Czujniki przemysłowe muszą działać w dość surowych warunkach, np. w pobliżu stopionego metalu o temperaturze około 1750 stopni Celsjusza lub wewnątrz zakładów chemicznych, gdzie panują ekstremalne warunki. Do ochrony tych czujników rury ceramiczne są często stosowane jako podstawowa bariera przed uszkodzeniem. Rury te są zazwyczaj wykonywane z materiałów takich jak kompozyty glinowe lub cyrkonowe, które wytrzymują skrajne temperatury bez rozkładania się i nie reagują chemicznie z większością substancji. To, co wyróżnia ceramikę na tle metali, to jej zdolność do zachowania kształtu nawet po przejściu przez liczne cykle ogrzewania i chłodzenia. Oznacza to mniejsze dryftowanie wskazań czujników, ponieważ materiał ten nie rozszerza się i nie kurczy tak bardzo jak metal. Zgodnie z najnowszymi badaniami opublikowanymi w 2023 roku na temat trwałości materiałów, wymiana osłon ze stali nierdzewnej na rury ceramiczne zmniejszyła liczbę wymian czujników o około dwie trzecie samych tylko piecach szklanych.
Gdy chodzi o ekstremalne wahania temperatur, rury ceramiczne bezsprzecznie wygrywają z większością konwencjonalnych materiałów, szczególnie w przypadku szybkich zmian rzędu 200 stopni Celsjusza na minutę lub więcej, które naprawdę obciążają komponenty i prowadzą do powstawania pęknięć. Sekret tkwi częściowo również we właściwościach rozszerzalności cieplnej. Weźmy na przykład ceramikę glinową – jej współczynnik rozszerzalności wynosi około 8,6 mikrometra na metr na stopień Celsjusza, znacznie mniej niż 17,3 dla standardowej stali nierdzewnej 316. Oznacza to, że elementy ceramiczne nie ulegają tak dużemu zmęczeniu pod wpływem cyklicznego nagrzewania i ochładzania. Badania dotyczące trwałości tych materiałów w czasie wykazały coś imponującego w przypadku rur na bazie cyrkonii. Okazuje się, że potrafią one wytrzymać ponad 5 000 pełnych cykli termicznych, zmieniających temperaturę od wręcz parzących 1 200 stopni aż do pokojowych 25 stopni, bez jakichkolwiek oznak zużycia. Taka wytrzymałość czyni je idealnym wyborem do zastosowań przemysłowych, takich jak piece piecowe czy piece do obróbki cieplnej, gdzie przedmioty są wielokrotnie poddawane naprzemiennemu ogrzewaniu i chłodzeniu.
W zakładach chemicznych i instalacjach spalania odpadów ceramika wytrzymuje trudne warunki, w tym:
Badania odporności na korozję potwierdzają, że ochrona ceramiczna przedłuża żywotność czujników od 3 do 5 razy w porównaniu z polimerowymi powłokami metalowymi w środowiskach petrochemicznych.
Ceramiczne tuleje ochronne wytrzymują temperatury sięgające około 1600 stopni Celsjusza przy ciągłej pracy, a niektóre zaawansowane wersje kompozytowe zostały przetestowane powyżej 2000 stopni według najnowszych badań nad materiałami odpornymi na wysokie temperatury. Polimery są zupełnie inne – zaczynają się rozkładać, gdy temperatura przekracza około 300 stopni. Ceramika glinowa charakteryzuje się bardzo małym rozszerzalnością – mniej niż 1 procent liniowo, nawet w temperaturze 1200 stopni Celsjusza. Z kolei cyrkonowa jest naprawdę niezwykła, ponieważ wytrzymuje zmiany termiczne przekraczające 500 stopni na minutę bez pęknięć. Te właściwości czynią ceramikę niezwykle cenną w ekstremalnych warunkach, w których inne materiały po prostu by nie wytrzymały.
