Endüstriyel sensörlerin yaklaşık 1.750 derece Celsius sıcaklıktaki erimiş metal ya da kimyasal işlemlerin çok yoğun olduğu tesisler gibi oldukça zorlu koşullarda çalışması gerekir. Bu sensörleri korumak için genellikle seramik tüpler, hasarlara karşı birincil kalkan olarak kullanılır. Bu tüpler tipik olarak aşırı ısıya dayanabilen ve çoğu maddeyle kimyasal tepkimeye girmeyen alümina veya zirkonya kompozitlerinden yapılır. Seramikleri metallerden ayıran en önemli özellik, sayısız ısınma ve soğuma döngüsünden sonra bile şekil değiştirmeden kalabilmeleridir. Bu da sensör okumalarında daha az sapmaya neden olur çünkü metal kadar genleşip daralmazlar. 2023 yılında malzeme dayanıklılığı üzerine yayımlanan son araştırmalara göre, paslanmaz çelik kılıflardan seramik tüplere geçilmesi sadece cam fırınlarda sensör değiştirme ihtiyacını yaklaşık üçte ikiye düşürmüştür.
Aşırı sıcaklık dalgalanmalarıyla başa çıkmak söz konusu olduğunda, seramik tüpler özellikle dakikada 200 derece Celsius veya daha fazla olan bu hızlı değişimlerle karşılaşıldığında bileşenleri gerçekten strese sokan ve çatlakların oluşmasına neden olan durumlarda geleneksel malzemelerin çoğunu açık ara geride bırakır. Sır kısmen termal genleşme özelliklerinde yatmaktadır. Örneğin alümina seramikleri ele alalım; bunlar her derece Celsius başına metre başına yaklaşık 8,6 mikrometre genleşir ve bu değer standart 316 paslanmaz çeliğin gösterdiği 17,3 değerinin çok altındadır. Bu da seramik parçaların ileri geri olan bu ısıtma ve soğutma döngülerinden kaynaklı yorulmanın çok altında kalması anlamına gelir. Malzemelerin zaman içinde nasıl dayandıklarını inceleyen araştırmalar özellikle zirkonya bazlı tüpler hakkında oldukça etkileyici şeyler ortaya koymuştur. Bu tüplerin 1.200 derece gibi yüksek sıcaklıklardan oda sıcaklığı olan 25 dereceye kadar tamamlanan 5.000'in üzerinde termal döngüye maruz kalındıktan sonra bile herhangi bir aşınma belirtisi göstermeden dayandığı gösterilmiştir. Bu tür bir dayanıklılık onları fırınlar ve ısıl işlem ocakları gibi sürekli olarak ısıtıp tekrar soğutulan endüstriyel ortamlarda kullanılma açısından mükemmel adaylar haline getirir.
Kimya tesislerinde ve atık yakma tesislerinde seramik tüpler şunlar gibi sert koşullara dayanır:
Korozyon direnci çalışmaları, petrokimya uygulamalarında seramik korumanın polimer kaplı metal kılıflara kıyasla sensör ömrünü 3-5 kat uzattığını doğrular.
Seramik koruma tüpleri, sürekli kullanım sırasında yaklaşık 1.600 dereceye kadar olan sıcaklıklara dayanabilir ve son yapılan yüksek sıcaklık malzemeleri üzerine yapılan çalışmalara göre bazı gelişmiş kompozit türleri 2.000 derecenin üzerine çıkmıştır. Polimerler ise tamamen farklıdır ve yaklaşık 300 derecenin üzerine çıkıldığında bozunmaya başlar. Alümina bazlı seramikler çok az genleşir, aslında 1.200 derece Celsius'ta bile doğrusal olarak %1'den daha azdır. Zirkonya ise dakikada 500 derecenin üzerindeki termal değişimlere çatlamadan dayanabilmesi açısından oldukça etkileyicidir. Bu özellikler, seramikleri diğer malzemelerin dayanamayacağı kadar zorlu ortamlarda çok değerli hale getirir.
