用于鋼水連續測溫金屬陶瓷熱電偶實驗研究

摘要:采用兩種不同組成的金屬陶瓷棒作為測溫熱電偶,置于鋼液中進行連續測溫,實驗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、輸出熱電動勢值較大,在金屬熔化溫度范圍內其熱電動勢與溫度的線性.關系明顯。
　　金屬陶瓷材料近二三十年來得到了迅猛的發展,它的優異性能使其在各種技術領域內得到應用，特別在冶金高溫領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,隨著煉鋼自動控制技術的發展,以及對鋼質量要求的不斷提高,需要連續測量冶煉過程中的鋼水溫度因測溫環境惡劣,技術難度大,至今還不能實現鋼水連續測溫國內外該項研究主要集中在熱電偶的保護套管材質的改進上,采用耐高溫、抗渣的金屬陶瓷保護套管,然后埋入鋼水中測量溫度[~4]但保護套管材質使用壽命短,價格高,很難用于大規模工業生產.另外采用保護套管結構型的熱電偶根本不能在煉鋼爐內的工作條件下進行連續測溫本實驗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,就可以連續精確地測量鋼水的溫度,而金屬陶瓷耐高溫,可以承受鋼水和爐渣的侵蝕。
1實驗研究
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、爐渣中長時間浸泡,檢測其抗爐渣和耐鋼水侵蝕性,從中選出兩種不同成分的金屬陶瓷作為熱電偶材質將兩種金屬陶瓷熱電偶置于鋼液中,與液態的鋼水組成一個回路，被測液態鋼水作為第三導體接入回路，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生的熱電勢與溫度的關系，用電子電位差計測量熱電偶輸出的熱電勢值根據測得的熱電勢與溫度的對應關系配備顯示儀表鋼水溫度作為熱電偶材質的試驗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高,低溫下鋼不熔化，本實驗選用熔點低的金屬鋁來替代鋼，與金屬陶瓷棒組成熱電偶回路實驗.裝置見圖1。
 
1.2實驗原理
　　兩種性質不同的導體A和B在兩個端點處連接起來形成閉合回路,如圖2所示設t>to(t-to分別為兩接觸點的溫度)NA>NB(NA、NB分別為導.體AB的自由電子密度),熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。
 
　　NAt、NAt0和Bt、NBt0分別表示導體A、B在接觸點溫度為t和t/0時的自由電子密度e為單位電荷量，k，為波爾茲曼常數
(2)溫差電勢:
 
2試驗結果及討論
　　在探索性試驗時,發現所選金屬陶瓷熱電偶冷端溫度變化會引起金屬陶瓷熱電性能變化因此必須對金屬陶瓷熱電偶冷端進行冷卻,保持冷端溫度恒定冷卻方法為對冷端進行風冷或對冷端進行循環水冷卻現分析討論如下:
2.1采用風冷
　　對金屬陶瓷的冷端采用壓縮空氣進行冷卻,試
　　驗結果見圖3
 
　　從圖3可以看出,從開始升溫到升溫40min時,溫度升至約為400℃(標準熱電偶熱電動勢值5.58mV),在這一階段,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢隨溫度的升高而增大,并且輸出熱電動勢值與溫度的線性關系良好40min后,溫度大于400℃,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢緩緩變小，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.縮空氣風量后,即增加對陶瓷熱電偶冷端的冷卻強度,底部金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢又重新增大一段時間后,輸出值又變小說明對金屬陶瓷的冷端采用壓縮空氣進行冷卻,在低溫(溫度<400℃)輸出熱電動勢值與溫度的線性關系明顯溫度大于400℃,冷端溫度不能恒定,輸出值與溫度無線性關系,風冷達不到預期效果。
2.2采用水冷
　　對金屬陶瓷熱電偶冷端采用銅質三層套管冷卻器循環水冷卻實驗結果見圖4、5圖4、5是同一次實驗中升溫降溫,再升溫得到的兩組實驗結果兩組實驗中爐溫均達到1600℃以上從兩圖看出,底部金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢值較大,達到了幾百mV,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢值和時間的曲線與標準熱電偶輸出的熱電動勢和時間的曲線變化趨勢相似同時底部金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢值與溫度的線性關系良好,測溫靈敏度高,滯后時間短,用循環水冷卻底部金屬陶瓷熱電偶的冷端效果較好實驗中隨著溫度的升高,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢值的增長速率較標準熱電偶輸出值小，說明金屬陶瓷熱電偶的冷端溫度不恒定，在緩緩上升,對輸出值產生影響因此有必要加長金屬陶瓷棒的長度或增加水冷強度。
 
 
3結論
(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測溫,輸出熱電動勢值與溫度的線性關系良好、測溫靈敏度高、滯后時間短,且輸出熱電動勢值較大,有利于精確測溫。
(2)金屬陶瓷熱電偶冷端溫度的變化影響測溫的正確性采用循環水冷卻的效果要比采用風冷效果好。