熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域中已成為應(yīng)用最廣泛的感溫元件。熱電偶保護管材料的性能影響熱電偶長期穩(wěn)定性、使用壽命等各項性能指標。在高溫下工作的熱電偶, 對套管材料有更嚴格的要求。文章綜述了高溫套管材料的性能和分類及應(yīng)用, 闡述了高溫熔體和高溫流動粉體的溫度測量的難點和研究現(xiàn)狀。
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隨著科技的進步, 溫度測量技術(shù)亦得到迅速發(fā)展。已形成從點到線、由線到面; 由表及里; 從有線到無線的發(fā)展趨勢。在接觸式與非接觸式兩大類產(chǎn)品中,量大面廣的接觸式熱電偶在現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展中得到了快速的發(fā)展。熱電偶因其性能穩(wěn)定、準確可靠、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測溫范圍廣、信號可遠傳等優(yōu)點, 在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域中已成為應(yīng)用最廣泛的感溫元件。在其測溫過程中, 熱電偶保護套管發(fā)揮著重要作用。保護管材料性能影響熱電偶長期穩(wěn)定性、使用壽命等各項性能指標。特別是在高溫下工作的熱電偶, 對其材料有更加高的要求。比如鋼水連續(xù)測溫度,熱電偶套管不但要承受高溫, 還要受到熾熱鋼水的腐蝕和沖擊。而在循環(huán)流化床鍋爐中測溫時, 不但有高溫氧化和高溫腐蝕, 還有流動性粉體的高溫沖蝕磨損。如此惡劣的工作環(huán)境對套管材料是嚴峻的考驗, 也給工程技術(shù)人員出了一道難題———如何經(jīng)濟實用的解決高溫環(huán)境下的熱電偶套管的失效問題。
1 高溫護套材料的性能
制作高溫條件下應(yīng)用的熱電偶保護套管, 材料除具備普通熱電偶要求的氣密性, 機械強度, 穩(wěn)定性,導(dǎo)熱性外, 還要求:
(1) 耐高溫: 在熱電偶溫度測量上限使用, 不產(chǎn)生變質(zhì)和變形, 在高溫下抗氧化性能好。
(2) 熱強性: 在熱電偶使用溫度下不軟化。
(3) 耐蝕性: 當熱電偶保護管必須浸入熔融金屬、玻璃、熔鹽及腐蝕性氣體中時, 應(yīng)具有對這些介質(zhì)的耐蝕性。
(4) 要求一定的耐溫劇變的性能, 抗熱震的綜合性能, 熱導(dǎo)高, 熱膨脹小。
2 高溫護套材料的分類
211 金屬類
特點是機械強度高, 韌性好, 抗渣性好; 但耐高溫性卻不夠好, 易受到腐蝕。
212 非金屬類
其特點是: 耐高溫、抗氧化, 但不抗沖擊, 比較脆易碎, 導(dǎo)熱性不理想, 熱響應(yīng)敏感性差。因此, 一
般要求管壁比較薄, 帶來一系列問題。常用的非金屬保護管材料
213 復(fù)合材料類
(1) 金屬陶瓷
金屬陶瓷是由一種金屬或合金與另一種或者幾種陶瓷采用粉末冶金的方法組成的復(fù)合材料。其特點是綜合了陶瓷材料的耐磨、耐高溫、抗氧化, 又有金屬材料的高強度, 但熱沖擊性能差。一般適合在液態(tài)金屬中使用, 如鐵水、鋼液、有色金屬熔體等。再者對于一些要求高溫耐磨的材料所制造的保護管來說, 適合于在沸騰爐、循環(huán)流化床鍋爐、水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾煙
室測溫熱電偶, 球磨機、風扇磨、磨煤機等出口及管道測溫的地方使用。
