用于鋼水連續(xù)測(cè)溫金屬陶瓷熱電偶實(shí)驗(yàn)研究

摘要:采用兩種不同組成的金屬陶瓷棒作為測(cè)溫?zé)犭娕?置于鋼液中進(jìn)行連續(xù)測(cè)溫,實(shí)驗(yàn)證明是可行的組成新型熱電偶的金屬陶瓷棒耐鋼渣侵蝕性好、輸出熱電動(dòng)勢(shì)值較大,在金屬熔化溫度范圍內(nèi)其熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的線性.關(guān)系明顯。
　　金屬陶瓷材料近二三十年來得到了迅猛的發(fā)展,它的優(yōu)異性能使其在各種技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用，特別在冶金高溫領(lǐng)域金屬陶瓷材料的耐高溫、耐侵蝕和抗震性能引起冶金工作者的廣泛注意在冶煉.過程中，溫度是最重要的操作工藝參數(shù),隨著煉鋼自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,以及對(duì)鋼質(zhì)量要求的不斷提高,需要連續(xù)測(cè)量冶煉過程中的鋼水溫度因測(cè)溫環(huán)境惡劣,技術(shù)難度大,至今還不能實(shí)現(xiàn)鋼水連續(xù)測(cè)溫國(guó)內(nèi)外該項(xiàng)研究主要集中在熱電偶的保護(hù)套管材質(zhì)的改進(jìn)上,采用耐高溫、抗渣的金屬陶瓷保護(hù)套管,然后埋入鋼水中測(cè)量溫度[~4]但保護(hù)套管材質(zhì)使用壽命短,價(jià)格高,很難用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn).另外采用保護(hù)套管結(jié)構(gòu)型的熱電偶根本不能在煉鋼爐內(nèi)的工作條件下進(jìn)行連續(xù)測(cè)溫本實(shí)驗(yàn)采用金屬陶瓷材料作為熱電偶,直接插入鋼水,組成一只完整的熱電偶,就可以連續(xù)精確地測(cè)量鋼水的溫度,而金屬陶瓷耐高溫,可以承受鋼水和爐渣的侵蝕。
1實(shí)驗(yàn)研究
11研究方法
　　采用硅鉬棒高溫爐熔化廢鋼,將金屬陶瓷放入鋼水、爐渣中長(zhǎng)時(shí)間浸泡,檢測(cè)其抗?fàn)t渣和耐鋼水侵蝕性,從中選出兩種不同成分的金屬陶瓷作為熱電偶材質(zhì)將兩種金屬陶瓷熱電偶置于鋼液中,與液態(tài)的鋼水組成一個(gè)回路，被測(cè)液態(tài)鋼水作為第三導(dǎo)體接入回路，組成一只完整的熱電偶利用金屬陶瓷棒與鋼水接觸面上產(chǎn)生的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系，用電子電位差計(jì)測(cè)量熱電偶輸出的熱電勢(shì)值根據(jù)測(cè)得的熱電勢(shì)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系配備顯示儀表鋼水溫度作為熱電偶材質(zhì)的試驗(yàn)金屬陶瓷選用二硼化鋯+鉬和二硼化鋯+鎢系列由于鋼水熔點(diǎn)高,低溫下鋼不熔化，本實(shí)驗(yàn)選用熔點(diǎn)低的金屬鋁來替代鋼，與金屬陶瓷棒組成熱電偶回路實(shí)驗(yàn).裝置見圖1。
 
1.2實(shí)驗(yàn)原理
　　兩種性質(zhì)不同的導(dǎo)體A和B在兩個(gè)端點(diǎn)處連接起來形成閉合回路,如圖2所示設(shè)t>to(t-to分別為兩接觸點(diǎn)的溫度)NA>NB(NA、NB分別為導(dǎo).體AB的自由電子密度),熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成。
 
