औद्योगिक सेन्सर्सना काही खूपच कठोर परिस्थितींमध्ये काम करण्याची आवश्यकता असते, जसे की सुमारे 1,750 डिग्री सेल्सिअस तापमानावर वितळलेले धातू किंवा रासायनिक प्रक्रिया संयंत्रांच्या आतल्या भागात जेथे परिस्थिती खूपच तीव्र असते. या सेन्सर्सच्या संरक्षणासाठी, दुखापतीपासून मुख्य संरक्षण म्हणून सिरॅमिक ट्यूब्सचा वापर नेहमीच होतो. हे ट्यूब्स सामान्यत: अॅल्युमिना किंवा झिर्कोनिया संयुगे यांसारख्या सामग्रीपासून बनवले जातात, जे अत्यंत उच्च तापमान सहन करू शकतात आणि बहुतेक पदार्थांसोबत रासायनिक प्रतिक्रिया करत नाहीत. धातूंच्या तुलनेत सिरॅमिक्सचे वैशिष्ट्य म्हणजे अनेक वेळा उष्णता आणि थंडीच्या चक्रांनंतरही त्यांचे आकार टिकवून ठेवण्याची क्षमता. याचा अर्थ असा की सेन्सर रीडिंगमध्ये कमी बदल होतो, कारण ते धातूइतके विस्तारत आणि संकुचित होत नाहीत. 2023 मध्ये प्रकाशित झालेल्या सामग्रीच्या टिकाऊपणावरील अलीकडील संशोधनानुसार, फक्त काचेच्या भट्ट्यांमध्ये स्टेनलेस स्टीलच्या आवरणांवरून सिरॅमिक ट्यूब्सवर स्विच केल्याने सेन्सरच्या बदलण्याच्या गरजेत सुमारे दोन तृतीयांशाने कपात झाली.
अत्यंत तापमानातील चढ-उतारांच्या बाबतीत, विशेषतः घटकांवर ताण आणणाऱ्या आणि फुटण्यास कारणीभूत ठरणाऱ्या प्रति मिनिट 200 डिग्री सेल्सिअस किंवा त्यापेक्षा जास्त बदलांच्या बाबतीत, सिरॅमिक ट्यूब्स सामान्यतः इतर सर्व पारंपारिक सामग्रीला मागे टाकतात. याचे रहस्य भागाने त्यांच्या उष्णता विस्तार गुणधर्मांमध्ये देखील आहे. उदाहरणार्थ, अॅल्युमिना सिरॅमिक्स जवळपास 8.6 माइक्रोमीटर प्रति मीटर प्रति डिग्री सेल्सिअस इतके विस्तारतात, जे सामान्य 316 स्टेनलेस स्टीलमध्ये आढळणाऱ्या 17.3 च्या आकड्यापेक्षा खूपच कमी आहे. याचा अर्थ असा की सिरॅमिक भाग गरम आणि थंड करण्याच्या प्रक्रियेमुळे तितके थकत नाहीत. या सामग्रीच्या कालांतराने होणाऱ्या टिकावण्याच्या अभ्यासात विशेषतः झिरकोनिया-आधारित ट्यूब्सबाबत एक अतिशय प्रभावी गोष्ट आढळून आली आहे. त्यांना 1,200 डिग्री इतक्या तीव्र उष्णतेपासून 25 डिग्री इतक्या खोलीच्या तापमानापर्यंत जाणाऱ्या 5,000 पेक्षा जास्त उष्णता चक्रांनंतरही घिसटण्याची कोणतीही चिन्हे दिसली नाहीत. अशा प्रकारच्या टिकावण्यामुळे त्यांना भट्टी आणि उष्णता उपचार भट्टी सारख्या उद्योगांमध्ये वापरण्यासाठी आदर्श उमेदवार मानले जाते, जेथे गोष्टी निरंतर पुन्हा पुन्हा गरम केल्या जातात आणि नंतर थंड केल्या जातात.
रासायनिक कारखाने आणि कचऱ्याच्या जलन सुविधांमध्ये, सिरॅमिक ट्यूब्स खालील कठोर परिस्थिती सहन करतात:
दुष्प्रतिकार संशोधन अभ्यास सिद्ध करतात की पेट्रोरासायनिक वातावरणात पॉलिमर-लेपित धातूच्या आवरणांच्या तुलनेत सिरॅमिक संरक्षण सेन्सरचे आयुष्य 3 ते 5 पट वाढवते.