表3 常用的金屬陶瓷保護管材料表
(2) 復(fù)合涂層
表面涂層技術(shù)能賦予零件表面耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等多種特殊性能, 是提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和資源、獲得顯著技術(shù)經(jīng)濟效益的一種新的表面技術(shù)。采用材料表面涂層技術(shù)來解決工件的高溫腐蝕、磨損問題是目前國際上的流行趨勢。它發(fā)揮了表面技術(shù)的優(yōu)勢, 不是將不同的材料混合起來制作復(fù)合材料, 而是將不同的材料組合起來發(fā)揮各自的特點,
獲得優(yōu)異的性能。采用熱噴涂的方法在套管表面形成金屬間化合物涂層、梯度功能涂層、納米陶瓷涂層等,獲得比較良好的耐熱、耐蝕和抗磨性, 取得了很好的效果。金屬間化合物是一類新型的高溫機構(gòu)材料, 具有一系列的優(yōu)異性能, 尤其值得一提的是其耐熱性能特別突出。采用等離子噴涂Ni - Al、Fe - Al 金屬間化合物于套管表面, 使套管具有了全新的性能。進一步將金屬間化合物和精細陶瓷結(jié)合成梯度功能涂層材料應(yīng)用到熱電偶獲得了圓滿成功。
3 研究熱點和難題及研究現(xiàn)狀
311 高溫熔體的溫度測量
熱電偶測量高溫熔體時, 必將熱電偶插入到高溫熔體中。這樣, 熱電偶既要承受熔體的熱沖擊, 又要同時受到介質(zhì)的物理化學(xué)腐蝕, 極易損壞, 是在溫度測量領(lǐng)域最棘手的難題之一, 也是科技工作者重點攻關(guān)的對象。
(1) 鋼水連續(xù)測溫
眾所周知, 煉鋼過程中鋼水溫度是重要參數(shù)之一,直接影響產(chǎn)品冶煉和澆注的質(zhì)量, 是冶金操作的重要依據(jù)。合理的溫度規(guī)范和準確的溫度測量對提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、擴大品種、降低各種消耗、改善各項技術(shù)經(jīng)濟指標以及實現(xiàn)冶金過程自動化有積極作用。因此, 欲達到最好的冶煉效果和最經(jīng)濟的操作工藝是與溫度測量密切相關(guān)。為了使熱電偶能長期工作在攪動
的鋼水中, 要求保護管的抗熱震性好, 耐高溫, 抗渣、抗氧化性好, 能經(jīng)受鋼水的沖刷。鋼水連續(xù)測溫技術(shù)。
一直是冶金領(lǐng)域的難題之一。這種技術(shù)對于鋼水溫度控制自動化、提高鋼材質(zhì)量、降低事故率、提高連鑄效率, 具有重要的現(xiàn)實意義。該技術(shù)的關(guān)鍵是熱電偶保護管, 為了解該難題, 國內(nèi)外科技人員研制了很多套管材料, 如ZrB2 、Al2O3 - Cr、Al2O3 - Fe、ZrO2 -Mo、MgO - Mo - Cr 等, 取得了一定的效果。但這些材料由于抗熱震性不好, 抗鋼水侵蝕能力不夠理想,壽命有限, 價格高, 至今未能在鋼廠實際大面積推廣應(yīng)用。近來, 國內(nèi)有研究機構(gòu)通過測量端采用特種金屬陶瓷管, 內(nèi)襯剛玉管, 中間為填充劑, 形成復(fù)合管型實體化結(jié)構(gòu), 制作成熱電偶套管取得了一定的效果。
(2) 玻璃熔液測溫
當前玻璃窯爐的測溫通常采用輻射法或者用以剛玉為保護管的熱電偶。輻射法不能實現(xiàn)溫度自動記錄和自動調(diào)節(jié), 而且人眼觀察判斷容易產(chǎn)生誤差; 剛玉熱電偶保護管在高溫玻璃液中易受侵蝕, 因此, 熱電偶不能直接插入玻璃熔池里, 而只能測量玻璃熔池上部空間的溫