Seramiklerde kovalent bağlama, termal yorgunluğa olağanüstü direnç sağlar. Silikon karbid tüpleri, nükleer enerji malzemeleri çalışmalarında doğrulanmış, % 2'den az kalıcı deformasyonla 200 °C ile 1,400 °C arasında 15.000'den fazla ısıtma-soğutma döngüsüne dayanır. Bu dayanıklılık, günlük dalgalanmaların genellikle 800 °C'yi aştığı metal ısı işleme fırınlarında çok önemlidir.
1200 ° C'de paslanmaz çelik kılıflar %12 - 15% genişlerken, seramikler sadece %0.5 - 0.8 genişler. Seramikler ayrıca metallerde görülen çarpma veya erime gibi ani arıza modlarını da önler. Endüstri verileri, camı ısıtma hatlarında seramikle korunan sensörlerin 8-10 yıl sürdüğünü, metal koruma ünitelerinde elde edilen 2-3 yıla göre önemli ölçüde daha uzun sürdüğünü göstermektedir.
Alümina Al2O3 ve zirkonya ZrO2 gibi malzemeler, pH seviyesi yaklaşık 0,5'ten 14'e kadar uzanan ekstrem koşullarda bile asitlere, bazlara ve çeşitli çözücülere karşı dikkat çekici bir direnç gösterir. Bu seramikleri bu kadar dayanıklı kılan şey, iyonların hareket etmesini ve korozyona neden olmasını engelleyen koruyucu yüzey katmanları oluşturabilme yetenekleridir. Bu da kimyasal işlem tesislerinde diğer malzemelerin çok daha hızlı bozulacağı ortamlarda yıllarca sorunsuz çalışabilmelerini sağlar. Metal seçeneklere gelince; çoğu metal bu tür sert ortamlarda uzun ömürlü olacak şekilde üretilmemiştir. Testler, yaygın metallerin benzer aşındırıcı koşullara maruz kalınmasıyla yalnızca 300 ila 500 saat sonra bozulma belirtileri göstermeye başladığını ortaya koymuştur. Bu yüzden, uzun vadeli güvenilirlik gerektiren kritik parçalar için artık birçok endüstriyel uygulama seramik bileşenlere güvenir.
Yakın çalışmalar, endüstriyel koroziflerde seramik koruma tüplerinin üstün dayanıklılığını ortaya koymaktadır:
| Kimyasal Maruz Kalma | Alümina (1.000 saat) | 316 Paslanmaz Çelik (1.000 saat) | Kütle Kaybı (%) |
|---|---|---|---|
| %20 Sülfürik Asit | 0.03 | 12.7 | -98% metal karşıtı |
| %50 Sodyum Hidroksit | 0.01 | 8.2 | -99% metal karşıtı |
| Klorlu Çözeltiler | 0.00 | 4.1 | -100% metal karşıtı |
Kaynak: Yüksek Sıcaklık Malzemeleri Dergisi, 2023
Bu sonuçlar, seramiklerin pH değerleri değişen ve halojen bileşikleri içeren ortamlarda oyuklanmaya ve gerilim eşliğinde korozyon çatlamasına direnme yeteneğini vurgulamaktadır.
1.400 derecenin üzerinde çalışan cam fırınlarında seramik koruma tüpleri, ısıtıldıklarında çok az genleşmeleri ve çevrelerindeki hiçbir maddeyle kimyasal tepkimeye girmemeleri nedeniyle oldukça iyi çalışır. Bu tüpler, erimiş cama doğrudan yerleştirildiklerinde bile parçalanmadan veya hasar görmeden bütünlüklerini korur ve böylece son üründe istenmeyen maddelerin karışmasını engeller. İşleme sırasında camın ne kadar akışkan ya da kalın olacağını kontrol etmek için doğru sıcaklık ölçümleri almak büyük önem taşır. Artı veya eksi sadece 5 derecelik küçük değişimler, bitmiş cam ürünlerinin kalite standartlarını karşılayıp karşılamayacağı ya da reddedilip edilmeyeceği konusunda belirleyici olabilir.
