工業(yè)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(shù)與工業(yè)鎢錸熱電偶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。詳細(xì)論述鎢錸熱電偶在強(qiáng)氧化與還原氣氛、真空、高溫高壓及強(qiáng)腐蝕等環(huán)境中應(yīng)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(jìn)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(jì)60~70年發(fā)展成為商品化的難熔金屬熱電偶。但當(dāng)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(yīng)的儀表配套,應(yīng)用很不方便。為此各國都在努力改進(jìn)鎢錸熱電偶的生產(chǎn)工藝或開發(fā)新的工藝。直到1984年美國率先實現(xiàn)鎢錸熱電偶的統(tǒng)一分度。繼美國之后我國在1986年也實現(xiàn)了鎢錸熱電偶的統(tǒng)一分度并建立了有關(guān)鎢錸熱電偶絲的國家標(biāo)準(zhǔn)'"與校準(zhǔn)規(guī)范為其推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)并促進(jìn)鎢錸熱電偶的開發(fā)與應(yīng)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(yè)熱電偶按其整體結(jié)構(gòu)分為3類:
(1)可拆卸工業(yè)熱電偶;
(2)不可拆卸工業(yè)熱電偶;
①實體工業(yè)熱電偶
　　工業(yè)鎢錸熱電偶屬于不可拆卸的。工業(yè)鎢錸熱電偶組件不能從保護(hù)管中取出。國內(nèi)多為實體化工業(yè)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(yè)熱電偶
(3)柔性電纜熱電偶。
1.3工業(yè)鎢錸熱電偶分類
　　由鎢錸合金熱電極、絕緣物與保護(hù)管等組成的工業(yè)鎢錸熱電偶。熱電極組件不可以從保護(hù)管中取出。
　　工業(yè)鎢錸熱電偶按使用環(huán)境主要分為氧化物保護(hù)管工業(yè)鎢錸熱電偶(用于常規(guī)環(huán)境)和鉬及其他難熔金屬保護(hù)管工業(yè)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(zhì)量名義成分為95%鎢、5%錸的合金,負(fù)極質(zhì)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(zhì)量名義成分為95%鎢、5%錸的合金,負(fù)極質(zhì)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(zhì)量名義成分為97%鎢、3%錸的合金，負(fù)極質(zhì)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(yè)鎢錸熱電偶標(biāo)準(zhǔn)
　　工業(yè)鎢錸熱電偶開發(fā)與應(yīng)用多年,但直至2015年我國工信部首先發(fā)布工業(yè)鎢錸熱電偶技術(shù)條件》(JB/T12529-2015)(2]。這是一部具有開創(chuàng)性的標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)外至今尚未見工業(yè)鎢錸熱電偶標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)報導(dǎo)該標(biāo)準(zhǔn)的頒布必將促進(jìn)我國乃至世界工業(yè)鎢錸熱電偶的發(fā)展與應(yīng)用。
(1)工業(yè)鎢錸熱電偶允差
 
(2)工業(yè)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(dá)2500℃但實際上工業(yè)鎢錸熱電偶的使用溫度,因受絕緣物與保護(hù)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(yè)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(zhǔn)規(guī)范的限制工業(yè)鎢錸熱電偶標(biāo)準(zhǔn)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(yè)鎢錸熱電偶的使用氣氛
　　氧化性氣氛:帶有AI203等陶瓷保護(hù)管的工業(yè)鎢錸熱電偶。
　　真空或保護(hù)氣氛:帶有鉬等難熔金屬保護(hù)管的工業(yè)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(qiáng)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(shù)
　　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(qiáng)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(shù)。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(hù)管內(nèi)人為的創(chuàng)造出非氧化性氣氛。
2.1涂層保護(hù)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(shù)一致的涂層材料因此在較短的時間內(nèi)涂層與基體脫落,喪失了保護(hù)作用致使各國專家都在尋找最佳的過渡層實現(xiàn)平滑過渡,以解決兩者熱膨脹系數(shù)不一致的矛盾增強(qiáng)涂層的穩(wěn)定性。目前涂層保護(hù)法只在超高溫環(huán)境下(2000~2500)℃短時間測量溫度獲得了商業(yè)應(yīng)用。
2.2物理法
　　國際上通用經(jīng)典的抽空、充氣密封的物理法。采用電真空技術(shù)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(xué)法
　　將鎢錸熱電極絲裝入剛玉或鉬管內(nèi),用惰性物質(zhì)填充保護(hù)管內(nèi)空隙再脫氧、添加功能材料后密封的化學(xué)法'"形成實體化不可拆卸的鎢錸熱電偶(發(fā)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(shè)備投資少、成本低、響應(yīng)速度快、抗熱沖擊與振動較強(qiáng)，安全可靠等特點。因此多采用實體化技術(shù)生產(chǎn)鎢錸熱電偶。
2.4實體型鎢錸熱電偶的開發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用
(1)技術(shù)成熟.工藝穩(wěn)定
　　自1992年開發(fā)成功以來不斷改進(jìn)、完善生產(chǎn)工藝使其防氧化技術(shù)更加成熟與穩(wěn)定。
(2)產(chǎn)量逐年穩(wěn)步上升
　　1992年開發(fā)初期每年銷量僅幾十支到幾百支,但從2008年起每年銷量達(dá)千支現(xiàn)在增至3000~5000支。
(3)國產(chǎn)與進(jìn)口鎢錸熱電偶性能對比
　　我國有關(guān)鎢錸熱電偶防氧化的理論研究與生產(chǎn)制造技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平,由表3可以看出我國的工業(yè)鎢錸熱電偶不僅價格便宜有的性能居國際領(lǐng)先地位。
 