度, 這就存在測溫滯后的問題。為了直接連續(xù)測量玻璃熔池內(nèi)的溫度就必須使用能抗高溫玻璃液侵蝕的熱電偶保護管。鈦酸鋁陶瓷材料具有較高的熔點, 較低的熱膨脹系數(shù), 并具有優(yōu)良的抗熱震性。另外, 它具有與許多金屬(特別是有色金屬) 熔體及玻璃熔液不潤濕的特
性。因此, 鈦酸鋁陶瓷可廣泛應(yīng)用于耐高溫、抗熱震、耐腐蝕等條件苛刻的環(huán)境中。熱電偶保護管主要用于測量各種工業(yè)窯爐、熔池溫度熱電偶的保護, 特別是適用于測量有色金屬熔體和玻璃熔液。它可反復(fù)地出入于被測金屬熔體和玻璃熔液而不被腐蝕、炸裂; 并且不與它
們潤濕。從而保證了由它保護的熱電偶具有正常的溫度敏感性及較長的使用壽命。
312 高溫流動粉體測溫
對于輸煤系統(tǒng)、流化床、水泥熟料及耐火材料等流動粉體的溫度測量, 尤其是增壓流化床( PFB) 的床溫測量, 由于高溫流動粉體對保護管磨損及腐蝕均很嚴重, 因此一直是高溫測試領(lǐng)域中富于挑戰(zhàn)性課題之一。循環(huán)流化床鍋爐的溫度測量在該領(lǐng)域最具有代表性。國外首先研發(fā)循環(huán)流化床鍋爐測溫專用熱電偶, 如美國的德太克, 美國的威戈, 日本的三木等。
美國德太克公司該領(lǐng)域, 在國際處于領(lǐng)先地位。其特種工藝MVD 處理技術(shù), 提高了護套的耐磨、耐高溫、耐腐蝕性, 延長了循環(huán)流化床鍋爐測溫熱電偶的使用壽命。關(guān)鍵問題是其價格比較昂貴。MVD(Mechanical Vapor Diffusion) 處理過程是在金屬表面產(chǎn)生一種金屬化合反應(yīng), 通過高壓電脈沖產(chǎn)生局部超高溫把基材金屬( G- Mo) 和鎢碳化合物同時熔化、汽化; 然后迅速將兩者融合、冷卻, 整個過程在1/10 000s 內(nèi)完成。確保所產(chǎn)生的新合金層面有極強的硬度(HRC76) 。國內(nèi)研制的新型高溫高強耐磨高溫合金HR1230 , 它是專門針對高溫耐磨環(huán)境開發(fā)的全新型Ni - Cr - W - Mo - Al 高溫高強耐磨合金, 具有很高的高溫強度及優(yōu)良的抗氧化性能, 還具有很好的高溫穩(wěn)定性及難得的良好加工性能。其高溫強度基本達到國外高強合金哈氏合金的水平。近年來, 用于流化床取得很好效果。其應(yīng)用范圍正在逐步擴大。另外
也出現(xiàn)鐵基Cr - Ni - Mo 多元化合金亦取得了不錯的效果。最近, 國內(nèi)有單位研制的雙層結(jié)構(gòu)的高溫耐磨熱電偶復(fù)合保護管, 管體外層為耐高溫耐磨復(fù)合金屬保護層, 耐高溫耐磨復(fù)合金屬保護層澆鑄復(fù)合在內(nèi)層的合金鋼管上, 使用效果也很好, 幾乎可與美國的德太克相媲美。高鉻鑄鐵具有高耐磨性和抗氧化性, 價格相對便宜, 亦是比較理想的保護套管材料。通過合
理調(diào)整成分、工藝使其達到最佳的耐磨抗蝕性, 必將使其在高溫流動粉體測溫中發(fā)揮更大的優(yōu)勢。
4 結(jié)束語
高溫環(huán)境下的腐蝕磨損給熱電偶測溫帶來了困難, 經(jīng)過科研人員的不懈努力, 取得了一定的成績。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷進步, 工業(yè)環(huán)境也變得越來越惡劣, 這就要求我們不斷改進工藝、研發(fā)新材料, 從而全面提高熱電偶的性能。
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