工業鎢錸熱電偶的性能特點

摘要:簡述鎢錸熱電偶的性能、特點,防氧化技術與工業鎢錸熱電偶行業標準。詳細論述鎢錸熱電偶在強氧化與還原氣氛、真空、高溫高壓及強腐蝕等環境中應用。以及大力推廣鎢錸熱電偶,替代價格昂貴的鉑銠熱電偶及進口鎢錸熱電偶的可行性與必要性。
0引言
　　鎢錸熱電偶是在1931年由Goedecke(戈德克)首先研制成功的。在20世紀60~70年發展成為商品化的難熔金屬熱電偶。但當時鎢錸熱電偶絲的均勻性很差無互換性。每批鎢錸熱電偶絲的分度表皆不相同,無相應的儀表配套,應用很不方便。為此各國都在努力改進鎢錸熱電偶的生產工藝或開發新的工藝。直到1984年美國率先實現鎢錸熱電偶的統一分度。繼美國之后我國在1986年也實現了鎢錸熱電偶的統一分度并建立了有關鎢錸熱電偶絲的國家標準'"與校準規范為其推廣應用奠定基礎并促進鎢錸熱電偶的開發與應用。
1鎢錸熱電偶的性能與特點
1.1熱電偶絲的分類
ASTM將熱電偶分為三類:
(1)廉金屬熱電偶;(2)貴金屬熱電偶;(3)難熔金屬熱電偶。
　　難熔金屬熱電偶的定義為:熱電偶單極材料熔點高于1935℃且熱電偶的主要元素是難熔金屬或合金。鎢錸熱電偶屬于難熔金屬熱電偶。鎢錸熱電偶絲的允差如表1所示。
 
1.2熱電偶分類
　　工業熱電偶按其整體結構分為3類:
(1)可拆卸工業熱電偶;
(2)不可拆卸工業熱電偶;
①實體工業熱電偶
　　工業鎢錸熱電偶屬于不可拆卸的。工業鎢錸熱電偶組件不能從保護管中取出。國內多為實體化工業鎢錸熱電偶。國外多為抽空或充氣式鎢錸熱電偶但全部為不可拆卸的。
②鎧裝工業熱電偶
(3)柔性電纜熱電偶。
1.3工業鎢錸熱電偶分類
　　由鎢錸合金熱電極、絕緣物與保護管等組成的工業鎢錸熱電偶。熱電極組件不可以從保護管中取出。
　　工業鎢錸熱電偶按使用環境主要分為氧化物保護管工業鎢錸熱電偶(用于常規環境)和鉬及其他難熔金屬保護管工業鎢錸熱電偶(適用于真空.干燥H2及惰性氣氛)。
(1)鎢錸5-鎢錸20熱電偶
　　由正極質量名義成分為95%鎢、5%錸的合金,負極質量名義成分為80%鎢、20%錸的合金組成的熱電偶。分度號為A。
(2)鎢錸5-鎢錸26熱電偶
　　由正極質量名義成分為95%鎢、5%錸的合金,負極質量名義成分為74%鎢、26%錸的合金組成的熱電偶。分度號為C。
(3)鎢錸3-鎢錸25熱電偶
　　由正極質量名義成分為97%鎢、3%錸的合金，負極質量名義成分為75%鎢、25%錸的合金組成的熱電偶。分度號為D。
1.4工業鎢錸熱電偶標準
　　工業鎢錸熱電偶開發與應用多年,但直至2015年我國工信部首先發布工業鎢錸熱電偶技術條件》(JB/T12529-2015)(2]。這是一部具有開創性的標準國內外至今尚未見工業鎢錸熱電偶標準的相關報導該標準的頒布必將促進我國乃至世界工業鎢錸熱電偶的發展與應用。
(1)工業鎢錸熱電偶允差
 
