости достаточно хорошо противостоят воздействию расплавленного стекла и паров щелочей, однако обладают умеренной теплопроводностью (около 25–30 Вт/м·К) и ограниченной термоударной стойкостью. Трубки из карбида кремния, особенно спеченные или рекристаллизованные марки, обладают более высокой теплопроводностью (часто 30–50 Вт/м·К и более) и лучшей стойкостью к термоударам, что снижает задержку реакции, однако у некоторых марок может наблюдаться окисление поверхности или реакция в сильно щелочной среде. Коррозия протекает в результате реакции оксидов щелочей с поверхностью трубы, образуя низкоплавкий слой, который медленно растворяется или отслаивается. В погруженных участках коррозия протекает быстрее; в верхней части или надстройке коррозия обусловлена конденсацией паров. Истончение стенок увеличивает риск механического разрушения, тогда как толстые стенки или стенки с низкой теплопроводностью увеличивают постоянную времени измерения.

В печи для производства стеклянной тары, работающей при температуре 1450–1500 °C, две защитные трубки с закрытыми концами были установлены рядом друг с другом в верхней части печи на 90 дней. Трубка из оксида алюминия (первоначальная толщина стенки 6 мм) продемонстрировала среднее истончение в 1,2 мм в самой горячей зоне и постоянную времени, измеренную при изменении нагрузки горелки, равную примерно 45 секундам. Трубка из спеченного карбида кремния (первоначальная толщина стенки 5 мм) продемонстрировала истончение на 0,7 мм при тех же условиях и постоянную времени примерно 28 секунд. В обеих трубках не возникло сквозных трещин. После извлечения на поверхности трубки из оксида алюминия образовался тонкий реакционный слой, содержащий натрий и калий; на поверхности трубки из карбида кремния образовалась тонкая оболочка из диоксида кремния с ограниченным проникновением щелочей. Показания температуры на трубке из карбида кремния более точно отражали изменения в процессе, в то время как показания на трубке из оксида алюминия отставали настолько, что требовалась более широкая зона нечувствительности системы управления.

Таким образом, при выборе трубки необходимо найти баланс между коррозионной стойкостью, теплопроводностью и толщиной стенки с учетом конкретных условий эксплуатации. Для обеспечения защиты термопар в стекловаренных печах ключевыми практическим параметрами являются чистота материала, плотность, а также степень воздействия паров щелочей по сравнению с прямым контактом со стеклом. Характеристики стекла оболочки термопары из оксида алюминия по сравнению со стеклами из SiC подтверждаются измерением потери толщины стенок и времени отклика в тех же условиях печи, а не только лабораторными данными по коррозии. Срок службы трубок термопар в расплавленном стекле увеличивается, если материал устойчив как к химическому воздействию, так и к термическим ударам при рабочей температуре. При дрейфе показаний или преждевременном выходе трубок из строя подтверждающими доказательствами служат измерения толщины стенок и наблюдаемое время задержки при известном изменении температуры. Выбор трубки с более высокой проводимостью и достаточной коррозионной стойкостью, о чем свидетельствует уменьшение истончения с 1,2 мм до 0,7 мм и сокращение постоянной времени с 45 с до 28 с в сравнении в верхней части печи, улучшает как отзывчивость измерений, так и срок службы в условиях работы в стекловаренной печи.