高溫熱電偶及特殊場(chǎng)合下的溫度測量

一、前言
　　溫度是一個(gè)重要的物理量，也是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的主要工藝參數?，F有的溫度傳感器主要用于一般場(chǎng)合下的溫度測量。特殊場(chǎng)合下的溫度測量是指那些條件惡劣、不能用常規傳感器實(shí)現的溫度測量，如高溫強腐蝕、等離子溫度、氣流溫度及核輻射環(huán)境下的溫度測量等。凡此種種屬特殊場(chǎng)合的條件的確很多，針對當前高溫領(lǐng)域熱點(diǎn)話(huà)題進(jìn)行探討。
1.高溫熱電偶
a.高溫熱電偶概述
　　標準型高溫熱電偶通常要封入惰性氣體保護。但是，依據使用條件.不用氣體保護的形式也存在，如實(shí)體型熱電偶等。
　　眾所周知，在1200℃以上的高溫.下，處于還原性氣氛的熱電偶將與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應.同時(shí)在熱電偶內部.保護管、絕緣物與熱電偶絲之間的接觸反應及合金元素的揮發(fā)，也將引起反應，致使熱電偶發(fā)生劣化。如果保護管內有微量氧.水或有被玷污的雜質(zhì)存在，又將顯著(zhù)加速劣化進(jìn)程。因此，要根據測量條件選擇適當的材質(zhì).并進(jìn)行嚴格管理,對延長(cháng)熱電偶的使用壽命起決定作用。
　　當溫度t>1800℃時(shí).通常選用鎢錸熱電偶(5/26):當溫度t<1800℃時(shí).可選用B型熱電偶。在核輻射的環(huán)境下.應選用Pt.5%Mo-Pt.0.1%Mo及Ni.18%Mo-Ni等特種熱電偶。
b.鎢錸熱電偶
(1)鎢錸熱電偶標準
　　鎢錸熱電偶是伴隨著(zhù)高溫測量技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，它具有熱電偶絲熔點(diǎn)高、熱電動(dòng)勢大、靈敏度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。
　　國產(chǎn)鎢錸熱電偶(WRe3/25.WRe5/26)早在1988年就實(shí)現了統一分度。為了適應我國加入WTO的形勢,我國對鎢錸熱電偶絲及分度表又進(jìn)行了修改.使之與美國ASTME696一致.該項工作已經(jīng)完成，等待審批后公布，為我國鎢錸熱電偶進(jìn)入世界市場(chǎng)創(chuàng )造必要條件。
(2)使用溫度
　　WRe合金的熔點(diǎn)在3000℃以上，但是，高溫下錸的揮發(fā)卻很?chē)乐?致使熱電偶的電動(dòng)勢很不穩定，而且高溫下鎢.絲極脆，故鎢錸熱電偶的使用溫度應限制在2300℃以下。
(3)使用氣氛
　　因WRe合金極易氧化.故不能在空氣及其他氧化性氣氛中應用，它適用于還原、惰性、真空.核輻射等環(huán)境的高溫測量。
(4)WRe5/26是鎢錸熱電偶的主導產(chǎn)品
　　為了防止偶絲變脆，在鎢錸熱電偶的兩極增加Re的含量.從而使其機械強度大幅度提高.加熱至1650℃仍不變脆。而且.鎢錸熱電偶絲經(jīng)退火處理后.初期熱電動(dòng)勢漂移問(wèn)題也解決了，并可防止熱電偶脆化斷線(xiàn)事故發(fā)生。因具有上述優(yōu)點(diǎn),在國外用WRe5/26取代3/25.0/26.5/20.并成為鎢錸熱電偶的主導產(chǎn)品。遺憾的是我國仍沿用過(guò)去習慣.多采用WRe3/25.然而.進(jìn)口儀表配套;的鎢錸熱電偶均為WRe5/26.因此,國內WRe5/26熱電偶的用戶(hù)也在逐年增加。例.2000年有80%的用戶(hù)采用3/25熱電偶.2001年降至60%.預計今年兩者能持平。由此可見(jiàn).采用WRe5/26熱電偶是眾望所歸?，F在.WRe5/26所需的儀表及補償導線(xiàn).國內均可配套供應。
(5)國產(chǎn)鎢錸熱電偶的精度與不均勻性
　　國產(chǎn)鎢錸熱電偶不僅其分度表與國際接軌，而且熱電性能也能達到國際標準。為檢測國產(chǎn)鎢錸熱電偶的精度與不均勻性。3批WRe(3/25)及(5/26)熱電偶的檢定結果為:
(a)精度.