Çimento fırınları, sensörleri 1.450 °C sıcaklığa, alkali buharlara ve aşındırıcı klinker parçacıklarına maruz bırakır. Alümina-zirkonya kompozitler, bu koşullarda metal alternatiflerin üç katı ömre sahip olup döner fırın ortamlarında bakım sıklığını azaltır. Gözeneksiz yapıları aynı zamanda ölçüm hatalarına yol açabilecek çimentolu birikimlerin oluşmasını önler.
Yüksek saflıkta alümina tüpler, 1.600–1.800 °C'ye ulaşan seramik pişirme fırınlarında boyutsal kararlılığı koruyarak sensör kaymalarını engeller ve 5.000 çevrim boyunca ±2 °C doğruluk sağlar. Metal ısıl işlem fırınlarında seramik tüpler, metal kılıflarda yaygın olan karbürleşme ve pul pul dökülme gibi arızalara direnç gösterir.
200 endüstriyel tesisi kapsayan bir 2023 anketi, yüksek ısı uygulamalarında metal korumadan seramik sensör korumasına geçişteki tesislerin %68'ini gösterdi. Bu geçişi sağlayan temel faktörler, arızalar arasındaki ortalama sürede %40-60 artış ve kararlı, düşük gürültülü sinyaller gerektiren IIoT sistemleriyle uyumluluktur.
Çoğu endüstriyel seramik koruma tüpü, iyi çalışan bir yapı ile mali açıdan mantıklı olanı dengelemek için alümina, zirkonya veya çeşitli kompozit karışımlar gibi malzemelere dayanır. %99,5 saflıkta alümina, fırın içindeki sıcaklık değişimlerine karşı yaklaşık 8,1 x 10^-6 /°C olan termal genleşme oranı sayesinde gösterdiği kararlılık nedeniyle günlük uygulamalarda popülerliğini korumaktadır. Zorlu ortamlarda ise üreticiler, dönüşüm sertleşmesi adı verilen özel bir özellik sayesinde normal seramiklere göre yaklaşık üç kat daha fazla kırılmaya karşı direnç gösteren zirkonyaya yönelmektedir. Yarı iletken üretim hatlarında gereken çok temiz ortamlarda ise birçok şirket, geleneksel malzemelere göre kontaminasyonun geçişine daha az izin veren bu hibrit malzemeler nedeniyle alümina ile karıştırılmış silisyum karbür tercih etmektedir.
| Mülk | Alüminyum | Zirkonya |
|---|---|---|
| Sertlik (Vickers) | 15–19 GPa | 12 GPa |
| Maks. Çalışma Sıcaklığı | 1.750°C | 2.400°C |
| Isı Şok Direnci | Orta derecede | Harika |
| Kimyasal direnci | Güçlü asit toleransı | Alkali çözelti stabilitesi |
2024 yılı malzeme analizleri, zirkonyanın 1.100°C'nin üzerindeki faz stabilitesinin onu kömür yakıtlı termik santraller için daha uygun hale getirdiğini gösterirken, alüminanın 900°C'nin altındaki kimyasal işlemler için ekonomik seçenek olmaya devam ettiğini ortaya koymaktadır.
İleri malzemeler üzerinde çalışan araştırmacılar, nadir toprak oksitler ile karıştırılmış alümina zirkonya kompozitleri üretmeye başladı. Bu yeni malzemeler, şu anda mevcut olan standart seramik seçeneklerine kıyasla yaklaşık %70 daha iyi performans gösteren ve 5.000'in üzerinde termal çevrimde dayanabilen tüplerin üretilmesini sağlıyor. Diğer bir gelişmeyse, pH değerinin 1 ila 14 aralığında tamamında etkileyici %98 korozyon direnci gösteren silikon nitrür takviyeli versiyonlardan geldi ve bu durum özellikle atık su arıtma tesisleri için daha önce büyük sorun oluşturuyordu. Termal sistem teknolojileri uzmanlarına göre piyasa tahminleri, bu kompozit seramik koruyucu tüplerin orta vadeli dönemde dünya çapında endüstriyel sensör uygulamalarının yaklaşık %35'inde yer edinebileceğini öngörüyor.
EN