सिरॅमिक संरक्षण ट्यूब सुमारे 1,600 अंश सेल्सिअसपर्यंत तापमान सहन करू शकतात जेव्हा त्यांना निरंतर चालवले जाते, आणि काही प्रगत संयुक्त आवृत्तींची 2,000 अंशांपेक्षा जास्त तापमानात उच्च तापमान सामग्रीवरील अलीकडील अभ्यासानुसार चाचणी केली गेली आहे. पोलिमर्स एकदम वेगळे आहेत, कारण 300 अंशांपेक्षा जास्त झाल्यावर ते बिघडण्यास सुरुवात करतात. अॅल्युमिना-आधारित सिरॅमिक्सचे खूप कमी विस्तार होते, खरं तर 1,200 अंश सेल्सिअस तापमानातही त्यांचा रेखीय विस्तार 1 टक्क्यांपेक्षा कमी असतो. आणि मग झिरकोनिया आहे जे खरोखर आश्चर्यकारक आहे कारण ते प्रति मिनिट 500 अंशांपेक्षा जास्त थर्मल बदल सहन करू शकते फुटण्याशिवाय. या गुणधर्मांमुळे सिरॅमिक्स अत्यंत कठोर परिस्थितींमध्ये इतके मौल्यवान बनतात जेथे इतर सामग्री टिकूच शकत नाहीत.
सिरॅमिक्समधील सहसंयोजक बंधन थर्मल फॅटिग्युच्या विरूद्ध अत्युत्तम प्रतिकारशक्ति प्रदान करते. सिलिकॉन कार्बाइड ट्यूब्स 200°C आणि 1,400°C दरम्यान 15,000 पेक्षा जास्त हीटिंग-कूलिंग सायकल्स सहन करतात आणि त्यात 2% पेक्षा कमी स्थायी विकृती होते, जे अणुऊर्जा सामग्री अभ्यासात सत्यापित झाले आहे. ही टिकाऊपणा धातूंच्या उष्णतेच्या उपचार भट्ट्यांमध्ये अत्यावश्यक आहे, जेथे दररोज 800°C पेक्षा जास्त चढ-उतार असतात.
1,200°C वर, स्टेनलेस स्टील शीथ 12–15% ने विस्तारित होतात, तर सिरॅमिक्स केवळ 0.5–0.8% ने विस्तारित होतात. सिरॅमिक्स धातूंमध्ये आढळणाऱ्या वार्पिंग किंवा वितळणे सारख्या एकाएकी फेल्युअर मोडपासून टाळतात. उद्योग डेटानुसार, काचेच्या टेम्परिंग ओळींमध्ये सिरॅमिक-संरक्षित सेन्सर्स 8–10 वर्षे टिकतात, जे धातू-संरक्षित युनिट्सच्या 2–3 वर्षांच्या तुलनेत खूपच जास्त आहे.
अल्युमिना Al2O3 आणि झिर्कोनिया ZrO2 सारख्या सामग्रींमध्ये 0.5 पासून ते 14 पर्यंतच्या अत्यंत pH पातळीवरही अम्ले, क्षार आणि विविध द्रावकांना उत्तम प्रतिकारशक्ती असते. या सिरॅमिक्सची टिकाऊपणाची गुरुरी अशी आहे की ते आयन्सच्या हालचाली आणि भंगाचे कारण बनणाऱ्या घटकांपासून वाचवणारी संरक्षक पृष्ठभाग परतल तयार करतात. याचा अर्थ असा की इतर सामग्री खूप जलद नाश पावतील अश्या रासायनिक प्रक्रिया सुविधांमध्ये ते वर्षानुवर्षे योग्यरित्या कार्य करू शकतात. धातूंच्या पर्यायांकडे बघितले तर? बहुतेक धातू अशा कठोर परिस्थितीत टिकण्यासाठी बनवलेल्या नसतात. अनेक सामान्य धातूंना समान दुर्दम्य परिस्थितीत केवळ 300 ते 500 तासांच्या आंतर नासण्याची चिन्हे दिसू लागतात, असे चाचण्यांमधून दिसून आले आहे. म्हणूनच अनेक औद्योगिक अनुप्रयोगांमध्ये दीर्घकालीन विश्वासार्हतेची गरज असलेल्या महत्त्वाच्या भागांसाठी सिरॅमिक घटकांवर अवलंबून राहिले जाते.
