鎢錸熱電偶在連鑄中間包鋼水連續測溫中的應用

摘要：闡述了鎢-錸型(WRe3-WRe25)熱電偶用于煉鋼連鑄中間包鋼水連續測溫的實(shí)驗。采用外保護管與熱電偶分體組裝方式測溫.結果表明鎢錸偶采用填充固體細粉制成實(shí)芯偶，其壽命可達30h以上,外保護管壽命達8~10h,熱電偶壽命范圍內測量精度1%T.響應時(shí)間τ0.9≤90s.
0引言
　　連鑄中間包鋼水溫度測量是控制鑄機拉速，提高澆成率的-項重要監測指標。在采用了中包等離子體加熱技術(shù)后，傳統的快偶點(diǎn)測方式已無(wú)法勝任，連續測溫勢在必行。鋼水連續測溫通常采用熱電偶作為溫度傳感器。由于直接接觸高溫鋼水。對熱電偶的外保護管性能、偶絲材質(zhì)性能要求很高。因此連續測溫在鋼鐵行業(yè)一直屬于高投人高成本技術(shù)。
　　鎢錸型(WRc3-WRe25)熱電偶目前主要應用在1200~1400℃的各類(lèi)窯爐測溫方面".按鎢錸偶的測溫特性,其熱電勢與溫度的線(xiàn)性范圍可延伸至2300℃,且在1500℃附近其熱電勢變化高于其他類(lèi)型熱電偶。應用于鋼水測溫應是其優(yōu)勢所在,困難的是鎢錸絲必須工作在真空或還原性氣氛下以防氧化。通常將絲密封于氣密性良好的剛玉管內。而剛玉接觸鋼水則炸裂,故其外還必須用外保護管以隔絕鋼水。這樣多層套管封裝勢必大大延緩熱電偶溫度響應時(shí)間(τ0.63≥180s),用作中包測溫顯得時(shí)間過(guò)長(cháng)，因此必須對現行鎢錸偶加以改進(jìn)。
1鎢錸偶改進(jìn)與外保護管研制
　　中包等離子體加熱技術(shù)可根據測溫信號調整加熱功率將鋼溫控制在士5℃以?xún)?。這要求溫度響應時(shí)間越短越好.國外已可作到τ0.9~120s內。同時(shí)，連測工作時(shí)間必須不少于8h,熱電偶耐急冷急熱次數不少于6次.本項研究工作主要圍繞這三項指標進(jìn)行。
1.1鎢錸偶改進(jìn)
　　現行鎢錸偶為抗氧化多采用真空封裝叫。這種方法以犧牲溫度響應時(shí)間τ來(lái)?yè)Q取使用壽命的延長(cháng)(50h~20個(gè)月以上)。分析表明，用填充細粉方式取代真空封裝可明顯改善導熱性能、縮短τ值.雖然熱電偶壽命會(huì )縮短，但只要超過(guò)30h,其成本是可以接受的。改進(jìn)后的實(shí)測表明,在其他條件不變的情況下,實(shí)芯偶的τ值比真空偶減少近一半(圖1),而且通過(guò)優(yōu)化外保護管設計.τ值可控制在90s以?xún)取?br />
　　對不同的粉末對比實(shí)驗表明,粉末種類(lèi)對τ值影響不大,對壽命影響亦不明顯，因此可選用低廉的AL2O3粉末作填充物.粉末的顆粒度對壽命有影響。顆粒過(guò)大,粒間殘留氣體較多，高溫下將使鎢錸絲過(guò)快氧化。實(shí)驗還表明,通過(guò)更換外保護管,鎢錸偶實(shí)際累計工作時(shí)間已超過(guò)30h,這證明填充細粉封裝是可行的.
1.2外保護管研制
　　外保護管的作用是隔絕鋼水對熱電偶及其內保護管的影響。它應在1500~1600℃高溫下能經(jīng)受鋼水的沖擊和熔渣的侵蝕，因此必須具有良好的抗渣性能、抗熱震性能和導熱性能。耐火材料的抗熱震性能由熱震穩定性表征，定義為由“1100℃/950℃=室溫流動(dòng)水/強制對流空氣"循環(huán)若于次后熱端面積損失狀況或殘余抗折強度.數值上可由下式估算:

　　式中:σ為材料力學(xué)強度測定值，與加載速率σ有關(guān);a為材料熱脹系數;v為材料泊松比;E為材料彈性模量,可由E=E0e^-ap計算;其中:p為汽孔率;E0為材料無(wú)缺陷時(shí)E值;a為常數.
　　鑒于實(shí)際應用情形，將熱震穩定性規定為進(jìn)出中包鋼水的次數.理論和實(shí)踐均表明,耐火材料制品的性能主要取決于其導熱系數λ.熱脹系數ɑ、E0和p(定義如前述).λ,p大,ɑ,E0小則熱震穩定性好,但p大會(huì )使制品導熱性能、抗渣性下降。經(jīng)綜合比較可知,石墨的綜合性能優(yōu)越,但純石墨制品在高溫鋼水中易被燒蝕;其次是SiC,其表面在高溫下可生成SiO2保護層阻止氧化向深層發(fā)展但SiC的E值較大,制品易碎;電熔剛玉的導熱性能雖低，但其抗渣性和熱震穩定性均較優(yōu);ZrO2抗渣性最高，但導熱性最差,只可作為制品渣線(xiàn)部位復合材料。將前三種質(zhì)料按比例配制成制品基料,經(jīng)等靜壓成型后制成外保護管,經(jīng)實(shí)驗其性能可滿(mǎn)足實(shí)用要求.在鋼水中累積浸泡時(shí)間最少可達8h,無(wú)裂紋，高的可達10h仍可使用;熱震穩定性達10次以上.試驗還表明，外保護管壽命主要取決于渣線(xiàn)部位的侵蝕程度.當液面穩定.澆鑄后期中包內熔渣較厚時(shí)，侵蝕變得嚴重,8h可深達7mm,通過(guò)在制品渣線(xiàn)部位復合ZrO2可延緩侵蝕過(guò)程.但ZrO2材質(zhì)昂貴，且復合部位由于材料熱脹性能差別較大,高溫下易斷裂.一個(gè)簡(jiǎn)單可行的辦法是改變插人深度，使侵蝕均布于一段范圍內,這在鋼液面波動(dòng)較.大的場(chǎng)合尤為可行。
2實(shí)驗結果及分析
　　熱電偶與外保護管的組裝、測溫機構安排和測溫點(diǎn)選擇分別見(jiàn)圖2~圖4.測溫點(diǎn)取距包
底100mm,相當于正常液面下350~400mm。熱電偶冷端加罩以防止熱輻射造成冷端溫度過(guò)高，引起測量誤差.補償導線(xiàn)采用耐高溫型，精度士0.08mV.測溫儀表選用冶金部自動(dòng)化院儀表所生產(chǎn)的智能型調節儀.上述測溫單元在馬鞍山第二煉鋼廠(chǎng)2#連鑄機上進(jìn)行實(shí)測試驗,結果見(jiàn)圖5.


(1)連續測溫與現場(chǎng)點(diǎn)測溫度符合得較好,但前者更能細致地反映鋼水溫度的實(shí)時(shí)變化，如曲線(xiàn)上55~70min一段(CD段).
(2)液面波動(dòng)對連續測溫影響較大.上述CD段實(shí)際上不僅包含了鋼液的自然溫降,而且也包含著(zhù)由于液面降低帶來(lái)的測量誤差.文獻[2]給出測溫深度應不少于測溫棒直徑的10倍.在本試驗中相當于深度不少于350mm,否則熱電偶棒的縱向傳熱會(huì )導致測量端達不到平衡溫度，引起誤差.多次試驗表明:插人深度在300mm以上不影響測溫;在250~300mm之間,τ值增大,但仍可達到平衡溫度;深度不足250mm,則會(huì )引起測量誤差。2#連鑄機正常拉鋼時(shí)，中包鋼液面控制在距包底350~500mm之間，滿(mǎn)足測溫條件.但換大包之際，經(jīng)常遇到新;包開(kāi)包時(shí)間過(guò)長(cháng)幾到十幾分鐘，中包內鋼水接續不上造成液面過(guò)低的情況,這時(shí)必然會(huì )造成鋼溫示值急劇下降的虛假現象.如果以此來(lái)調節等離子體加熱功率則會(huì )造成事故。因此,在應用等離子體加熱場(chǎng)合，穩定液面與溫度測量一樣重要.二者具有相關(guān)性。
3結論
(1)填充式鎢錸熱電偶用于中包連續測溫是可行的.實(shí)測熱電偶系統的T值τ0.9≈90 s,測溫精度正常情況下主要由偶絲絲材精度決定,為1% T.
(2)外保護管使用壽命8~ 10 h,熱震穩定性大于10次.
(3)連續測溫要求中包液面穩定.