Sensores de oxigénio para fornos de fusão de vidro

Abstract

A indústria vidreira utiliza desde há vários anos sensores de oxigénio com base em zircónia. Estes dispositivos são utilizados principalmente no controlo da relação ar(oxigénio)/combustível, podendo também usar -se para medir a actividade química do oxigénio no seio da massa de vidro fundido, o que permite o controlo de algumas propriedades do vidro, bem como uma melhoria da sua qualidade. O interior dos fornos de fusão de vidro constitui um ambiente extremamente agressivo, quer na sua atmosfera quer no interior da massa fundida. Esta agressividade é devida quer às elevadas temperaturas, quer às matérias primas utilizadas no fabrico do vidro, e é responsável pelo curto tempo de vida útil dos sensores: cerca de seis meses quando colocados na atmosfera, e substancialmente inferior se imersos na massa fundida. O presente trabalho é uma contribuição para o entendimento dos processos de degradação dos sensores de oxigénio com base em zircónia, quando instalados em fornos de fusão de vidro. Com base na caracterização por espectroscopia de impedância de compósitos electrólito+vidro, foi possível constatar que a interface electrólito/vidro possui uma resposta eléctrica característica. Assim, este tipo de caracterização eléctrica permite uma avaliação não destrutiva de um electrólito sujeito a um processo de corrosão. Paralelamente, com base no estudo “post -mortem” de um sensor industrial, foi possível constatar a existência de fissuração associada às transições de fase sofridas pela zircónia após perda do agente estabilizante. Também a presença de fissuras origina uma resposta eléctrica específica, em gama de frequências próxima da das interfaces electrólito/vidro. A conjugação dos dois processos mais prováveis em termos de degradação (penetração de vidro no electrólito e fissuração) pode ser acompanhado através das respostas eléctricas a frequências fixas. Tendo em vista o alargamento do tempo de vida médio de um sensor, foram ainda ensaiados os efeitos de protecção exterior e da composição (por adição da alumina). O primeiro procedimento revelou-se altamente eficaz enquanto que o segundo sugere algum interesse prático, mas menos acentuado.

Zirconia -based oxygen sensors are used in the glass industry for many years. These devices can be used to monitor the air (oxygen)/fuel ratio but also to measure the oxygen activity inside the glass melt, and to control some of the glass properties, aiming at improved product quality. Due to the characteristics of the gas phase and melt, glass furnaces are known as highly aggressive environments. This is namely due to the high temperatures involved and nature of raw materials. As a consequence, sensor life -time is reasonably small: about six months when in contact with the gas phase and even smaller if immersed in the melt. The present work is a contribution to the understanding of the degradation processes of zirconia -based sensors used in the glass industry. Electrolyte+glass composites studied by impedance spectroscopy showed a specific electrical response due to the presence of a large electrolyte/glass interface. Based on these results, this type of characterization was suggested as a nondestructive technique to monitor the progress of corrosion in this type of electrolytes. The "post -mortem" characterization of one industrial sensor after failure, showed the presence of cracks due to the phase transitions observed by the electrolyte, following loss of stabilizing agent. Such cracks are also responsible for a specific electrical response in a frequency range close to that observed for the electrolyte/glass interface. Due to the vicinity between both electrical responses, the sensor degradation (due to formation of cracks or electrolyte/glass interfaces) can be monitored by constant frequency measurements. In order to improve the sensor life -time, tests were also made involving protection of the electrolyte and changes in composition (by addition of alumina). The first procedure was found highly effective while the second one suggested some benefit, but not so evident.