अलीकडील अभ्यासात औद्योगिक संक्षारांमध्ये सिरॅमिक संरक्षण ट्यूबच्या उत्कृष्ट टिकाऊपणावर प्रकाश टाकला आहे:
| रासायनिक संपर्क | अॅल्युमिना (1,000 तास) | 316 स्टेनलेस स्टील (1,000 तास) | वस्तुमान हानी (%) |
|---|---|---|---|
| 20% सल्फ्यूरिक ऍसिड | 0.03 | 12.7 | धातूच्या तुलनेत -98% |
| 50% सोडियम हायड्रॉक्साइड | 0.01 | 8.2 | धातूच्या तुलनेत -99% |
| क्लोरीनयुक्त द्रावक | 0.00 | 4.1 | धातूच्या तुलनेत -100% |
स्रोत: उच्च-तापमान सामग्री नियतकालिक, २०२३
या परिणामांमुळे फिरत्या pH आणि हॅलोजन संयुगांच्या वातावरणात पिटिंग आणि ताण दुष्काळ फुटणे यापासून सिरॅमिक्सच्या प्रतिकार करण्याच्या क्षमतेवर भर दिला जातो.
१,४०० अंश सेल्सियसपेक्षा जास्त तापमानावर चालणाऱ्या काचेच्या भट्ट्यांमध्ये सिरॅमिक संरक्षण ट्यूब्स खूप चांगले काम करतात कारण त्यांचे उष्णतेमुळे फारसे विस्तार होत नाही आणि त्यांची आसपासच्या कोणत्याही पदार्थांशी रासायनिक प्रतिक्रिया होत नाही. हे ट्यूब्स वितळलेल्या काचेत थेट ठेवले तरीही तूटत नाहीत किंवा नुकसान पोहोचत नाही, ज्यामुळे अखेरच्या उत्पादनात अवांछित पदार्थ मिसळणे टाळले जाते. प्रक्रियेदरम्यान काच किती पातळ किंवा गाडाळ होते याचे नियंत्रण करण्यासाठी अचूक तापमान मोजमाप महत्त्वाचे आहे. प्लस किंवा माइनस ५ अंशांच्या लहान बदलामुळे अखेरची काचेची उत्पादने गुणवत्तेच्या मानदंडांना पूर्ण करतात किंवा नाकारली जातात यात फरक पडू शकतो.
सिमेंट किल्न्स सेन्सरला 1,450°C तापमान, अल्कधर्मी वाष्प आणि घासणारे क्लिंकर कण यांना उघडे ठेवतात. अॅल्युमिना-झिर्कोनिया संयुगे या परिस्थितीत धातूंच्या पर्यायांच्या तुलनेत तीनपट जास्त सेवा आयुष्य देतात, फिरत्या किल्न पर्यावरणात दुरुस्तीची वारंवारता कमी करतात. त्यांची अपौरस्तरीयरचना सिमेंट जमा होण्यापासून रोखते ज्यामुळे मोजमाप विकृत होऊ शकते.
उच्च-शुद्धतेच्या अॅल्युमिना ट्यूब्स 1,600–1,800°C पर्यंत पोहोचणाऱ्या सिरॅमिक फायरिंग किल्न्समध्ये मापाची स्थिरता राखतात, सेन्सरचे विचलन रोखतात आणि 5,000 सायकल्सवर ±2°C अचूकता सुनिश्चित करतात. धातू उष्णताउपचार भट्ट्यांमध्ये, सिरॅमिक ट्यूब्स कार्बरीकरण आणि स्केलिंगला प्रतिकार करतात—जे धातू पिकअपांची सामान्य अपयशाची कारणे आहेत.
