鎳基鎧裝熱電偶的高溫性能與應用

　　長期以來,人們一直致力于用廉金屬，主要是鎳基即K型熱電偶與N型熱電偶代替貴金屬熱電偶，用于1300℃以下的溫度測量。我國也曾于20世紀70年代組織了“廉代貴"的技術攻關，研制了添加釔、鈣和稀土元素的K型(即鎳鉻一鎳硅)熱電偶絲材。這些廉金屬熱電偶絲材在1200℃甚至1300℃均具有一定的精度和熱電勢穩定性，在取代貴金屬熱電偶(如S型與R型)方面取得了一定的成績。
　　進入80年代中期后，由于改革開放與市場價格競爭，許多生產熱電偶絲材的廠家，在生產時已不再添加上述的金屬元素和稀土元素，致使國產熱電偶絲材在高溫段(900℃以上)的性能日漸失去。
　　近年來，隨著國內外對熱電偶保護管材料、高溫熱電勢漂移以及分流誤差等方面的研究，取得了一系列的成果，使鎳基熱電偶在高溫段的應用取得了長足進展。
一、兩種常見的熱電偶絲材
1.裸絲
　　裸絲，即不帶任何絕緣層或保護管的熱電偶絲材，是熱電偶的核心元件，決定了熱電偶的精度、熱電勢穩定性等關鍵指標。用裸絲制作的裝配式熱電偶，由于絲材與工況環境直接接觸，在高溫段(900℃或以上)使用時，裸絲氧化較快，引起電勢變化大，絲材壽命短，影響測控溫度的精度，因而在實際使用中并不理想。
2.鎧裝絲材
　　將熱電偶裸絲穿在高純度氧化鎂.(MgO)或氧化鋁(Al2O3)絕緣套中，放入外徑在φ20~25金屬合金套管內，通過若干次的高溫拉細和退火，即生產出鎧裝熱電偶絲材，這種絲材由熱電極(裸絲)、絕緣層和金屬合金3種材料形成--體化的致密結構，外層為金屬合金保護層，內部是高純氧化鎂或氧化鋁絕緣材料，熱電偶的正、負極被埋在里面。這.種絲材的優越性在于:熱電偶裸絲(電極)受到金屬合金鎧裝層和絕緣材料的保護,不直接與測溫介質接觸，這對延長熱電偶的使用壽命提供了很好的幫助，而且它還可以隨意彎曲。
　　用作鎧裝熱電偶絲材鎧裝保護層的金屬合金通常有:AISI304(304L)、321、
316、316L、316Ti、310、Inconel600、Inconel800、Nicrobell等。
　　二Q系列、NC系列鎧裝熱電偶絲材的性能分析
鎧裝熱電偶絲材的性能取決于兩個方面:
　　一是其裸絲的性能。表1列出的是國產裸絲與德國產裸絲的化學成分對照表。從表中可以看到，國產絲材在成分上比德國絲材少了許多金屬元素，反映在高溫性能上,就彰顯出其性能的不同。德國絲材具有比國產絲材更好的抗高溫氧化性和長期穩定性。
 
　　二是其金屬合金鎧裝保護層的材料。按照各種金屬合金的高溫性能，在.900C以內的溫度段,適用的鎧裝保護層材料有304、321、316、316L、316Ti等;在1150C以內的溫度段，適用的鎧裝保護層材料有:AISI310、Inconel600、Inconel800等;在1250C以內的溫度段，適用的鎧裝層材料有Nicrobell。
　　在此，重點介紹AISI310材料和Nicrobell金屬合金鎧裝層材料，因為在實際應用中,AISI310材料較Inconel600具有更多的優點，而Nicrobell合金材料，則是近年來開發的最高使用溫度的新材料。
1.AISI310金屬合金材料(Q系列)
　　表2所列的是AISI310的化學成分構成。
 