WRe(5/26)在A(yíng)g點(diǎn)(962.78℃)以上均能達到0.25級及0.5級。
WRe(3/25)在A(yíng)g點(diǎn)以上,達到0.5級.但未達到0.25級。
　　所有樣品在A(yíng)1(660.323C)點(diǎn)均有大幅度超差,但美國Hoskins公司的產(chǎn)品卻在全范圍內達到0.25級，明顯優(yōu)于國產(chǎn)偶絲。據此結果.生產(chǎn)廠(chǎng)調整了制作工藝，再次向日方提供樣品.經(jīng)檢定均能達到美國Hoskins公司同類(lèi)產(chǎn)品水平。最近，提供鎢錸熱電偶WRe(5/26).用于粉末冶金燒結爐。經(jīng)用標樣校準，其測量精度也達到了國外同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平。
(b)不均勻性
　　對同一批鎢錸熱電偶絲WRe(5/26)頭、中、尾部分別取樣，然后在Zn.AI.Ag.Cu點(diǎn)檢定,結果見(jiàn)表1。由表1可看出，同一批鎢錸熱電偶絲的不均勻性隨溫度的增高而增大，即低溫偏差小，高溫偏差大。我國鎢錸熱電偶及分度表新標準中規定，整卷(盤(pán))偶絲正極或負極在1200℃時(shí)，其不均勻熱電動(dòng)勢不得超過(guò)80μV。表1中雖然沒(méi)有1200℃.時(shí)的數據.但由Cu點(diǎn)實(shí)測值計算其不均勻性電動(dòng)勢，遠低于規定數值。
 
①-③=1096.20-1096.397=-0.197(℃)
②-①=1095.075-1096.20=-1.125(℃)
在1100℃，WRe(5/26)的熱電動(dòng)勢率為17.8μV/℃.那么在Cu點(diǎn)最大的不均勻性則為1.125x17.8=20μV。
(c)物理性能
　　國產(chǎn)鎢錸熱電偶絲的熱電性能與國際是接軌的，但是其物理性能，尤其是韌性欠佳，正極很脆，稍不留心就會(huì )折斷，國外鎢錸熱電偶的韌性明顯優(yōu)于國.內，國產(chǎn)偶絲的韌性有待進(jìn)一步提高。
d.鉑銠30-鉑銠6型熱電偶
(1)適用氣氛:氧化及惰性氣氛。
(2)鉑銠合金的中子吸收截面大.在核輻射條件下，短期內蛻變成Pd,不適用于核輻射環(huán)境測溫。
e.復合型實(shí)體熱電偶
　　由金屬、陶瓷或金屬陶瓷保護管.高性能熱電偶及填充劑等構成的復合管型實(shí)體熱電偶是一種產(chǎn)品。由于結構緊密，殘留的空氣少而不流動(dòng).可大大減少K型熱電偶正極中鉻的選擇性氧化程度，從而提高了廉金屬熱電偶的長(cháng)期穩定性。在裝配式熱電偶中，雖然可以看到具有雙層套管的熱電偶，首次將鎧裝熱電偶實(shí)體化的概念用于裝配式熱電偶，而且對于保護管的選擇范圍也十分廣泛。陶瓷管或非金屬管間、金屬與非金屬管間的復合.提高了強度、耐磨性能.抗熱沖擊,進(jìn)一步延長(cháng)了熱電偶的使用壽命。在下述實(shí)用測溫技術(shù)中，有許多成功的范例。