(2)工業鎢錸熱電偶的使用溫度與氣氛
①使用溫度
　　鎢錸熱電偶的使用溫度上限可達2500℃但實際上工業鎢錸熱電偶的使用溫度,因受絕緣物與保護管材料的影響其使用溫度只能低于理論使用溫度上限。工業鎢錸熱電偶的使用溫度通常在2000℃以下又受鎢錸熱電偶校準規范的限制工業鎢錸熱電偶標準中的使用溫度為1500℃.然而用戶仍可在高于1500℃下使用。
②使用氣氛
a)鎢錸熱電偶絲的使用氣氛
ASTM推薦為:真空干燥H2及惰性氣氛。
b)工業鎢錸熱電偶的使用氣氛
　　氧化性氣氛:帶有AI203等陶瓷保護管的工業鎢錸熱電偶。
　　真空或保護氣氛:帶有鉬等難熔金屬保護管的工業鎢錸熱電偶。
1.5鎢錸熱電偶的特點
(1)鎢錸熱電偶的熔點高(3000℃以上),強度大;
(2)鎢錸熱電偶在空氣中極易氧化高溫下晶粒迅速長大;
(3)鎢錸熱電偶同貴金屬熱電偶相比熱電動勢率大靈敏度高;
(4)鎢錸熱電偶價格便宜僅為S型熱電偶的1/9。
2鎢錸熱電偶的防氧化技術
　　鎢錸熱電偶的特點是使用溫度高、價格便宜。鉑銠熱電偶的價格雖然昂貴但是抗氧化性強適用于氧化性氣氛為了替代昂貴的鉑銠熱電偶必須探討其防氧化技術。若使鎢錸熱電偶能在氧化性氣氛中工作必須采取表面改性或在熱電偶保護管內人為的創造出非氧化性氣氛。
2.1涂層保護法
　　人們曾采用多種方法在鎢錸熱電極絲的表面涂層用于隔絕空氣防止氧化。尚存在的問題是難以找到與基體熱膨脹系數一致的涂層材料因此在較短的時間內涂層與基體脫落,喪失了保護作用致使各國專家都在尋找最佳的過渡層實現平滑過渡,以解決兩者熱膨脹系數不一致的矛盾增強涂層的穩定性。目前涂層保護法只在超高溫環境下(2000~2500)℃短時間測量溫度獲得了商業應用。
2.2物理法
　　國際上通用經典的抽空、充氣密封的物理法。采用電真空技術將帶有熱電極絲的鉬及剛玉管等抽空再充Ar等惰性氣體后密封形成不可拆卸的熱電偶。
2.3化學法
　　將鎢錸熱電極絲裝入剛玉或鉬管內,用惰性物質填充保護管內空隙再脫氧、添加功能材料后密封的化學法'"形成實體化不可拆卸的鎢錸熱電偶(發明專利)。抽空與填充方法的原理相似作用與效果相近但填充法設備投資少、成本低、響應速度快、抗熱沖擊與振動較強，安全可靠等特點。因此多采用實體化技術生產鎢錸熱電偶。
2.4實體型鎢錸熱電偶的開發、生產與應用
(1)技術成熟.工藝穩定
　　自1992年開發成功以來不斷改進、完善生產工藝使其防氧化技術更加成熟與穩定。
(2)產量逐年穩步上升
　　1992年開發初期每年銷量僅幾十支到幾百支,但從2008年起每年銷量達千支現在增至3000~5000支。
(3)國產與進口鎢錸熱電偶性能對比
　　我國有關鎢錸熱電偶防氧化的理論研究與生產制造技術已達到世界先進水平,由表3可以看出我國的工業鎢錸熱電偶不僅價格便宜有的性能居國際領先地位。
 
3應用
　　在綜合考慮復合參數的工業環境,有針對性的設計、開發出多種新型鎢錸熱電偶。
3.1強氧化環境
　　最典型的強氧化工業環境是耐火材料行業的爐窯。在高溫強氧化氣氛中多采用價格昂貴的鉑銠熱電偶。新型防氧化鎢錸熱電偶自2008年起成功用于鉻剛玉生產線替代雙鉑銠熱電偶。其燒成工藝溫度為1500℃。十年來用量達700~800支。但在1800C以上的高溫爐窯的應用尚不成熟。
 
