Industrielle sensorer skal fungere under nogle ret barske forhold, tænk på smeltet metal ved temperaturer omkring 1.750 grader Celsius eller inde i kemiske produktionsanlæg, hvor forholdene bliver rigtig intense. For at beskytte disse sensorer anvendes keramiske rør ofte som den primære skærm mod skader. Disse rør er typisk fremstillet af materialer som aluminiumoxid- eller zirkoniumoxidkompositter, som kan klare ekstrem varme uden at bryde ned, og som ikke reagerer kemisk med de fleste stoffer. Det, der gør keramik fremtrædende i forhold til metaller, er evnen til at bevare formen selv efter utallige opvarmings- og afkølingscykluser. Det betyder mindre drift i sensormålinger, fordi de ikke udvider og trækker sig sammen lige så meget som metal ville gøre. Ifølge nyere forskning fra 2023 om materialeholdbarhed reducerede skift fra rustfrie stålfodrer til keramiske rør sensorskiftningen med cirka to tredjedele alene i glasovne.
Når det gælder håndtering af ekstreme temperatursving, slår keramiske rør langt de fleste konventionelle materialer, især når der er tale om hurtige ændringer på 200 grader Celsius i minuttet eller mere, hvilket virkelig belaster komponenter og fører til dannelsen af revner. Hemmeligheden ligger delvist i deres termiske udvidelsesevner. Tag for eksempel aluminiumoxid-keramik, som udvider sig med cirka 8,6 mikrometer per meter per grad Celsius, langt under de 17,3, der ses hos almindelig rustfri stål 316. Det betyder, at keramiske dele blot ikke udmattes lige så meget af alt det varme og kolde, der skifter frem og tilbage. Undersøgelser af, hvordan disse materialer klare sig over tid, har afsløret noget imponerende om specifikt zirkoniumdioxidbaserede rør. De har vist sig at kunne overleve over 5.000 fuldstændige termiske cyklusser, hvor temperaturen går fra brændende 1.200 grader ned til stuetemperatur på 25 grader, uden tegn på slid. Den slags holdbarhed gør dem til ideelle kandidater til brug i industrielle miljøer som ovne og varmebehandlingsfurnacer, hvor tingene konstant opvarmes og afkøles igen og igen.
I kemiske anlæg og affaldsforbrændingsanlæg tåler keramiske rør hårde forhold, herunder:
Korrosionsundersøgelser bekræfter, at keramisk beskyttelse forlænger levetiden for sensorer med 3–5 gange i petrokemiske installationer sammenlignet med polymerbelagte metalmantle.
Keramiske beskyttelsesbeslag kan klare temperaturer op til omkring 1.600 grader Celsius ved kontinuerlig drift, og nogle avancerede sammensatte varianter er blevet afprøvet over 2.000 grader ifølge nyere undersøgelser af højtemperaturmaterialer. Polymerer er helt anderledes – de begynder at nedbryde sig, når temperaturen overstiger ca. 300 grader. Aluminiumsbaserede keramer udvider sig meget lidt – faktisk mindre end 1 procent lineært, selv ved 1.200 grader Celsius. Og så har vi zirkonia, som er ret fantastisk, fordi den kan klare termiske ændringer på over 500 grader per minut uden at revne. Disse egenskaber gør keramer så værdifulde i ekstreme miljøer, hvor andre materialer simpelthen ikke ville holde.
Den kovalente binding i keramik giver enestående modstand mod termisk udmattelse. Siliciumcarbidrør holder stand imod mere end 15.000 opvarmings- og afkølingscyklusser mellem 200 °C og 1.400 °C med mindre end 2 % permanent deformation, verificeret i studier af materialer til kernekraft. Denne holdbarhed er afgørende i metalvarmebehandlingsovne, hvor daglige svingninger ofte overstiger 800 °C.
Ved 1.200 °C udvider rustfrit stål sig med 12–15 %, mens keramik kun udvider sig med 0,5–0,8 %. Keramik undgår også pludselige svigtformer som forvridning eller smeltning, som ses hos metaller. Branchedata viser, at sensorer med keramikbeskyttelse i glastempereringslinjer holder 8–10 år, væsentligt længere end de 2–3 år, der opnås med metalskærmede enheder.
Materialer som alumina Al2O3 og zirkonia ZrO2 viser bemærkelsesværdig modstandskraft over for syrer, baser og forskellige opløsningsmidler, selv ved ekstreme pH-niveauer fra omkring 0,5 helt op til 14. Hvad der gør disse keramikker så holdbare, er deres evne til at danne beskyttende overfladelag, der stort set forhindrer ioner i at bevæge sig og forårsage korrosion. Det betyder, at de kan fortsætte med at fungere korrekt i mange år i kemiske anlæg, hvor andre materialer ville bryde sammen meget hurtigere. Ser man i stedet på metaller? De fleste metaller er simpelthen ikke bygget til at vare i disse barske miljøer. Tests har vist, at mange almindelige metaller begynder at vise tegn på svigt efter kun 300 til 500 timers udsættelse for lignende korroderende forhold. Derfor er det, at så mange industrielle anvendelser nu er afhængige af keramiske komponenter til kritiske dele, der kræver lang levetid og pålidelighed.