200 औद्योगिक संयंत्रांच्या 2023 च्या सर्वेक्षणात असे दिसून आले की 68% संयंत्रे उच्च उष्णतेच्या अनुप्रयोगांमध्ये धातूंपासून सिरॅमिक सेन्सर संरक्षणाकडे वळत आहेत. प्रमुख कारणांमध्ये अपयशांमधील सरासरी वेळेत 40–60% वाढ आणि स्थिर, कमी आवाजाच्या सिग्नलची आवश्यकता असलेल्या IIoT प्रणालींसह सुसंगतता यांचा समावेश आहे.
बहुतेक औद्योगिक सेरामिक संरक्षण ट्यूब्ज मध्ये अल्युमिना, झिरकोनिया किंवा विविध संयुगे यासारख्या सामग्रीचा आधार घेतला जातो, ज्यामुळे कार्यक्षमता आणि आर्थिक दृष्ट्या योग्य तोल साधला जातो. 99.5% शुद्ध अल्युमिना हा प्रकार दररोजच्या वापरासाठी लोकप्रिय आहे, कारण भट्ट्यांमधील तापमानातील चढ-उतारांमुळे त्याचा 8.1 x 10^-6 प्रति सेल्सिअस असा उष्णता प्रसरण दर त्याला स्थिर ठेवतो. जेव्हा परिस्थिती खूप कठीण होते, तेव्हा उत्पादक झिरकोनियाकडे वळतात, जे रूपांतर दृढीकरण या विशेष गुणधर्मामुळे सामान्य सेरामिक्सच्या तुलनेत तीन पट चांगले तणावाविरुद्ध तोडण्यापासून संरक्षण करते. सेमीकंडक्टर उत्पादन ओळींमध्ये आवश्यक असलेल्या अत्यंत स्वच्छ वातावरणासाठी, अनेक कंपन्या आता अल्युमिनासह मिश्रित सिलिकॉन कार्बाइडची पसंती करतात, कारण ही संकरित सामग्री पारंपारिक पर्यायांपेक्षा दूषित पदार्थांना आत येऊ देत नाहीत.
| गुणवत्ता | एल्यूमिना | झिर्कोनिया |
|---|---|---|
| कठिनता (विकर्स) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| कमाल कार्यरत तापमान | 1,750°C | 2,400°C |
| तापीय शॉक प्रतिरोध | मध्यम | विशिष्ट |
| रासायनिक प्रतिकार | मजबूत अम्ल सहनशीलता | क्षार द्रावण स्थिरता |
2024 मधील सामग्री विश्लेषणात जिर्कोनियाची 1,100°C वर टप्प्यातील स्थिरता कोळसा बुडवणाऱ्या पॉवर प्लांटसाठी त्याची योग्यता दर्शवते, तर 900°C खालील रासायनिक प्रक्रियेसाठी अल्युमिना आर्थिकदृष्ट्या योग्य पर्याय राहते.
उन्नत सामग्रीवर काम करणारे संशोधक दुर्मिळ पृथ्वी ऑक्साइड्ससह मिश्रित अल्युमिना झिरकोनिया कॉम्पोझिट्स तयार करू लागले आहेत. या नवीन सामग्रीमुळे 5,000 पेक्षा जास्त थर्मल सायकल्स सहन करण्यास सक्षम असे ट्यूब तयार होत आहेत, ज्यामुळे वर्तमानपेक्षा सुमारे 70% चांगली कामगिरी मिळते जी सध्या उपलब्ध मानक सिरॅमिक पर्यायांपेक्षा चांगली आहे. दुसरा शोध म्हणजे सिलिकॉन नायट्राइडच्या मजबूत केलेल्या आवृत्ती, ज्यामध्ये 1 ते 14 पर्यंतच्या संपूर्ण pH श्रेणीत दुष्काळाविरुद्ध 98% प्रतिकारकता दर्शविली जाते, ज्यामुळे आधीपासूनच विशेषतः सांडपाणी उपचार सुविधांसाठी मोठी समस्या निर्माण झाली होती. थर्मल सिस्टम तंत्रज्ञानात तज्ञ असलेल्या तज्ञांनी दिलेल्या अहवालानुसार, हे कॉम्पोझिट सिरॅमिक संरक्षण ट्यूब मध्य-दशकापर्यंत जगभरातील औद्योगिक सेन्सर अर्जांच्या सुमारे 35% मध्ये बळकटी घेऊ शकतात.
EN
