鎢錸熱電偶在連鑄中間包鋼水連續(xù)測(cè)溫中的應(yīng)用

摘要：闡述了鎢-錸型(WRe3-WRe25)熱電偶用于煉鋼連鑄中間包鋼水連續(xù)測(cè)溫的實(shí)驗(yàn)。采用外保護(hù)管與熱電偶分體組裝方式測(cè)溫.結(jié)果表明鎢錸偶采用填充固體細(xì)粉制成實(shí)芯偶，其壽命可達(dá)30h以上,外保護(hù)管壽命達(dá)8~10h,熱電偶?jí)勖秶鷥?nèi)測(cè)量精度1%T.響應(yīng)時(shí)間τ0.9≤90s.
0引言
　　連鑄中間包鋼水溫度測(cè)量是控制鑄機(jī)拉速，提高澆成率的-項(xiàng)重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。在采用了中包等離子體加熱技術(shù)后，傳統(tǒng)的快偶點(diǎn)測(cè)方式已無(wú)法勝任，連續(xù)測(cè)溫勢(shì)在必行。鋼水連續(xù)測(cè)溫通常采用熱電偶作為溫度傳感器。由于直接接觸高溫鋼水。對(duì)熱電偶的外保護(hù)管性能、偶絲材質(zhì)性能要求很高。因此連續(xù)測(cè)溫在鋼鐵行業(yè)一直屬于高投人高成本技術(shù)。
　　鎢錸型(WRc3-WRe25)熱電偶目前主要應(yīng)用在1200~1400℃的各類窯爐測(cè)溫方面".按鎢錸偶的測(cè)溫特性,其熱電勢(shì)與溫度的線性范圍可延伸至2300℃,且在1500℃附近其熱電勢(shì)變化高于其他類型熱電偶。應(yīng)用于鋼水測(cè)溫應(yīng)是其優(yōu)勢(shì)所在,困難的是鎢錸絲必須工作在真空或還原性氣氛下以防氧化。通常將絲密封于氣密性良好的剛玉管內(nèi)。而剛玉接觸鋼水則炸裂,故其外還必須用外保護(hù)管以隔絕鋼水。這樣多層套管封裝勢(shì)必大大延緩熱電偶溫度響應(yīng)時(shí)間(τ0.63≥180s),用作中包測(cè)溫顯得時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此必須對(duì)現(xiàn)行鎢錸偶加以改進(jìn)。
1鎢錸偶改進(jìn)與外保護(hù)管研制
　　中包等離子體加熱技術(shù)可根據(jù)測(cè)溫信號(hào)調(diào)整加熱功率將鋼溫控制在士5℃以內(nèi)。這要求溫度響應(yīng)時(shí)間越短越好.國(guó)外已可作到τ0.9~120s內(nèi)。同時(shí)，連測(cè)工作時(shí)間必須不少于8h,熱電偶耐急冷急熱次數(shù)不少于6次.本項(xiàng)研究工作主要圍繞這三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行。
1.1鎢錸偶改進(jìn)
　　現(xiàn)行鎢錸偶為抗氧化多采用真空封裝叫。這種方法以犧牲溫度響應(yīng)時(shí)間τ來(lái)?yè)Q取使用壽命的延長(zhǎng)(50h~20個(gè)月以上)。分析表明，用填充細(xì)粉方式取代真空封裝可明顯改善導(dǎo)熱性能、縮短τ值.雖然熱電偶?jí)勖鼤?huì)縮短，但只要超過(guò)30h,其成本是可以接受的。改進(jìn)后的實(shí)測(cè)表明,在其他條件不變的情況下,實(shí)芯偶的τ值比真空偶減少近一半(圖1),而且通過(guò)優(yōu)化外保護(hù)管設(shè)計(jì).τ值可控制在90s以內(nèi)。

　　對(duì)不同的粉末對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,粉末種類對(duì)τ值影響不大,對(duì)壽命影響亦不明顯，因此可選用低廉的AL2O3粉末作填充物.粉末的顆粒度對(duì)壽命有影響。顆粒過(guò)大,粒間殘留氣體較多，高溫下將使鎢錸絲過(guò)快氧化。實(shí)驗(yàn)還表明,通過(guò)更換外保護(hù)管,鎢錸偶實(shí)際累計(jì)工作時(shí)間已超過(guò)30h,這證明填充細(xì)粉封裝是可行的.
1.2外保護(hù)管研制
　　外保護(hù)管的作用是隔絕鋼水對(duì)熱電偶及其內(nèi)保護(hù)管的影響。它應(yīng)在1500~1600℃高溫下能經(jīng)受鋼水的沖擊和熔渣的侵蝕，因此必須具有良好的抗渣性能、抗熱震性能和導(dǎo)熱性能。耐火材料的抗熱震性能由熱震穩(wěn)定性表征，定義為由“1100℃/950℃=室溫流動(dòng)水/強(qiáng)制對(duì)流空氣"循環(huán)若于次后熱端面積損失狀況或殘余抗折強(qiáng)度.數(shù)值上可由下式估算:

　　式中:σ為材料力學(xué)強(qiáng)度測(cè)定值，與加載速率σ有關(guān);a為材料熱脹系數(shù);v為材料泊松比;E為材料彈性模量,可由E=E0e^-ap計(jì)算;其中:p為汽孔率;E0為材料無(wú)缺陷時(shí)E值;a為常數(shù).
　　鑒于實(shí)際應(yīng)用情形，將熱震穩(wěn)定性規(guī)定為進(jìn)出中包鋼水的次數(shù).理論和實(shí)踐均表明,耐火材料制品的性能主要取決于其導(dǎo)熱系數(shù)λ.熱脹系數(shù)ɑ、E0和p(定義如前述).λ,p大,ɑ,E0小則熱震穩(wěn)定性好,但p大會(huì)使制品導(dǎo)熱性能、抗渣性下降。經(jīng)綜合比較可知,石墨的綜合性能優(yōu)越,但純石墨制品在高溫鋼水中易被燒蝕;其次是SiC,其表面在高溫下可生成SiO2保護(hù)層阻止氧化向深層發(fā)展但SiC的E值較大,制品易碎;電熔剛玉的導(dǎo)熱性能雖低，但其抗渣性和熱震穩(wěn)定性均較優(yōu);ZrO2抗渣性最高，但導(dǎo)熱性最差,只可作為制品渣線部位復(fù)合材料。將前三種質(zhì)料按比例配制成制品基料,經(jīng)等靜壓成型后制成外保護(hù)管,經(jīng)實(shí)驗(yàn)其性能可滿足實(shí)用要求.在鋼水中累積浸泡時(shí)間最少可達(dá)8h,無(wú)裂紋，高的可達(dá)10h仍可使用;熱震穩(wěn)定性達(dá)10次以上.試驗(yàn)還表明，外保護(hù)管壽命主要取決于渣線部位的侵蝕程度.當(dāng)液面穩(wěn)定.澆鑄后期中包內(nèi)熔渣較厚時(shí)，侵蝕變得嚴(yán)重,8h可深達(dá)7mm,通過(guò)在制品渣線部位復(fù)合ZrO2可延緩侵蝕過(guò)程.但ZrO2材質(zhì)昂貴，且復(fù)合部位由于材料熱脹性能差別較大,高溫下易斷裂.一個(gè)簡(jiǎn)單可行的辦法是改變插人深度，使侵蝕均布于一段范圍內(nèi),這在鋼液面波動(dòng)較.大的場(chǎng)合尤為可行。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
　　熱電偶與外保護(hù)管的組裝、測(cè)溫機(jī)構(gòu)安排和測(cè)溫點(diǎn)選擇分別見(jiàn)圖2~圖4.測(cè)溫點(diǎn)取距包
底100mm,相當(dāng)于正常液面下350~400mm。熱電偶冷端加罩以防止熱輻射造成冷端溫度過(guò)高，引起測(cè)量誤差.補(bǔ)償導(dǎo)線采用耐高溫型，精度士0.08mV.測(cè)溫儀表選用冶金部自動(dòng)化院儀表所生產(chǎn)的智能型調(diào)節(jié)儀.上述測(cè)溫單元在馬鞍山第二煉鋼廠2#連鑄機(jī)上進(jìn)行實(shí)測(cè)試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖5.


(1)連續(xù)測(cè)溫與現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)測(cè)溫度符合得較好,但前者更能細(xì)致地反映鋼水溫度的實(shí)時(shí)變化，如曲線上55~70min一段(CD段).
(2)液面波動(dòng)對(duì)連續(xù)測(cè)溫影響較大.上述CD段實(shí)際上不僅包含了鋼液的自然溫降,而且也包含著由于液面降低帶來(lái)的測(cè)量誤差.文獻(xiàn)[2]給出測(cè)溫深度應(yīng)不少于測(cè)溫棒直徑的10倍.在本試驗(yàn)中相當(dāng)于深度不少于350mm,否則熱電偶棒的縱向傳熱會(huì)導(dǎo)致測(cè)量端達(dá)不到平衡溫度，引起誤差.多次試驗(yàn)表明:插人深度在300mm以上不影響測(cè)溫;在250~300mm之間,τ值增大,但仍可達(dá)到平衡溫度;深度不足250mm,則會(huì)引起測(cè)量誤差。2#連鑄機(jī)正常拉鋼時(shí)，中包鋼液面控制在距包底350~500mm之間，滿足測(cè)溫條件.但換大包之際，經(jīng)常遇到新;包開(kāi)包時(shí)間過(guò)長(zhǎng)幾到十幾分鐘，中包內(nèi)鋼水接續(xù)不上造成液面過(guò)低的情況,這時(shí)必然會(huì)造成鋼溫示值急劇下降的虛假現(xiàn)象.如果以此來(lái)調(diào)節(jié)等離子體加熱功率則會(huì)造成事故。因此,在應(yīng)用等離子體加熱場(chǎng)合，穩(wěn)定液面與溫度測(cè)量一樣重要.二者具有相關(guān)性。
3結(jié)論
(1)填充式鎢錸熱電偶用于中包連續(xù)測(cè)溫是可行的.實(shí)測(cè)熱電偶系統(tǒng)的T值τ0.9≈90 s,測(cè)溫精度正常情況下主要由偶絲絲材精度決定,為1% T.
(2)外保護(hù)管使用壽命8~ 10 h,熱震穩(wěn)定性大于10次.
(3)連續(xù)測(cè)溫要求中包液面穩(wěn)定.