2.高溫用保護管
　　對于高溫測量.恰如其分的選擇保護管材質(zhì)是決定熱電偶可靠性及壽命的關(guān)鍵所在。因此,為了選擇適合的保護管材質(zhì)，使用者應掌握在特殊條件下.有關(guān)測量對象與保護管及熱電偶材料間復雜化學(xué)反應等知識。高溫用保護管材料特性概要見(jiàn)表2、3。
 
　　目前，國內能提供的燒結鉬管.規格φ6~8,L=500~600mm,經(jīng)使用結果表明.再結晶溫度低.比較脆.性能有待進(jìn)一步提高。高溫鉬管較燒結管性能稍有改善，當然加工鉬管性能更好，希望國產(chǎn)加工銅管能及時(shí)供貨。
3.高溫用熱電偶絕緣管
　　通常采用MgO.Al2O3粉作絕緣材料,但在1200℃以上,其絕緣電阻急劇.下降，而燒成后絕緣管的絕緣電阻將比相同粉體材質(zhì)提高10倍。因此，作為高溫用熱電偶絕緣管主要采用燒成的高純Al2O3、BeO及BN管，不僅絕緣電阻高.還可防止因熱應力而斷線(xiàn)的事故發(fā)生。
　　鎧裝熱電偶(2300型).據報導具有耐高溫、使用壽命長(cháng)的特點(diǎn)。10支{φ6.4x1350mm)該熱電偶.使用結果表明，在1200℃下.不到10天即發(fā)現因絕緣性能下降，儀表示值上下波動(dòng),其性能與報導不符。其原因就在于材料的絕緣性能欠佳。日本學(xué)者也發(fā)現該熱電偶存在相同問(wèn)題。后來(lái)改成裝配式熱電偶即克服了上述問(wèn)題。
三、高溫熔體溫度測量
1.金屬熔體
　　常見(jiàn)的金屬熔體有鋅、鋁、銅、鐵、鋼水等.針對這5種介質(zhì).分別開(kāi)發(fā)出相應的特種溫度傳感器。僅介紹其中兩種。
a.鋁液及鋁電解質(zhì)連續測溫
(1)鋁液連續測溫
　　對于鋁錠熔化爐.鋁液保持爐或鑄造爐及鋁液精煉爐中鋁液溫度的連續測量與控制，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、節能降耗的重要條件。鋁液溫度雖然不高但腐蝕性強，在熔化或精煉過(guò)程中.還要加料.加精煉劑、除氣劑、覆蓋劑，進(jìn)行機械或電磁攪拌、機械扒渣等工藝操作。因此.采用常規的方法是不能湊效的。針對.上述情況，開(kāi)發(fā)出兩種保護管。
(a)MPT-1型合金保護管
　　其特點(diǎn)為強度高、韌性好.耐腐蝕，在有機械扒渣的情況下仍不易碰斷:用于某鋁廠(chǎng)(保持爐)的鋁連軋生產(chǎn)線(xiàn).不僅價(jià)格便宜，而且性能上也達到進(jìn)口產(chǎn)品水平。目前，除貴鋁.外，尚有包鋁等多家鋁廠(chǎng)及鋁加工行業(yè)應用。
(b)氮化硅結合碳化硅管或表面改性碳化硅管
　　其特點(diǎn)是強度低，易破損，但不玷污鋁液應用于鋁輪轂行業(yè)對鐵雜質(zhì)要求極嚴的場(chǎng)合。合金管是不適用的。
