Os sensores industriais deben funcionar en condicións bastante duras, pensa no metal fundido a temperaturas arredor dos 1.750 graos Celsius ou no interior de plantas de procesamento químico onde as condicións son moi intensas. Para protexer estes sensores, adoitan usarse tubos cerámicos como escudo principal contra danos. Estes tubos están feitos xeralmente de materiais como composites de alúmina ou de zirconia que poden soportar o calor extremo sen descomporse e non reaccionan quimicamente coa maioría das substancias. O que fai destacar ás cerámicas en comparación cos metais é a súa capacidade de manter a súa forma incluso despois de pasar por incontables ciclos de quentamento e arrefriamento. Isto significa menos derivas nas lecturas dos sensores porque non se expanden nin contraen tanto como o faría un metal. De acordo con investigacións recentes publicadas en 2023 sobre a durabilidade dos materiais, cambiar das envoltas de acero inoxidable a tubos cerámicos reduciu en case dous terzos as substitucións de sensores só nas fornalles de vidro.
Cando se trata de soportar grandes variacións de temperatura, os tubos cerámicos superan con creces á maioría dos materiais convencionais, especialmente cando se producen cambios rápidos de 200 graos Celsius por minuto ou máis, o que somete aos compoñentes a moita tensión e provoca a formación de fisuras. O segredo atópase en parte nas súas propiedades de expansión térmica. Tómese por exemplo as cerámicas de alúmina, que se expanden a uns 8,6 micrómetros por metro por grao Celsius, moi por debaixo dos 17,3 observados no acero inoxidable estándar 316. Isto significa que as pezas cerámicas non sufren tanta fatiga debido ao continuo aquecemento e arrefriamento. Os estudos que analizan como resisten estes materiais ao longo do tempo atoparon algo moi impresionante sobre os tubos baseados en zirconia en particular. Demostrouse que son capaces de sobrevivir a máis de 5.000 ciclos térmicos completos, pasando de 1.200 graos escaldantes ata a temperatura ambiente de 25 graos sen amosar signos de desgaste. Este tipo de durabilidade fainos candidatos ideais para usarse en entornos industriais como fornos e fornalles de tratamento térmico, onde os obxectos están constantemente sendo quentados e arrefriados una e outra vez.
Nas plantas químicas e incineradoras de residuos, os tubos cerámicos soportan condicións duras que inclúen:
Estudos de resistencia á corrosión confirman que a protección cerámica prolonga a vida útil dos sensores entre 3 e 5 veces en instalacións petroquímicas en comparación con envoltas metálicas recubertas con polímero.
Os tubos de protección cerámicos poden soportar temperaturas ata arredor de 1.600 graos Celsius cando funcionan continuamente, e algunhas versións compostas avanzadas foron probadas por encima dos 2.000 graos segundo estudos recentes sobre materiais de alta temperatura. Os polímeros son totalmente diferentes, xa que comezan a degradarse cando as temperaturas superan os arredor de 300 graos. As cerámicas baseadas en alúmina expanden moi pouco, menos do 1 por cento linealmente incluso a 1.200 graos Celsius. E logo está a zirconia, que é bastante impresionante porque pode soportar cambios térmicos de máis de 500 graos por minuto sen romperse. Estas propiedades fan que as cerámicas sexan tan valiosas en ambientes extremos onde outros materiais simplemente non durarían.
A unión covalente nas cerámicas proporciona unha resistencia excepcional á fadiga térmica. Os tubos de carburo de silicio soportan máis de 15.000 ciclos de quentamento e arrefriamento entre 200 °C e 1.400 °C con menos do 2 % de deformación permanente, segundo se verificou en estudos de materiais para enerxía nuclear. Esta durabilidade é esencial nos fornos de tratamento térmico de metais, onde as fluctuacións diárias a miúdo superan os 800 °C.
A 1.200 °C, as fundas de acero inoxidable expándense entre un 12 e un 15 %, mentres que as cerámicas o fan só dun 0,5 a 0,8 %. As cerámicas tamén evitan fallos repentinos como a deformación ou fusión que se observan nos metais. Datos do sector indican que os sensores protexidos con cerámica nas liñas de temperado de vidro duran entre 8 e 10 anos, moito máis ca os 2 a 3 anos dos dispositivos con protección metálica.
Materiais como a alúmina Al2O3 e a zircónia ZrO2 presentan unha resistencia notable a ácidos, bases e varios disolventes incluso en niveis de pH extremos desde arredor de 0,5 ata 14. O que fai que estas cerámicas sexan tan duradeiras é a súa capacidade para crear capas superficiais protectoras que basicamente deteñen o movemento de ións e evitan a corrosión. Isto significa que poden seguir funcionando correctamente durante anos en instalacións de procesamento químico onde outros materiais se deterioren moito máis rápido. Se miramos as opcións metálicas? Pois a maioría dos metais simplemente non están deseñados para durar nestes ambientes agresivos. As probas mostraron que moitos metais comúns comezan a amosar signos de fallo despois de só 300 a 500 horas de exposición a condicións corrosivas semellantes. Por iso tantas aplicacións industriais agora dependen de compoñentes cerámicos para pezas críticas que requiren confiabilidade a longo prazo.