Nyere undersøgelser fremhæver den overlegne holdbarhed af keramiske beskyttelsesrør i industrielle korrosive stoffer:
| Kemisk eksponering | Alumina (1.000 timer) | 316 Rustfrit stål (1.000 timer) | Massetab (%) |
|---|---|---|---|
| 20 % svovlsyre | 0.03 | 12.7 | -98 % i forhold til metal |
| 50 % natriumhydroxid | 0.01 | 8.2 | -99 % i forhold til metal |
| Klorerede opløsningsmidler | 0.00 | 4.1 | -100 % i forhold til metal |
Kilde: High-Temperature Materials Journal, 2023
Disse resultater understreger keramikkens evne til at modstå pitting og spændingskorrosionsrevner i miljøer med svingende pH og halogenforbindelser.
Keramiske beskyttelsesrør fungerer rigtig godt i glasovne, der kører ved over 1.400 grader Celsius, fordi de udvider sig meget lidt ved opvarmning og ikke reagerer kemisk med noget omkring dem. Disse rør forbliver intakte, selv når de anbringes direkte i smeltet glas, uden at briste eller blive beskadiget, hvilket forhindrer utilsigtede materialer i at blande sig i det endelige produkt. Præcise temperaturmålinger er meget vigtige for at styre, hvor flydende eller tyktflydende glasset bliver under behandlingen. Selv små ændringer på plus eller minus 5 grader kan gøre hele forskellen mellem, om de færdige glasprodukter opfylder kvalitetskravene, eller om de bliver afvist.
Cementovne udsætter sensorer for temperaturer på 1.450 °C, alkaliske dampe og slibende klinkerpartikler. Aluminiumoxid-zirkonia-kompositter har en levetid, der er tre gange længere end metalalternativer i disse forhold, hvilket reducerer vedligeholdelsesfrekvensen i roterende ovnmiljøer. Deres porfrie struktur forhindrer også opbygning af cementagtige aflejringer, som kunne forvrænge målinger.
Højrenheds-aluminiumoxid-rør bevarer dimensionel stabilitet i keramiske brændingsovne, hvor temperaturen når op til 1.600–1.800 °C, forhindrer sensordrift og sikrer en nøjagtighed på ±2 °C over 5.000 cyklusser. I metalliske varmebehandlingsovne modstår keramiske rør karburering og afdækning – almindelige svigtformer for metalomkranse.
En undersøgelse fra 2023 af 200 industrielle anlæg viste, at 68 % er i gang med at skifte fra metalbeskyttelse til keramisk sensorbeskyttelse i højtemperaturanvendelser. De vigtigste drivkræfter er en stigning i gennemsnitlig tid mellem fejl på 40–60 % samt kompatibilitet med IIoT-systemer, der kræver stabile, støjsvage signaler.
De fleste industrielle keramiske beskyttelsesrør er baseret på materialer som alumina, zirkonia eller forskellige sammensatte blandinger for at opnå den vanskelige balance mellem det, der fungerer godt, og det, der giver økonomisk mening. Varianten med 99,5 % ren alumina forbliver populær til almindelige applikationer på grund af dens stabilitet ved temperatursvingninger i ovne, takket være en termisk udvidelseskoefficient på ca. 8,1 x 10^-6 pr. grad Celsius. Når forholdene bliver særlig krævende, vælger producenter ofte zirkonia, som på en måde modstår brud under belastning cirka tre gange bedre end almindelige keramiske materialer, takket være en særlig egenskab kaldet transformation toughening. I de ekstremt rene miljøer, der kræves i produktionslinjer til halvledere, foretrækker mange virksomheder nu siliciumcarbid blandet med alumina, da disse hybridmaterialer simpelthen ikke tillader, at forurening trænger ind lige så let som traditionelle materialer.
| Ejendom | Alumina | Zirkonium |
|---|---|---|
| Hårdhed (Vickers) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Maks. driftstemperatur | 1.750 °C | 2.400 °C |
| Termisk chokbestandighed | Moderat | Fremragende |
| Kemisk modstandsdygtighed | Modstandsdygtighed over for stærke syrer | Stabilitet i basiske opløsninger |
Materialanalyser fra 2024 viser, at zirkonias fasestabilitet over 1.100 °C gør det mere velegnet til kulfyrede kraftværker, mens aluminiumoxid forbliver den økonomiske løsning for kemisk behandling under 900 °C.
Forskere, der arbejder med avancerede materialer, er begyndt at udvikle alumina-zirkonia kompositter blandet med sjældne jordartsoxider. Disse nye materialer resulterer i rør, der kan overleve mere end 5.000 termiske cyklusser, hvilket svarer til omkring 70 % bedre ydeevne sammenlignet med standard keramiske løsninger, der i øjeblikket er tilgængelige. Et andet gennembrud kommer fra versioner forstærket med siliciumnitrid, som viser imponerende 98 % modstandsdygtighed over for korrosion gennem hele pH-spektret fra 1 til 14, noget der tidligere har skabt alvorlige problemer især for spildevandsrensninger. Markedsfremskrivninger antyder, at disse komposit-keramiske beskyttelsesrør kan vinde fodfæste inden for cirka 35 % af industrielle sensorapplikationer globalt allerede midt i årtiet, ifølge eksperter inden for termiske systemteknologier.
EN