Wiązania kowalencyjne w ceramice zapewniają wyjątkową odporność na zmęczenie termiczne. Rury z węglika krzemu wytrzymują ponad 15 000 cykli nagrzewania i chłodzenia w zakresie od 200°C do 1400°C przy trwałej deformacji mniejszej niż 2%, co potwierdzono w badaniach materiałowych dla energetyki jądrowej. Ta trwałość jest kluczowa w piecach do obróbki cieplnej metali, gdzie dzienne wahania temperatury często przekraczają 800°C.
W temperaturze 1200°C osłony ze stali nierdzewnej rozszerzają się o 12–15%, podczas gdy ceramika tylko o 0,5–0,8%. Ceramika unika również nagłych uszkodzeń, takich jak wyginanie czy topnienie, które występują u metali. Dane branżowe wskazują, że czujniki chronione ceramiką w liniach hartowania szkła działają przez 8–10 lat, znacznie dłużej niż jednostki z osłonami metalowymi, które osiągają 2–3 lata.
Materiały takie jak glinokrzemionka Al2O3 i cyrkonokrzemionka ZrO2 wykazują niezwykłą odporność na kwasy, zasady i różne rozpuszczalniki, nawet przy skrajnych wartościach pH od około 0,5 aż do 14. To, co czyni te ceramiki tak trwałymi, to ich zdolność do tworzenia ochronnych warstw powierzchniowych, które w zasadzie uniemożliwiają jonom przemieszczanie się i powodowanie korozji. Oznacza to, że mogą one prawidłowo funkcjonować przez lata w zakładach przetwarzania chemicznego, gdzie inne materiały uległyby znacznie szybszemu zniszczeniu. Co z opcjami metalowymi? Większość metali po prostu nie jest zaprojektowana tak, by wytrzymać w tych surowych warunkach. Badania wykazały, że wiele powszechnych metali zaczyna pokazywać objawy uszkodzeń już po 300–500 godzinach ekspozycji na podobne korozyjne warunki. Dlatego tak wiele zastosowań przemysłowych polega obecnie na elementach ceramicznych w przypadku kluczowych części wymagających długotrwałej niezawodności.
Najnowsze badania podkreślają wyższą trwałość ceramicznych rur ochronnych w warunkach przemysłowych oddziaływania substancji żrących:
| Ekspozycja Chemiczna | Glina (1000 h) | stal nierdzewna 316 (1000 h) | Strata masy (%) |
|---|---|---|---|
| 20% kwas siarkowy | 0.03 | 12.7 | -98% w porównaniu z metalem |
| 50% wodorotlenek sodu | 0.01 | 8.2 | -99% w porównaniu z metalem |
| Roztwory chlorowane | 0.00 | 4.1 | -100% w porównaniu z metalem |
Źródło: Czasopismo Materiałów Ogniotrwałych, 2023
Te wyniki podkreślają zdolność ceramiki do odpierania ubytkowania i pęknięć spowodowanych korozją naprężeniową w środowiskach o zmiennym pH i zawierających związki halogenowe.
Rury ochronne ceramiczne sprawdzają się bardzo dobrze w piecach szklarskich pracujących w temperaturach przekraczających 1400 stopni Celsjusza, ponieważ wykazują bardzo małe rozszerzalne cieplne i nie reagują chemicznie z otaczającymi je substancjami. Rury te pozostają nietknięte nawet wtedy, gdy są umieszczane bezpośrednio w stopionym szkle, bez pękania lub uszkadzania, co zapobiega mieszaniu się niepożądanych materiałów do produktu końcowego. Dokładne pomiary temperatury są bardzo ważne dla kontrolowania lepkości szkła podczas procesu wytwarzania. Nawet niewielkie zmiany o plus lub minus 5 stopni mogą decydować o tym, czy gotowe wyroby szklane spełnią normy jakości, czy zostaną odrzucone.