Estudos recentes destacan a durabilidade superior dos tubos de protección cerámicos en produtos químicos industriais corrosivos:
| Exposición química | Alúmina (1.000 h) | aceros inoxidábeis 316 (1.000 h) | Perda de masa (%) |
|---|---|---|---|
| ácido sulfúrico ao 20% | 0.03 | 12.7 | -98% vs metal |
| hidróxido sódico ao 50% | 0.01 | 8.2 | -99% vs metal |
| Disolventes clorados | 0.00 | 4.1 | -100% vs metal |
Fonte: Revista de Materiais de Alta Temperatura, 2023
Estes resultados salientan a capacidade das cerámicas para resistir á picadura e á fisuración por corrosión sobe tensión en ambientes con pH fluctuante e compostos halóxenos.
Os tubos de protección cerámica funcionan moi ben nas fornallos de vidro que operan a máis de 1.400 graos Celsius, xa que se expanden moi pouco cando se quentan e non reaccionan quimicamente con nada ao seu arredor. Estes tubos manteñen a súa integridade incluso cando se colocan directamente no vidro fundido sen romperse nin danarse, o que evita que materiais indesexables se mesturen co produto final. Obter lecturas precisas da temperatura é moi importante para controlar o grao de fluidez ou espesor do vidro durante o procesamento. Aínda que sexan pequenos cambios de máis ou menos 5 graos, poden marcar toda a diferenza entre que os produtos de vidro acabados cumpran cos estándares de calidade ou sexan rexeitados.
Os fornos de cemento someten os sensores a temperaturas de 1.450 °C, vapores alcalinos e partículas abrasivas de clínquer. Os composites de alúmina-zircónia ofrecen unha vida útil tres veces maior que as alternativas metálicas nestas condicións, reducindo a frecuencia de mantemento en ambientes de fornos rotativos. A súa estrutura non porosa tamén impide a acumulación de depósitos cementicios que poderían distorsionar as lecturas.
Os tubos de alúmina de alta pureza manteñen a estabilidade dimensional en fornos de coedura de cerámica que acadan temperaturas de 1.600–1.800 °C, evitando a desviación do sensor e asegurando unha precisión de ±2 °C durante 5.000 ciclos. En fornos de tratamento térmico de metais, os tubos cerámicos resisten a carburización e a descamación—modos frecuentes de fallo para fundas metálicas.
Unha enquisa de 2023 a 200 instalacións industriais revelou que o 68 % está a pasar da protección metálica á cerámica nos sensores para aplicacións de alta temperatura. Os factores principais inclúen un incremento do 40–60 % no tempo medio entre fallos e compatibilidade cos sistemas IIoT que requiren sinais estables e de baixo ruído.
A maioría dos tubos de protección cerámicos industriais recorren a materiais como a alúmina, a zircónia ou varias mesturas compostas para acadar ese difícil equilibrio entre o que funciona ben e o que ten sentido económico. A variante de alúmina pura ao 99,5 % segue sendo popular para aplicacións cotiás debido á súa estabilidade cando as temperaturas flutúan dentro dos fornos, grazas á súa taxa de expansión térmica de arredor de 8,1 x 10^-6 por grao Celsius. Cando as condicións se volven moi duras, os fabricantes recorren á zircónia, que consegue resistir mellor a rotura baixo tensión case tres veces máis ca as cerámicas tradicionais, grazas a unha propiedade especial chamada endurecemento por transformación. Para eses ambientes extremadamente limpos necesarios nas liñas de produción de semicondutores, moitas empresas prefiren agora o carburo de silicio mesturado con alúmina, xa que estes materiais híbridos non permiten que os contaminantes se filtren tan facilmente como as opcións tradicionais.
| Propiedade | Alúmina | Zircónica |
|---|---|---|
| Dureza (Vickers) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Temperatura máxima de funcionamento | 1.750 °C | 2.400 °C |
| Resistencia ao choque térmico | Moderado | Excelente |
| Resistencia química | Tolerancia a ácidos fortes | Estabilidade en solucións alcalinas |
Os análises de materiais de 2024 indican que a estabilidade de fase da zirconia por encima de 1.100 °C faino máis axeitado para centrais térmicas de carbón, mentres que a alumina segue sendo a opción económica para o procesamento químico por baixo de 900 °C.
Os investigadores que traballan en materiais avanzados comezaron a crear compósitos de alúmina e zirconia mesturados con óxidos de terras raras. Estes novos materiais dan lugar a tubos capaces de soportar máis de 5.000 ciclos térmicos, o que representa un rendemento aproximadamente un 70 % mellor en comparación cos opcións cerámicas estándar dispoñibles actualmente. Outro avance vén das versións reforzadas con nitruro de silicio, que amosan unha resistencia impresionante ao corroso do 98 % en todo o espectro de pH desde 1 ata 14, algo que anteriormente supuña importantes problemas para as instalacións de tratamento de augas residuais en particular. As previsións de mercado suxiren que estes tubos protexidos cerámicos compostos poderían acadar aproximadamente o 35 % das aplicacións industriais de sensores en todo o mundo cara mediados de década, segundo informan expertos especializados en tecnoloxías de sistemas térmicos.
EN
