Schäden an Y2O3-teilstabilisierten Zirkonoxid-Sauerstoffmeßsonden nach dem Einsatz in Regenerativkammern von Flachglaswannen : Teil 1. Schäden nach Erdgasbefeuerung

Abstract

Chemically mismatched contact, for example with mortar, led to the formation of corrosion deposits after an exposure for up to seven months in natural gas or oil fired furnaces and led to breakage of yttria partially stabilized zirconia oxygen probes (Y-PSZ) because of sagging caused by horizontal Installation. In addition the following changes in the Y-PSZ ceramic were also observed: the original stress system which improved thermal shock resistance changed both its optical polarization and x-ray properties according to the thermal history. Above 400 °C deposits from the furnace atmosphere (especially addition of sodium, sulphur. phosphorus, iron, vanadium) accelerated crystallization of the yttrium-containing polymorphs of zirconia. The rate of destabilization detected by monocline ZrO2 crystalline solution was determined by the diffusion of cations. The formation of a multicomponent partial melt undersaturated in cations and the transport of yttrium in the solid phases and partial melts caused the observed local structural changes in the Y-PSZ ceramic. Comparison of experimental results for calcium stabilized zirconia probes (Ca-VSZ) and those for Y-PSZ show that simple design changes could give improved life. Des contacts ceramiques chimiquement differents (par exemple avec des mortiers) ont entraine apres sept mois de chauffage au mazout ou au gaz, la formation de croutes dues à la corrosion, causant ainsi par sollicitation mecanique (flexion par suite d'un montage horizontal) la rupture des sondes à oxygene en ZrO2 partiellement stabilisees par Y2O3. En outre, on a observe les modifications suivantes du materiau ceramique qui constitue ces sondes: la structure initiale due à la contrainte qui ameliore la resistance aux chocs thermiques, se modifie en fonction du gradient de temperature agissant sur le tube, entrainant ainsi un changement des proprietes de polarisation optique et des proprietes cristallographiques de la ceramique. Au-dessus de 400 °C a lieu, renforcee sous l'influence de depots provenant de l'atmosphere du bassin (en particulier l'introduction de sodium, soufre, phosphore, fer, vanadium), une recristaliisation des modifications polymorphiques de ZrO2 renfermant de l'yttrium. La vitesse de destabilisation (identification de solutions solides monochniques de ZrO2) est determinee par la diffusion des cations. Les variations structurales locales qui ont lieu dans la ceramique sont dues à l'apparition par fusion partielle de liquides à plusieurs constituants sous-satures en cations et au transport de l'yttrium dans des solides et des liquides. Une comparaison des resultats d'etudes de sondes stabilisees par du calcium avec ceux de sondes stabilisees par de l'yttrium, indique que l'on pourrait facilement augmenter la duree de vie des sondes en ameliorant leur conception. Chemisch ungleiche keramische Kontakte (z. B. mit Mörteln) führten nach bis zu 7 Monaten Erdöl- oder Erdgasbefeuerung zu Korrosionskrusten, die bei mechanischer Beanspruchung (Durchbiegen infolge waagerechten Einbaues) den Bruch der mit Y2O3 teilstabilisierten Zirkonoxid(= Y-PSZ)-Meßsonden verursachen. Außerdem werden folgende Veränderungen der Y-PSZ-Keramik beobachtet: Das die Temperaturwechselbeständigkeit steigernde ursprüngliche Spannungsgefüge verändert in Abhängigkeit von der Temperaturbelastung seine polarisationsoptischen und röntgenografischen Eigenschaften. Oberhalb 400 °C tritt - unter dem Einfluß von Niederschlägen aus der Wannenatmosphäre (insbesondere Zufuhr von Natrium, Schwefel, Phosphor, Eisen, Vanadium) verstärkt - eine Umkristallisation der yttriumhaltigen ZrO2-Modifikationen auf. Die Geschwindigkeit der Destabilisierung (Nachweis monokliner ZrO2-Mischkristalle) wird von der Diffusion der Kationen bestimmt. Das Entstehen von an Kationen untersättigten Vielkomponenten-Teilschmelzen und der Transport des Yttriums in Festkörpern und Teilschmelzen bedingen die auftretenden örtlichen Gefügeänderungen der Y-PSZ-Keramik. Ein Vergleich der Untersuchungsergebnisse der Ca-VSZ- mit denen der Y-PSZ-Meßsonden ergibt, daß durch einfache konstruktive Verbesserungen die Standzeiten erhöht werden könnten.