鎢錸熱電偶在空氣中的熱電動勢穩定性

摘要：鎢錸熱電偶用于鋼水連續測溫的開發前景:闡明其推廣應用取代鉑銠熱電偶進行連續測溫的五個關鍵向題:動態響應時間、精度，穩定性、使用壽命及綜合的實用性能.特別是與之相關的實用技術;以及所研制的鎢錸熱電偶連續測溫專用儀表的特殊補正功能.
1.前言
1.1鎢錸熱電偶的開發優勢
　　鎢錸熱電偶具有耐高溫，熱電勢大，熱電勢與溫度的線性關系好，熱穩定性好，價格便宜，可測范閨寬(0~2000℃)等特點，并適合于真空、還原和隋性氣氛中測溫。近年來，隨著鎢錸偶絲防高溫氧化技術(如采用偶絲防氧化涂層，抽真空密封保護的防氧化.偶絲密封于充有保護氣體的保護管內,保.護管內充填專用粉劑等)的不斷發展與完善，使鎢錸熱電偶在氧化氣氛中亦可長期使用。況且，當前本來昂貴的鉑銠熱電偶絲價格日益猛漲，安全管理也極為困難，迫切需要用廉價、實用的鎢錸熱電偶來替代。
1.2采用鎢錸熱電偶鋼水連續測溫的技術關鍵.
　　鋼水連續測溫是一項難度很大的前沿技術，鎢錸熱電偶的應用，使這項技術用于生產實際成為可能。但是，推廣應用鎢錸熱電偶，還必須解決以下人們所關注的五個關鍵向題。其一，動態響應時間(測溫的靈敏度)。過去由于熱電偶保護管選材和偶的組裝尺寸不當，導熱性能差，致使溫變滯后時間長達數分鐘，即動態響應時間長，無法使用;其二，測溫精度。這是測溫的最關鍵所在，為了保證測溫的正確度，還必須注意偶絲的質量、保護管的選材、熱電偶的組裝、測溫方式的選擇等:其三，穩定性。熱電偶在測溫過程，其測溫值要與對應的分度表保持相對的穩定，如果隨時間的延長兩者的偏離值過大,就失去了它的使用價值:其四，使用壽命。如果壽命短，造成成本增加，同樣沒有實用價值;其五，綜合的實用性。前四個技術關鍵的解決與綜合實用性直接相關;除此之外.鎢錸熱電偶還要便于定期檢測,在用過程中，由于種種原因造成熱電勢的變化所帶來測溫偏差也越來越大，因此鎢錸偶安裝及外徑尺寸要便于定期檢測。
2.鎢錸熱電偶鋼水連續測溫的主要相
關技術
2.1浮漂式鋼水連續測溫
　　浮漂式鋼水連續測溫是一種新穎的簡而易行的鋼水連續測溫裝置(如圖1)，用抗渣浸的耐火材料作成浮漂，其密度介于鋼渣之間在浮漂的下方安裝有金屬陶瓷保護管,浮漂靠配重使金屬陶瓷管下部插入鋼水一定深度,測溫熱電偶置于金屬陶瓷外保護管內并通過補償導線與測溫儀表相連接實現鋼水連續測溫，采用浮漂式鋼水連續測溫技術具有很多優點。
 
(1)測溫正確。它是用同一個測溫探頭.連續定深地測定鋼水溫度，從而消除了快速熱電偶因插入深淺不--等因素而造成的測溫偏差。因此，浮漂式鋼水連續測溫正確，穩定性好、而且，由于溫度值連續測定和顯示,便于精煉鋼包或中間包調溫過程鋼水溫度實現計算機過程自動控制。
(2)連續測溫探頭使用壽命長。在正常情況下探頭在1500~1700℃的鋼水里可連續工作10h以上。
 