　　該種合金材料具有極好的抗腐蝕.性能，可暴露在高達900℃的含有二氧化碳的空氣中，可抵抗200℃的濃硝酸和420℃的硝酸鹽溶液;在空氣中經常使用的溫度可達到1150℃;在溫度變化較頻繁的情況下可達到1000℃左右;在550~850℃的溫度區間中，不推薦反復使用該合金材料,這是因為該材料有σ-相沉淀硬化的結構趨向，在冷卻至室溫時容易碎裂。
　　該合金材料可采用電弧焊接工藝進行焊接。焊接前不需要預熱，焊接后也不需熱處理，在冷與熱的工作過程中使用非常理想。特別適用于核電站、原油與石油化工、燃爐制造、熱交換裝置、氣體預熱裝置、水泥窯、磚窯及玻璃制造等行業。
　　由于該種合金材料具有上述優點，采用該種合金材料作為鎧裝保護層的鎧裝熱電偶絲材(Q等系列),在實際應用在1150℃的工況環境中，尤其是應用在具有還原氣氛的工況環境中，均有較理想的效果。
2.Nicrobell金屬合金材料(NC系列)
　　表3所列的是Nicrobell的化學成分構成。
 
　　Nicrobell金屬合金的材料是在Nicrosil合金材料的基礎上，通過添加鈮(Nb).鎂(Mg)等元素研制而成的一種新型高溫金屬合金材料，將該種材料用做鎧裝熱電偶的鎧裝保護層便產生了NC等系列的高溫鎧裝熱電偶絲材。研究成果表明:這種新型的鎧裝熱電偶絲材，其測量的準確性可保持到1280℃;在1200℃的最大電勢漂移≤±1.0C,在1250℃的最大電勢漂移≤±1.5℃;可長期使用在1250℃,短時可達到1280℃。
　　在該合金材料中，鎂和硅形成了具有保護作用的氧化硅酸鎂鹽外表層;而鈮解決了合金在高溫條件下強度不夠的問題;該合金材料與其他合金材料相比，具有更好的熱膨脹系數的一致性，達到了0.05%，提高了10倍，且具有更長的使用壽命。
　　三鎳基鎧裝熱電偶(Q系列與NC系列)替代S分度熱電偶的可行性
1.技術可行性分析
a.K偶與S偶的測溫范圍比較
　　根據IEC(國際電工委員會)的標準，K型熱電偶與S型熱電偶的測溫范圍是:K型:-40~1300℃;S型:0~1600℃。
　　采用廉金屬K型偶適宜在氧化性及惰性氣體中連續使用，短期使用溫度可達到1300℃，長期使用在1000~1200℃(取決于絲材外徑的大小),其熱電勢與溫度的關系近似線性。
作為貴金屬的S型偶，其精度是所有熱電偶中等級.最高的，通常用作標準或測量1200℃.以上的高溫，但其價格昂貴，機械強度低，不適宜在還原性氣氛或有金屬蒸氣的條件下使用。綜上比較，在0~1250℃溫度范圍內的工業測溫，完全可以用K型偶替代S偶。
　　b.K偶與S偶的精度比較根據IEC和國家標準，K偶與S偶在其溫度范圍內的允差如表4所列。表4中，t為實際測量的溫度;It為實際測量溫度的絕對值。
 
　　在600~1200℃的溫度范圍內，I級、ll級的K偶與II級的S偶的允差值如表5。
 
　　表5表明:采用1級允差的K偶，與II級允差的S偶相比較，其最大的誤差≤1.8℃;采用I級允差的K偶，與II級允差的S偶相比較，其最大的誤差≤6.0℃。.
C.復現性能.
　　就德國Q系列和NC系列的鎧裝熱電偶材料高溫段(800~1200℃)的復現性能，進行了多次反復循環測試。開始升溫到1200℃,在800℃、1000℃及1200℃三個溫度，按檢定規程的要求檢測這些點的數據，然后從1200℃開始降溫到800℃，同樣按檢定規程要求檢測這些溫度點的數據，如此循環反復，得到了表6數據。
 