(2)鋁電解質(zhì)間歇式在線(xiàn)測溫
　　鋁電解質(zhì)溫度間歇式在線(xiàn)測量裝置，自2001年5月在包頭鋁廠(chǎng).二電解投入運行，情況良好。經(jīng)專(zhuān)家鑒定認為,該套測溫裝置解決了鋁電解質(zhì)溫度實(shí)時(shí)測量問(wèn)題，為槽控軟件在溫度控制方面的重大突破提供了重要的前提條件，以便在現有物料平衡的基礎上實(shí)現能量平衡控制、使我國鋁工業(yè)在降低能耗方面上一個(gè)新臺階。
　　有關(guān)鋁電解質(zhì)溫度連續測量.熱電偶的使用壽命已達48天,仍在繼續研究。
b.銅液連續測溫
　　對于銅加工行業(yè)中銅液連續測溫.采用金屬陶瓷保護管.內插K或S型熱電偶,制成實(shí)體化熱電偶。自1985年以來(lái)，經(jīng)現場(chǎng)使用證明具有如下特點(diǎn):耐高溫，使用壽命長(cháng)(在1000h以上):熱電性能穩定;響應速度快;安全可靠。
c.便攜式浸入型測溫儀
　　測溫儀是由熱電偶、保護管及數字顯示儀表構成的。該種測溫儀在鋁電解行業(yè)應用多年，用戶(hù)很滿(mǎn)意。具有如下特點(diǎn):
(1)測槍及顯示儀表一體化,溫度數碼顯示，直觀(guān)且準確，并有峰值保持功能:
(2)保護管耐腐蝕，使用壽命長(cháng)(100~500次)，測溫費用低:
(3)結構簡(jiǎn)單，熱電偶及保護管均可更換;
(4)精度高，測溫儀整體檢定后偏差僅為1~2℃.可用于現場(chǎng)校驗。
2.高溫鹽浴爐連續測溫
　　高溫鹽浴爐連續測溫常用的保護管有:
(1)金屬保護管、不銹鋼或高溫合金管
　　美國常用Inconel或446耐熱鋼管.使用壽命約7~20天(約500h)。
(2)金屬陶瓷管
　　保護管當應用在高溫鹽浴爐中時(shí)其壽命大于1400h，目前已在全國范圍內推廣。
四高溫強腐蝕還原性氣體測溫
1.連續滲碳爐專(zhuān)用實(shí)體熱電偶
　　瓦房店的電輻射加熱滲碳爐,工藝溫度為930±5℃.每臺爐共分5個(gè)溫區.用熱電偶測量各部位溫度。其存在的問(wèn)題是熱電偶腐蝕嚴重.壽命短.偏差大.運行時(shí)間僅一兩周，顯然是不適用的。自1994年6月10日起，在滲碳爐內陸續.安裝有研制的滲碳爐專(zhuān)用實(shí)體熱電偶。使用結果表明:實(shí)體熱電偶平均使用壽命在12個(gè)月以上，用戶(hù)很滿(mǎn)意。易普森工業(yè)爐、韓國熱處理.中國一汽.二汽等也開(kāi)始采用實(shí)體熱電偶(見(jiàn)表4)。實(shí)踐結果同樣可以證明，其使用壽命在1年以上，在二汽變速箱廠(chǎng)連續滲碳爐使用壽命超過(guò)18個(gè)月，成功地實(shí)現了進(jìn)口傳感器的國產(chǎn)化。滲碳爐專(zhuān)用熱電偶的優(yōu)越性正在被入們所認識.其應用范圍正在逐步擴大。.