2.2分體組裝連續測溫熱電偶裝配技術故名思意，熱電偶測溫探頭是采用分體組裝而成的。如圖2所示。它可以將熱電偶插入外保護裝置里，也可以單獨取出、具有如下優點:
(1)提高測溫探頭綜合使用壽命。一旦熱電偶發生故障,或者外保護裝置侵蝕薄弱,.都可以單獨更換，避免了實體型熱電偶因個別部件損壞而導致整體報廢的情況;
(2)實用性強。當它用于爐窯連續測溫時可將外保護裝置埋入測溫點的爐襯內,熱電偶在使用過程中可以定期抽出檢測或更換，消除了實體型熱電偶難以從爐襯里拔出檢測的缺點:當用于鋼水浮漂式連續測溫時，可將外保護裝置改變為浮漂式測溫探頭的結構、將熱電偶插入浮漂探頭內即可進行鋼水浮漂式連續測溫，簡便、靈活、適用。
2.3熱電偶金屬陶瓷外保護管及難熔金屬內保護管的應用技術開發
(1)連續測溫熱電偶金屬陶瓷外保護管為了能將鋼水的溫度信號迅速正確地取出送入二次儀表.其關鍵部件是熱電偶外的保護管,要求其具有耐高溫.抗鋼渣熔蝕、耐沖刷、抗熱震性好等特性。東北大學自行研制“1)的MC3G型金屬陶瓷管，具有以下特性:
①測溫靈敏度高，滯后時間小于30s。
　　測溫滯后時間的長短是衡量測溫效果好壞的關鍵標志。金屬陶瓷管，以導熱性能良好的金屬材料Mo為主體、以Al2O,為陶瓷相并摻加少量其它材料Cr2O3.均勻混合.在等靜樂機的高壓作用下成型.在1800℃以上的高溫下焙燒而成。它不僅導熱性良好、而且有強度高、密度大、耐磨、耐高溫等優點。為了使測溫更加靈敏、制品壁厚僅為3.5mm。實驗室和工業試驗表明，在1500~1700℃的范圍內測溫，溫度滯后時間不大于30s.
②金屬陶瓷保護管抗熱震效果好
　　反復從1500~1700℃的鋼水.中取出和插入達10次以上不炸裂。
③抗蝕損能力強
　　Cr2O3熔點高(2265C),它與Al2Os屬同晶系并能形成連續固溶體，添加一定量的Cr2Os能阻止Al2Os晶粒長大，提高制品的密度和強度。因此，控制Cr2Os的加入量能使固溶體(Cr2O3-Al2O3)的密度和強度達到佳值，有效改善其抗高溫蝕損能力。采用Al2O:中性材料制作的金屬陶瓷管，對于出鋼脫氧后浮于鋼水面上.的低堿度(R=1.0左右)熔渣來說，其抗侵蝕的能力較強，遠遠優于用MgO堿性材料制作的金屬陶瓷管的抗渣侵能力。
(2)熱電偶內保護管實用開發
　　在試驗初期。分體組裝式鋼水連續測溫熱電偶下部所用的內保護管是剛玉質的，其抗熱震性較差，易脆斷，后研制成以難熔金屬Mo為基的薄壁(厚度為1.0mm)細管(φ8)，經防氧化處理后，其使用性能大大改善,不僅耐高溫、抗熱震,溫度激變不脆斷，而且導熱良好，測溫靈敏，也便于熱電傌使.用過程的定期檢測。
2.4鋼水及爐窯連續測溫專用儀表
　　鎢錸熱電偶連續測溫專用儀表功能齊全，其主機是以單片微機為機芯，兼有遠程顯示，連續測溫曲線打印記錄，上、下極限設定及越限報警，斷偶報警,掉電保護,年、月、日、時、分顯示，抗千擾能力強等功能，并有與計算機聯網的標準信號輸出接口，還有特殊的溫度偏移值補正功能，保證測溫系統偏差在±5℃以內。此補正功能的重要作用，以下例說明;
其一，用W-3Re/W--25Re熱電偶(內保護管里充填專用防氧化粉劑)，將它插人裝有70kg熔鋼的100kW中頻感應爐里,插入鋼水深度為100mm,所研制的鎢錸熱電偶專用連續測溫儀表，通過補償導線與鎢錸熱電偶相連。為對比分析，在線路中接有萬用表(精密4位半,分辨率1/100;mV),試驗所得數據如表1。鎢錸偶測得的熱電勢查相應的分度表的溫度值，與測溫儀表所顯示溫度值對照，在1500~1670℃范圍內正偏差4~8℃。如果采用專用儀表的補正功能,其偏差為±2℃，補正后的溫度值達到滿意的精度，很有實用價值。
其二，更重要的是，試驗發現，鎢錸熱電偶由于受其材質均勻度所限，當達到熱穩定溫度后，所測溫度與標準溫度值之差值基本恒定，這一恒定值也可以通過專用儀表的.軟件補正,使其達到接近標準值的正確溫度。
其三，該專用儀表對于鎢錸熱電偶使用過程中定期檢驗溫度值與標準信號的偏差也具有有效的補正功能，使其在某一個時間階段內使用，不會出現嚴重的溫度偏差。
 
2.5鎢錸熱電偶高溫穩定化退火及檢測裝置的開發
　　為配合用鎢錸熱電偶連續測溫技術的推廣應用，檢測鎢錸偶高溫熱穩定性及鎢錸熱電偶穩定化退火處理設備。它是用從鉻酸鑭高溫爐，該設備有正確的溫控設備控溫，適合于高溫段連續測溫用鎢錸熱電偶的穩定化退火處理，熱電偶熱點的消除應力退火，并能檢測鎢錸熱電偶的熱穩定值。
　　鎢錸熱電偶的鎢錸合金絲事先必須進行穩定化退火處理，消除熱電偶的熱電勢初始漂移。這是因為鎢錸合金絲在拉拔過程中，它的縱斷面呈纖維狀組織,強度和硬度均很高,應力分布不均勻,經過適當時間和溫度退火，使其硬度和強度逐漸降低，顯微組織發生明顯的變化，其熱電勢值也達到穩定狀態。退火溫度要適當高于使用溫度才能使鎢錸熱電偶在使用過程中熱電勢漯移甚微。另外，鎢錸熱電偶熱點氬弧焊接后的退火也相當重要，這是因為在氬弧的高溫下焊接的鎢錸偶的熱點焊.后脫離高溫區立即冷卻下來，產生很大的熱應力，使用過程中容易脆斷，因此也須進行相應的退火，消除熱應力。
3.結語
　　鎢錸熱電偶以其耐高溫、熱電勢大、測溫靈敏、熱電勢與溫度線性關系好、優良的熱穩定性、價格便宜的優勢加之防氧化技術已得到解決，以及相關的實用開發成功，使其推廣應用并取代鉑銠熱電偶進行工業爐窯連續測溫，將會取得明顯的經濟和社會效益。浮漂式鋼水連續測溫探頭及分體組裝式熱電偶結構，所開發的鋼水連續測溫用金屬陶瓷外保護管及難熔金屬防氧化內保護管，以及鎢錸偶連續測溫專用儀表的特殊補正功能等相關實用技術的應用，對深入開發鋼水連續測溫，經濟有效、正確靈敏地進行測溫將會起到不可忽視作用，具有相當大的開發、應用前景。