熱電偶失效原因分析和對策

摘要:液晶玻璃基板鉑金通道溫度測量普遍采用裸絲熱電偶,對生產(chǎn)使用中短時(shí)間常出現開(kāi)路失效的情況進(jìn)行綜合分析,根據熱電偶拆除后偶絲的檢查情況，分析為氧化導致開(kāi)路失效，針對性提出改進(jìn)對策方案，最終取得較為理想的效果。
0概述
      現代TFT基板玻璃生產(chǎn)中,普遍使用了鉑金通道澄清方式,其加熱方式為在鉑金管道上通以大電流,以鉑金管道本身作為發(fā)熱載體，對內部的玻璃液進(jìn)行加熱。通道加熱方式一般采用溫度控制加熱功率的閉環(huán)控制模式，測定鉑金管壁的溫度,根據測定的溫度和設定目標值溫度比較,調整通過(guò)該鉑金管道的電流電壓，進(jìn)而調整鉑金發(fā)熱量來(lái)改變溫度,使之控制在目標值誤差精度范圍內。
      鉑金通道溫度的穩定與否,將直接決定了工藝參數的穩定運行,對基板玻璃的品質(zhì)有很大的影響，影響著(zhù)氣泡、鉑金顆粒、玻璃結石、條紋等諸多缺陷的產(chǎn)生畢。熱電偶穩定連續的測量并提供真實(shí)可靠的溫度數據,對工藝的調整至關(guān)重要。
1結構形式和使用環(huán)境
1.1結構形式
      基板通道.上熱電偶--般采用鉑銠貴金屬熱電偶,常用的有R型、S型和B型。通常采用裸偶直接或間接焊接在鉑金管道本體上的安裝方式。直接焊接即將熱電偶兩根偶絲先焊接在一-起,如圖1中a所示,然后再焊接在鉑金管道本體.上,這樣測得的就是最直接的鉑金管壁的溫度。但是通道本體是一個(gè)大電流的載流體，也就是熱電偶是測量帶電體的溫度,這樣的結構形式使得熱電偶容易受到更多電氣因素的影響,從而影響熱電偶的測量正確性和使用壽命。間接焊接一般是在鉑金管壁上趴焊一個(gè)小的鉑金片,然后將熱電偶接觸點(diǎn)焊接在該小鉑金片上,如圖1中b所示。這樣的結構可以減少鉑金管道大電流對熱電偶測量精度的影響。此外,所有的測溫點(diǎn)都配備雙偶，當一組偶絲出現故障時(shí)候,可以很快切換到另外--組偶絲。

      因為所有的偶絲都需要從最內層耐火材料--直貫穿到最外層保溫材料，然后才可以連接到測量?jì)x表中,測出所需要的溫度數值,如圖2所示。在常溫和高溫下，各種材料膨脹系數不同，當設備從常溫狀態(tài)升溫到使用溫度狀態(tài),一.般在1600℃以上，不同的材料會(huì )產(chǎn)生不同的位移。為了防止在熱膨脹過(guò)程中熱電偶絲被拉扯而產(chǎn)生斷線(xiàn),在安裝時(shí)候，所有的偶絲均進(jìn)行了預處理,一-是退火處理,退火處理是將偶絲在安裝前進(jìn)行預升溫到1000℃,然后以緩慢速度降溫,實(shí)現偶絲退火,退火后的偶絲變得柔軟，可塑性更好;二是預留膨脹空間，在所有的偶絲安裝到設備后，在每根偶絲外套上陶瓷小管,保證兩根偶絲在引出過(guò)程中不能發(fā)生短路現象，再在陶瓷小管外邊包裹約10mm厚的耐火棉，穿過(guò)耐火材料預留孔，引出到外部空間接線(xiàn)盒,利用保溫棉彈性保證膨脹過(guò)程中偶絲不被拉扯到。