 
2.粉末冶金燒結爐
　　為防止工件氧化.粉末冶金燒結爐.通常在H2氣氛下燒結，溫度為1500~800℃?？寡趸u錸熱電偶.可用于國內粉末冶金行業(yè)以替代進(jìn)口產(chǎn)品，其壽命雖不如進(jìn)口熱電偶，但價(jià)格便宜.在性能價(jià)格比方面仍有優(yōu)勢。
五、高溫真空爐連續測溫
　　最近幾年真空冶金的發(fā)展促進(jìn)了真空爐制造業(yè)的發(fā)展，因此對高溫真空爐專(zhuān)用熱電偶的需求也越來(lái)越迫切。鉑銠熱電偶不僅價(jià)格昂貴，而且使用溫度上限僅為1800℃.超過(guò)1800℃只能采用WRe熱電偶.可是絕緣材料卻難以滿(mǎn)足要求。雖然BeO絕緣性能很好.但有毒。最近，采用氮化物作絕緣管.可將真空爐專(zhuān)用熱電偶的使用溫度延至2000℃.應用前景很誘人。作為真空爐專(zhuān)用熱電偶.必須防止空氣進(jìn)入真空爐，因此對應用于真空爐的熱電偶的漏氣率有要求，通常用壓升率指標來(lái)控制。開(kāi)發(fā)的真空爐專(zhuān)用熱電偶.采用實(shí)體化結構及密封性極強的接線(xiàn)方式.很好地解決了金屬與陶瓷的封接，可保證熱電偶的壓升率小于1Pa/h.即使保護管折斷了也不會(huì )破壞體系真空度。
六、流化床等高溫流動(dòng)粉體溫度測量
　　對于輸煤系統、流化床.水泥熟料及耐火材料等流動(dòng)粉體的溫度測量，尤其是增壓流化床(PFB)的床溫測量.因高溫流動(dòng)粉體對保護管磨損及腐蝕均很?chē)乐?，一直是高溫測試領(lǐng)域中富于挑戰性的課題之一。
對于使用溫度低于500℃的流動(dòng)粉體.可采用高強鋼或表面改性技術(shù).噴涂WC或Ni-Cr-Si-B合金.其硬度可達到60~70(HRc)。當用于煉油廠(chǎng)作耐磨熱電偶.效果良好。如果常用溫度在1000℃左右，可采用鈷基合金保護管(商品名為UMC050).該種保護管具有優(yōu)異的耐熱沖擊.耐磨性能及高溫強度，對硫化物及釩具有良好的耐腐蝕性能.但價(jià)格昂貴。為降低成本.可采用雙金屬復合管結構用于PFB現場(chǎng)。結果表明:在溫度為1000℃的情況下.使用壽命不少于1000h。除此以外，日本山里公司在保護管形狀上下功夫.有助于延長(cháng)使用壽命，在900~1000℃的流化床及燃燒鍋爐中使用壽命可達到3年。應用陶瓷、金屬復合結構制成的耐磨熱電偶，當用于營(yíng)口化工廠(chǎng)以取代噴涂材料.博得用戶(hù)的好評。
　　最近，國內又研制出新型高溫高強度耐磨高溫合金HR1230.這是專(zhuān)門(mén)針對高溫耐磨環(huán)境開(kāi)發(fā)的全新型Ni-Cr-W-Mo-AI高溫高強耐磨合金，具有很高的高溫強度及優(yōu)良的抗氧化性，以及很好的高溫穩定性及良好的加工性能。合金長(cháng)期使用溫度為800~200℃.短期最高達1280C.其高溫強度基本達到高強合金的水平,而且國產(chǎn)HR1230型合金在價(jià)格上具有明顯優(yōu)勢。近兩年.當其用于流化床時(shí)，取得了很好的效果.其應用范圍正在逐步擴大。
七、結論
　　針對高溫、真空、還原等強腐蝕場(chǎng)合下急需的溫度傳感器.開(kāi)發(fā)出真空爐專(zhuān)用熱電偶、復合管型實(shí)體熱電偶、鋁液與銅水連續測溫用熱電偶.在引進(jìn)的真空爐，連續滲碳爐.鋁.銅連軋生產(chǎn)線(xiàn).上得到應用，取得了良好的效果，受到用戶(hù)好評。多年來(lái)的實(shí)踐證明，中國科技工不僅可使進(jìn)口的溫度傳感器國產(chǎn)化.節約大量外匯.而且可打進(jìn)國際市場(chǎng)。