3.2強還原性腐蝕環境
　　釩氮合金是提高鋼材強度等性能的重要合金元素。生產該合金的工藝溫度為1550℃使用氣氛為CO、N2為主的還原性氣氛并有強堿熔體腐蝕的工業環境。開始試驗時采用雙鉑銠熱電偶,不僅價格昂貴而且壽命短。后改用“三高”石墨與剛玉管復合結構鎢錸熱電偶其壽命顯著提高。自04年起總計使用超萬支。石化行業尤其是煤化工多屬于還原性強腐蝕環境。最近由于美國率先采用鎢錸熱電偶我國也開始在煤化工領域試用。石化行業現行的吹氣熱電偶,即為防止還原性強腐蝕介質對鉑銠熱電偶的沾污而采用的保護措施。如果采用鎢錸熱電偶既降低成本,又不用吹氣保護。石化及煤化工行業的應用前景十分廣闊。
 
3.3高溫真空環境
　　真空冶金設備與真空釬焊爐等真空系統其真空度通常為1x10^-3-1x10^-5'Pa.作為真空設備測溫用傳感器不僅要滿足真空系統漏放氣率的要求而且保護管斷裂也不破壞系統真空度。
(1)真空爐專用熱電偶特點
　　采用無機與有機兩種粘結劑,內外兩層嚴格密封即使保護管破損也絕不會破壞體系真空度。采用單層或復合管型結構,目前國際上的WRe熱電偶大都采用Mo或其它難熔金屬作保護管首先用剛玉管取代合金管成本僅為進口熱電偶的1/20~1/10。用WRe部分取代鉑銠既減少金屬管對貴金屬沾污，又降低成本僅為鉑銠熱電偶的1/3~1/6。
(2)帶校準孔真空爐專用熱電偶
　　為了克服離線式校準熱電偶的諸多弊端,可采用帶有校準孔真空爐專用熱電偶在線校準測溫系統簡單易行.方便實用”。
①不可拆卸的帶校準孔真空爐專用熱電偶
　　該種熱電偶的組件不能從保護管中取出,只能整支校準為企業定期校準帶來不便。
 
②可拆卸的帶校準孔真空爐專用熱電偶
　　這種熱電偶組件可以從保護管中抽出送檢,十分方便。
 
(3)全部可拆卸型真空爐專用熱電偶
　　真空爐專用熱電偶有的部件易損壞，尤其是陶瓷保護管。為了降低成本使修復工作變得簡單易行。開發出使用者也可自行修復的全部可拆卸型真空爐專用熱電偶。當發現熱電偶有的部件損壞時，用戶可自行更換很受歡迎。
 
(4)進口真空爐專用熱電偶的消化、吸收與替代
　　曾維修了發達國家多支真空爐專用熱電偶在修復過程中學習、分析、消化吸收各自的優點,并在此基礎.上再創造。
3.4高溫高壓環境
　　國內真空與粉末冶金設備,以前多采用鉑銠熱電偶或進口鎢錸熱電偶。目前基本上已經用國產鎢錸熱電偶替代鉑銠熱電偶及大部分進口鎢錸熱電偶。
(1)粉末冶金用高溫高壓專用鎢錸熱電偶，如圖7所示。
 
(2)超高真空設備用鎢錸熱電偶如圖8所示。
 
4結語
　　我國是鎢資源大國。經過50多年的艱苦奮斗,我國有關鎢錸熱電偶的開發與防氧化技術的研究,已達世界先進水平某些技術指標居國際領先地位。鎢錸熱電偶應用已呈現逐年增漲的趨勢,尤其在進口產品替代上更充分體現出價格和服務優勢。目前國產工業鎢錸熱電偶可替代進口鎢錸熱電偶達70%以上。用鎢錸熱電偶替代貴金屬鉑銠熱電偶也為用戶帶來可觀的經濟效益,并為國家節省大量外匯。但鎢錸熱電偶的應用需要精細化設計與專業應用相結合。因此要大力推廣鎢錸熱電偶需要用戶、設計院和制造廠對工業鎢錸熱電偶有更深的認識并共同努力才能取得更好效果。