3應(yīng)用
　　在綜合考慮復(fù)合參數(shù)的工業(yè)環(huán)境,有針對性的設(shè)計、開發(fā)出多種新型鎢錸熱電偶。
3.1強(qiáng)氧化環(huán)境
　　最典型的強(qiáng)氧化工業(yè)環(huán)境是耐火材料行業(yè)的爐窯。在高溫強(qiáng)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(chǎn)線替代雙鉑銠熱電偶。其燒成工藝溫度為1500℃。十年來用量達(dá)700~800支。但在1800C以上的高溫爐窯的應(yīng)用尚不成熟。
 
3.2強(qiáng)還原性腐蝕環(huán)境
　　釩氮合金是提高鋼材強(qiáng)度等性能的重要合金元素。生產(chǎn)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(qiáng)堿熔體腐蝕的工業(yè)環(huán)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(yè)尤其是煤化工多屬于還原性強(qiáng)腐蝕環(huán)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(lǐng)域試用。石化行業(yè)現(xiàn)行的吹氣熱電偶,即為防止還原性強(qiáng)腐蝕介質(zhì)對鉑銠熱電偶的沾污而采用的保護(hù)措施。如果采用鎢錸熱電偶既降低成本,又不用吹氣保護(hù)。石化及煤化工行業(yè)的應(yīng)用前景十分廣闊。
 
3.3高溫真空環(huán)境
　　真空冶金設(shè)備與真空釬焊爐等真空系統(tǒng)其真空度通常為1x10^-3-1x10^-5'Pa.作為真空設(shè)備測溫用傳感器不僅要滿足真空系統(tǒng)漏放氣率的要求而且保護(hù)管斷裂也不破壞系統(tǒng)真空度。
(1)真空爐專用熱電偶特點
　　采用無機(jī)與有機(jī)兩種粘結(jié)劑,內(nèi)外兩層嚴(yán)格密封即使保護(hù)管破損也絕不會破壞體系真空度。采用單層或復(fù)合管型結(jié)構(gòu),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(hù)管首先用剛玉管取代合金管成本僅為進(jìn)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(zhǔn)孔真空爐專用熱電偶
　　為了克服離線式校準(zhǔn)熱電偶的諸多弊端,可采用帶有校準(zhǔn)孔真空爐專用熱電偶在線校準(zhǔn)測溫系統(tǒng)簡單易行.方便實用”。
①不可拆卸的帶校準(zhǔn)孔真空爐專用熱電偶
　　該種熱電偶的組件不能從保護(hù)管中取出,只能整支校準(zhǔn)為企業(yè)定期校準(zhǔn)帶來不便。
 
②可拆卸的帶校準(zhǔn)孔真空爐專用熱電偶
　　這種熱電偶組件可以從保護(hù)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(hù)管。為了降低成本使修復(fù)工作變得簡單易行。開發(fā)出使用者也可自行修復(fù)的全部可拆卸型真空爐專用熱電偶。當(dāng)發(fā)現(xiàn)熱電偶有的部件損壞時，用戶可自行更換很受歡迎。
 
(4)進(jìn)口真空爐專用熱電偶的消化、吸收與替代
　　曾維修了發(fā)達(dá)國家多支真空爐專用熱電偶在修復(fù)過程中學(xué)習(xí)、分析、消化吸收各自的優(yōu)點,并在此基礎(chǔ).上再創(chuàng)造。
3.4高溫高壓環(huán)境
　　國內(nèi)真空與粉末冶金設(shè)備,以前多采用鉑銠熱電偶或進(jìn)口鎢錸熱電偶。目前基本上已經(jīng)用國產(chǎn)鎢錸熱電偶替代鉑銠熱電偶及大部分進(jìn)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(shè)備用鎢錸熱電偶如圖8所示。
 
4結(jié)語
　　我國是鎢資源大國。經(jīng)過50多年的艱苦奮斗,我國有關(guān)鎢錸熱電偶的開發(fā)與防氧化技術(shù)的研究,已達(dá)世界先進(jìn)水平某些技術(shù)指標(biāo)居國際領(lǐng)先地位。鎢錸熱電偶應(yīng)用已呈現(xiàn)逐年增漲的趨勢,尤其在進(jìn)口產(chǎn)品替代上更充分體現(xiàn)出價格和服務(wù)優(yōu)勢。目前國產(chǎn)工業(yè)鎢錸熱電偶可替代進(jìn)口鎢錸熱電偶達(dá)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(jīng)濟(jì)效益,并為國家節(jié)省大量外匯。但鎢錸熱電偶的應(yīng)用需要精細(xì)化設(shè)計與專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合。因此要大力推廣鎢錸熱電偶需要用戶、設(shè)計院和制造廠對工業(yè)鎢錸熱電偶有更深的認(rèn)識并共同努力才能取得更好效果。