　　由上述數據可得出以下結論:在800℃,各個數據在循環測試過程中的最大偏差是1.32℃;在1000℃，各個數據在循環測試過程中的最大偏差是1.75℃;在1200℃，各個數據在循環測試過程中的最大偏差是1.24℃。這說明德國絲材在高溫段具有良好的復現性能。
　　綜上所述，在相關的技術指標中，無論在適合的溫度范圍內(-40~1250℃)或是精度方面，采用德國進口的鎧裝K偶絲材，均完全可以替代S偶進行一般的工業溫度測量。
2.使用成本比較
　　以總長為1m，φ16高鋁保護管，S型熱電偶絲按國標φ0.5外徑(±0.02),2008年4月600元/克作為計算基礎，列出直插式熱電偶的成本價格如表7。
 
　　表7中，WRNKD,-130為選用德國Q系列φ6外徑鎧裝材料生產的可替換鎧裝熱電偶;WRNKD2-130為選用德國NC系列φ6外徑鎧裝材料生產的可替換鎧裝熱電偶。
　　由表7可知:Q系列的同類產品僅是S型熱電偶產品成本的6%;NC系列的同類產品僅是S型熱電偶產品成本的13%。
3.產品改型的可行性
　　將已有的S偶改為高溫K偶，在技術上涉及到兩個問題:.
(1)需更換熱電偶補償導線，將原有的S偶補償導線改換為K偶的補償導線，需要做的是更換線纜的工作,難度不大，但有些麻煩;
(2)需要將原來輸入信號為S偶的溫度控制及顯示裝置，更改為輸入信號為K偶，目前，大多數企業所使用的溫度顯示與控制裝置，均為萬能輸入型(即輸入信號可按要求重新設置)，這類裝置的更改很簡單;對于不是萬能輸入型的裝置，則需重新換上新的裝置，也只是一次性的行為。因此，產品改型在技術上不存在任何問題。
四、實際應用介紹
　　近年來，推廣應用Q系列與.NC系列高溫鎧裝熱電偶方面進行了大量工作，取得了較豐富的實踐經驗和數據。下面介紹的是部分工況使用該類熱電偶的情況。
(1)飛機發動機制造廠
　　該廠選用NC系列φ3外徑鎧裝材料，使用介質:各種氣氛，包括真空爐等，使用溫度:0~1200℃。從2007年9月至今，已使用超過6批次，反映良好，未見異常。
(2)金屬科技公司
　　該公司選用Q系列φ6、φ8外徑鎧裝材料的產品，使用工況:不銹鋼鋼帶爐，使用介質為空氣，爐中有用氨水分解成氨和氫的還原性氣氛，使用溫度0-1070℃。2007年10月使用至今，反映良好，未見異常。
(3)熱處理技術股份有限公司
　　選用Q系列和NC系列φ2、φ3外徑的鎧裝材料產品，使用工況:真空爐及滲炭氮化爐，使用溫度為0~1150℃及0~1200℃。從2005年8月使用至今，效果良好，未見異常。
(4)電爐有限公司
　　該公司選用Q系列φ6鎧裝材料產品，使用工況:淬火爐，使用溫度為0-1000℃。從2007年4月至今,效果良好，未見異常。
(5)循環硫化床鍋爐(CFB)的溫度測量
　　用Q系列φ6外徑的鎧裝測量元件，φ20或以上外徑的高溫耐磨合金保護管，使用壽命達到8~10個月。
(6)鋼鐵廠高爐熱風爐等測溫;
　　熱風爐側壁、拱頂測溫及燒結機點火器溫度，采用φ8外徑NC系列鎧裝測量元件，剛玉陶瓷保護管;風溫管道測溫和豎爐燃燒室測溫，采用φ6外徑NC系列鎧裝測量元件，剛玉陶瓷保護管。
　　值得說明的是:對于不同的工況環境，應根據不同的狀況選用不同材質和外徑的鎧裝元件及不同材質的保護管，以保障測溫的準確性和相應的使用壽命。
五結束語
　　“以廉代貴"是一項較長期的工作，一方面要克服推廣過程中出現的各種問題，另方面又要解決人們思想中怕麻煩及擔心的問題。但從發展方向來看，在-40~1300℃的溫度范圍內，用鎳基熱電偶替代貴金屬熱電偶已勢在必行，因為降低成本是每個企業都在追求的目標。