1.2使用環(huán)境
      貴金屬熱電偶使用溫度在1300~1650℃,在偶絲進(jìn)出的通道四周，盡可能密封得嚴嚴實(shí)實(shí)。周?chē)突鸩牧?般為氧化鋁為主的耐高溫材料和以硅酸鋁為主的保溫磚或保溫板、保溫棉,盡可能控制碳的含量,在.安裝過(guò)程中,盡可能減少金屬雜質(zhì)混入。在氣氛控制上,盡量減少氧化氣氛，但是又需要保證不能出現還原氣氛，故在以氮氣為主的氣體中加入了少量的氧氣和水蒸氣。
2故障原因
      2014年某公司一產(chǎn)線(xiàn)按照正常的程序安裝調試和升溫啟動(dòng),并順利達到了正常的工藝狀態(tài)，當生產(chǎn)運行到約10個(gè)月的時(shí)候,開(kāi)始先后出現了8組熱電偶失效,經(jīng)過(guò)現場(chǎng)測量,確認電阻無(wú)窮大，即處于開(kāi)路狀態(tài)。且備用熱電偶在使用前后幾個(gè)月內也相繼失效。這些熱電偶基本都發(fā)生在高溫段，導致高溫段尤其是澄清段沒(méi)有了可供參考的溫度測量數據,對生產(chǎn)工藝造成較大的影響。在此期間只能靠各個(gè)回路的加熱功率和.操作人員的經(jīng)驗判斷，以及降溫段的溫度顯示數據來(lái)參考。問(wèn)題發(fā)生后,對可能造成熱電偶批量開(kāi)路的原因進(jìn)行了相關(guān)資料查找、分析和匯總，結合現場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分析。-般情況下，出現熱電偶開(kāi)路有以下幾種原因。
2.1機械性損傷
       熱電偶偶絲在受到外力拉伸或者剪切,發(fā)生機械性斷裂。因為偶絲從內到外穿過(guò)可能不止一層耐火材料以及鋼結構外殼。無(wú)論是自然膨脹受到阻礙還是耐火材料或鋼結構之間位移,或者是鉑金本體在熱脹過(guò)程中與接線(xiàn)盒之間發(fā)生位移，都有可能導致偶絲受到拉力或者剪切力，當超過(guò)一定程度后就可能發(fā)生偶絲斷裂。此外，部分偶絲在生產(chǎn)環(huán)節制作完成后,沒(méi)有經(jīng)過(guò)有效的退火,殘存應力較大,在受到外界機械力量的多次彎折，會(huì )出現折斷的可能。
2.2高溫熔斷
      無(wú)論何種牌號的熱偶,都有一定的使用范圍，一般來(lái)說(shuō)貴金屬熱電偶的使用溫度較大,其中又以B型熱電偶長(cháng)期使用的溫度更高些。當一定牌號的熱電偶處在高于其使用溫度的環(huán)境下，或者局部過(guò)熱,都會(huì )導致偶絲變軟,超過(guò)貴金屬熔點(diǎn)就會(huì )出現偶絲熔斷的可能。
2.3物理化學(xué)侵蝕.
      偶絲在使用中有其固定的使用環(huán)境,不同的環(huán)境會(huì )對偶絲的侵蝕有不同的影響。--般來(lái)講,貴金屬處于氧化物包圍的環(huán)境相對安全,當環(huán)境中有金屬單質(zhì)或者碳、硅等單質(zhì)存在，會(huì )與貴金屬在高溫下形成共晶體或共熔體回,其熔點(diǎn)遠低于貴金屬本身的熔點(diǎn)，會(huì )造成偶絲局部劣化而斷裂。
2.4揮發(fā)
      在空氣氣氛中，當超過(guò)一定溫度后，貴金屬也會(huì )被氧化，氧化后形成貴金屬氧化物,便以氣態(tài)形式揮發(fā)到周?chē)髿庵?遇到冷點(diǎn)又凝結，如此循環(huán)經(jīng)過(guò)一定的使用時(shí)間，偶絲就可能出現局部斷裂,這種現象一.般發(fā)生.在偶絲保護管接口處。偶絲在中性或者惰性氣氛中相對最安全,因為氧化氣氛會(huì )加速貴金屬氧化揮發(fā),還原氣氛有可能導致周?chē)渌镔|(zhì)還原形成金屬單質(zhì)。
      由于在生產(chǎn)中無(wú)法將損壞的偶絲拿出來(lái)進(jìn)行分析,也無(wú)法判斷內部氣氛等狀況,故對其中真實(shí)的原因進(jìn)行判斷，只能待產(chǎn)線(xiàn)停止后揭破分析。經(jīng)過(guò)半年多的時(shí)間后,由于其它的原因導致該產(chǎn)線(xiàn)停產(chǎn)大修,整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)降溫后拆除,拆開(kāi)所有的熱偶分析后發(fā)現，多數偶絲斷裂發(fā)生在距離測溫點(diǎn)較近的地方,約3cm左右,偶絲保護管的接口部位，而且集中表現在偶絲需要轉彎的部位,根據顯微觀(guān)察,斷點(diǎn)周?chē)Ｗo管有較多揮發(fā)后的冷凝物，且斷點(diǎn)呈現粗糙逐步過(guò)渡型的斷頭。由此可以推斷，該現象主要是由于貴金屬長(cháng)時(shí)間的氧化后揮發(fā)造成的。由于密封不夠嚴密,導致有外界氧氣滲入保溫材料內部,而偶絲保護管由于在轉彎處會(huì )造成較大.的縫隙，氧氣有更多的機會(huì )接觸到偶絲,在比較高的溫度下便會(huì )對偶絲造成影響。
3對策方法和效果
      當判定其影響主要方向后，在該產(chǎn)線(xiàn)重建的時(shí)候,對所有偶絲的處理進(jìn)行了優(yōu)化,主要做了以下幾點(diǎn)調整。首先是將平頭偶絲保護管改換成了圓形頭保護管,即一頭是突出一頭是凹入,這樣的組合,即使偶絲拐彎也能起到很好的密封作用,更好地隔離空氣的進(jìn)入;其次將環(huán)境氣氛由氮氣加氧氣改為了純氮氣,完全中性的氣氛,盡可能減少氧氣的存在;第三將偶絲穿過(guò)的路線(xiàn)密封方式進(jìn)行了調整,在偶絲套入保護管之后,之外包裹兩層高溫耐火密織布,再外填充細目數氧化鋁粉,所有這些保護裝入耐火材料和保溫材料孔洞中,在孔洞的低溫段用耐火泥密封。
      經(jīng)過(guò)以_上處理方式改進(jìn)后的產(chǎn)線(xiàn)投入運行，在基本相同的工作溫度和使用習慣前提下，經(jīng)過(guò)了19個(gè)月的運行,只有1組熱電偶出現了開(kāi)路,其余均未出現明顯異常,到24個(gè)月時(shí)也只有4組出現開(kāi)路,但是有2組偶絲的備用組仍可使用。.
4結束語(yǔ)
      通過(guò)熱電偶開(kāi)路現象的分析和總結、改進(jìn)對策與效果對比,可以看出，熱電偶偶絲由于氧化揮發(fā)造成的開(kāi)路現象從理論.上講,是不可能絕對避免的，但是可以通過(guò)優(yōu)化環(huán)境氣氛和安裝方式來(lái)延長(cháng)其使用壽命。通過(guò)此案例分析，希望對同行技術(shù)人員有一定的借鑒作用。