Piece do wypalania cementu narażają czujniki na temperatury dochodzące do 1450°C, pary o odczynie zasadowym oraz ścierną klinkierową. Kompozyty glinowo-cyrkonowe oferują trzykrotnie dłuższą żywotność niż alternatywy metalowe w tych warunkach, zmniejszając częstotliwość konieczności konserwacji w obracających się piecach. Ich niemakroporowata struktura zapobiega również nagromadzaniu się osadów cementowych, które mogłyby zaburzyć odczyty.
Rury z wysokoczystej gliny krzemianowej zachowują stabilność wymiarową w piecach do wypalania ceramiki osiągających temperatury 1600–1800°C, zapobiegając dryfowi czujników i gwarantując dokładność ±2°C przez ponad 5000 cykli. W piecach do obróbki cieplnej metali rury ceramiczne odporniejsze są na karburację i skaling – najczęstsze przyczyny uszkodzeń metalowych osłon.
Badanie z 2023 roku przeprowadzone wśród 200 zakładów przemysłowych wykazało, że 68% z nich przechodzi z metalowych na ceramiczne ochrony czujników w zastosowaniach wysokotemperaturowych. Główne powody to wzrost średniego czasu między awariami o 40–60% oraz kompatybilność z systemami IIoT wymagającymi stabilnych sygnałów o niskim poziomie zakłóceń.
Większość przemysłowych rurek ochronnych ze sztucznej ceramiki opiera się na materiałach takich jak glinokrzem, cyrkon lub różne mieszanki kompozytowe, aby osiągnąć trudny do uzyskania kompromis między tym, co dobrze działa, a tym, co jest finansowo uzasadnione. Wariant glinokrzemu o czystości 99,5% pozostaje popularny w zastosowaniach codziennych dzięki swojej stabilności podczas zmian temperatury w piecach, wynikającej z współczynnika rozszerzalności cieplnej rzędu 8,1 x 10^-6 na stopień Celsjusza. Gdy warunki stają się szczególnie trudne, producenci sięgają po cyrkon, który potrafi wytrzymać pękanie pod wpływem naprężeń około trzy razy lepiej niż tradycyjna ceramika, dzięki specjalnej właściwości zwanej zahartowaniem przekształceniowym. W przypadku szczególnie czystych środowisk wymaganych w liniach produkcyjnych półprzewodników, coraz więcej firm preferuje węglik krzemu zmieszany z glinokrzemem, ponieważ te materiały hybrydowe nie pozwalają zanieczyszczeniom tak łatwo przenikać, jak tradycyjne rozwiązania.
| Nieruchomości | Glinianą | Zirkonia |
|---|---|---|
| Twardość (Vickersa) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Maksymalna temperatura pracy | 1 750 °C | 2 400 °C |
| Odporność na szok termiczny | Umiarkowany | Doskonały |
| Odporność chemiczna | Odporność na silne kwasy | Stabilność w roztworach alkalicznych |
Analizy materiałowe z 2024 roku wskazują, że stabilność fazowa cyrkonii powyżej 1 100 °C czyni ją lepszym wyborem dla elektrowni węglowych, podczas gdy glinokrzemiany pozostają opłacalnym rozwiązaniem w przetwórstwie chemicznym poniżej 900 °C.
Badacze pracujący nad materiałami zaawansowanymi zaczęli tworzyć kompozyty tlenku glinu i cyrkonu mieszane z tlenkami metali ziem rzadkich. Nowe materiały prowadzą do powstania rurek, które wytrzymują ponad 5000 cykli termicznych, co oznacza około 70% lepszą wydajność w porównaniu ze standardowymi dostępnymi obecnie rozwiązaniami ceramicznymi. Kolejnym przełomem są wersje wzmocnione azotkiem krzemu, które wykazują imponujące 98% odporności na korozję w całym zakresie pH od 1 do 14, co wcześniej stanowiło poważny problem szczególnie dla oczyszczalni ścieków. Prognozy rynkowe sugerują, że te kompozytowe ceramiczne rurki ochronne mogą zdobyć udział w okolicach 35% aplikacji przemysłowych czujników na świecie do połowy dekady, jak podają eksperci specjalizujący się w technologiach systemów termicznych.
EN