　　NAt、NAt0和Bt、NBt0分別表示導(dǎo)體A、B在接觸點(diǎn)溫度為t和t/0時(shí)的自由電子密度e為單位電荷量，k，為波爾茲曼常數(shù)
(2)溫差電勢(shì):
 
2試驗(yàn)結(jié)果及討論
　　在探索性試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)所選金屬陶瓷熱電偶冷端溫度變化會(huì)引起金屬陶瓷熱電性能變化因此必須對(duì)金屬陶瓷熱電偶冷端進(jìn)行冷卻,保持冷端溫度恒定冷卻方法為對(duì)冷端進(jìn)行風(fēng)冷或?qū)涠诉M(jìn)行循環(huán)水冷卻現(xiàn)分析討論如下:
2.1采用風(fēng)冷
　　對(duì)金屬陶瓷的冷端采用壓縮空氣進(jìn)行冷卻,試
　　驗(yàn)結(jié)果見圖3
 
　　從圖3可以看出,從開始升溫到升溫40min時(shí),溫度升至約為400℃(標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)值5.58mV),在這一階段,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動(dòng)勢(shì)隨溫度的升高而增大,并且輸出熱電動(dòng)勢(shì)值與溫度的線性關(guān)系良好40min后,溫度大于400℃,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動(dòng)勢(shì)緩緩變小，隨溫度的升高而減小表明金屬陶瓷熱電偶的冷端溫度在不斷上升,熱端與冷端的溫差在不斷縮小增大底部壓.縮空氣風(fēng)量后,即增加對(duì)陶瓷熱電偶冷端的冷卻強(qiáng)度,底部金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動(dòng)勢(shì)又重新增大一段時(shí)間后,輸出值又變小說明對(duì)金屬陶瓷的冷端采用壓縮空氣進(jìn)行冷卻,在低溫(溫度<400℃)輸出熱電動(dòng)勢(shì)值與溫度的線性關(guān)系明顯溫度大于400℃,冷端溫度不能恒定,輸出值與溫度無線性關(guān)系,風(fēng)冷達(dá)不到預(yù)期效果。
2.2采用水冷
　　對(duì)金屬陶瓷熱電偶冷端采用銅質(zhì)三層套管冷卻器循環(huán)水冷卻實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4、5圖4、5是同一次實(shí)驗(yàn)中升溫降溫,再升溫得到的兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果兩組實(shí)驗(yàn)中爐溫均達(dá)到1600℃以上從兩圖看出,底部金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動(dòng)勢(shì)值較大,達(dá)到了幾百mV,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動(dòng)勢(shì)值和時(shí)間的曲線與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶輸出的熱電動(dòng)勢(shì)和時(shí)間的曲線變化趨勢(shì)相似同時(shí)底部金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動(dòng)勢(shì)值與溫度的線性關(guān)系良好,測(cè)溫靈敏度高,滯后時(shí)間短,用循環(huán)水冷卻底部金屬陶瓷熱電偶的冷端效果較好實(shí)驗(yàn)中隨著溫度的升高,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動(dòng)勢(shì)值的增長(zhǎng)速率較標(biāo)準(zhǔn)熱電偶輸出值小，說明金屬陶瓷熱電偶的冷端溫度不恒定，在緩緩上升,對(duì)輸出值產(chǎn)生影響因此有必要加長(zhǎng)金屬陶瓷棒的長(zhǎng)度或增加水冷強(qiáng)度。
 
 
3結(jié)論
(1)二硼化鋯+鉬和二硼化鋯+鎢兩種不同組成的金屬陶瓷棒作為熱電偶在高溫下連續(xù)測(cè)溫,輸出熱電動(dòng)勢(shì)值與溫度的線性關(guān)系良好、測(cè)溫靈敏度高、滯后時(shí)間短,且輸出熱電動(dòng)勢(shì)值較大,有利于精確測(cè)溫。
(2)金屬陶瓷熱電偶冷端溫度的變化影響測(cè)溫的正確性采用循環(huán)水冷卻的效果要比采用風(fēng)冷效果好。