熱電偶失效原因分析和對策

摘要:液晶玻璃基板鉑金通道溫度測量普遍采用裸絲熱電偶,對生產(chǎn)使用中短時間常出現(xiàn)開路失效的情況進行綜合分析,根據(jù)熱電偶拆除后偶絲的檢查情況，分析為氧化導致開路失效，針對性提出改進對策方案，最終取得較為理想的效果。
0概述
      現(xiàn)代TFT基板玻璃生產(chǎn)中,普遍使用了鉑金通道澄清方式,其加熱方式為在鉑金管道上通以大電流,以鉑金管道本身作為發(fā)熱載體，對內部的玻璃液進行加熱。通道加熱方式一般采用溫度控制加熱功率的閉環(huán)控制模式，測定鉑金管壁的溫度,根據(jù)測定的溫度和設定目標值溫度比較,調整通過該鉑金管道的電流電壓，進而調整鉑金發(fā)熱量來改變溫度,使之控制在目標值誤差精度范圍內。
      鉑金通道溫度的穩(wěn)定與否,將直接決定了工藝參數(shù)的穩(wěn)定運行,對基板玻璃的品質有很大的影響，影響著氣泡、鉑金顆粒、玻璃結石、條紋等諸多缺陷的產(chǎn)生畢。熱電偶穩(wěn)定連續(xù)的測量并提供真實可靠的溫度數(shù)據(jù),對工藝的調整至關重要。
1結構形式和使用環(huán)境
1.1結構形式
      基板通道.上熱電偶--般采用鉑銠貴金屬熱電偶,常用的有R型、S型和B型。通常采用裸偶直接或間接焊接在鉑金管道本體上的安裝方式。直接焊接即將熱電偶兩根偶絲先焊接在一-起,如圖1中a所示,然后再焊接在鉑金管道本體.上,這樣測得的就是最直接的鉑金管壁的溫度。但是通道本體是一個大電流的載流體，也就是熱電偶是測量帶電體的溫度,這樣的結構形式使得熱電偶容易受到更多電氣因素的影響,從而影響熱電偶的測量正確性和使用壽命。間接焊接一般是在鉑金管壁上趴焊一個小的鉑金片,然后將熱電偶接觸點焊接在該小鉑金片上,如圖1中b所示。這樣的結構可以減少鉑金管道大電流對熱電偶測量精度的影響。此外,所有的測溫點都配備雙偶，當一組偶絲出現(xiàn)故障時候,可以很快切換到另外--組偶絲。

      因為所有的偶絲都需要從最內層耐火材料--直貫穿到最外層保溫材料，然后才可以連接到測量儀表中,測出所需要的溫度數(shù)值,如圖2所示。在常溫和高溫下，各種材料膨脹系數(shù)不同，當設備從常溫狀態(tài)升溫到使用溫度狀態(tài),一.般在1600℃以上，不同的材料會產(chǎn)生不同的位移。為了防止在熱膨脹過程中熱電偶絲被拉扯而產(chǎn)生斷線,在安裝時候，所有的偶絲均進行了預處理,一-是退火處理,退火處理是將偶絲在安裝前進行預升溫到1000℃,然后以緩慢速度降溫,實現(xiàn)偶絲退火,退火后的偶絲變得柔軟，可塑性更好;二是預留膨脹空間，在所有的偶絲安裝到設備后，在每根偶絲外套上陶瓷小管,保證兩根偶絲在引出過程中不能發(fā)生短路現(xiàn)象，再在陶瓷小管外邊包裹約10mm厚的耐火棉，穿過耐火材料預留孔，引出到外部空間接線盒,利用保溫棉彈性保證膨脹過程中偶絲不被拉扯到。

1.2使用環(huán)境
      貴金屬熱電偶使用溫度在1300~1650℃,在偶絲進出的通道四周，盡可能密封得嚴嚴實實。周圍耐火材料-般為氧化鋁為主的耐高溫材料和以硅酸鋁為主的保溫磚或保溫板、保溫棉,盡可能控制碳的含量,在.安裝過程中,盡可能減少金屬雜質混入。在氣氛控制上,盡量減少氧化氣氛，但是又需要保證不能出現(xiàn)還原氣氛，故在以氮氣為主的氣體中加入了少量的氧氣和水蒸氣。
2故障原因
      2014年某公司一產(chǎn)線按照正常的程序安裝調試和升溫啟動,并順利達到了正常的工藝狀態(tài)，當生產(chǎn)運行到約10個月的時候,開始先后出現(xiàn)了8組熱電偶失效,經(jīng)過現(xiàn)場測量,確認電阻無窮大，即處于開路狀態(tài)。且備用熱電偶在使用前后幾個月內也相繼失效。這些熱電偶基本都發(fā)生在高溫段，導致高溫段尤其是澄清段沒有了可供參考的溫度測量數(shù)據(jù),對生產(chǎn)工藝造成較大的影響。在此期間只能靠各個回路的加熱功率和.操作人員的經(jīng)驗判斷，以及降溫段的溫度顯示數(shù)據(jù)來參考。問題發(fā)生后,對可能造成熱電偶批量開路的原因進行了相關資料查找、分析和匯總，結合現(xiàn)場實際情況進行分析。-般情況下，出現(xiàn)熱電偶開路有以下幾種原因。
2.1機械性損傷
       熱電偶偶絲在受到外力拉伸或者剪切,發(fā)生機械性斷裂。因為偶絲從內到外穿過可能不止一層耐火材料以及鋼結構外殼。無論是自然膨脹受到阻礙還是耐火材料或鋼結構之間位移,或者是鉑金本體在熱脹過程中與接線盒之間發(fā)生位移，都有可能導致偶絲受到拉力或者剪切力，當超過一定程度后就可能發(fā)生偶絲斷裂。此外，部分偶絲在生產(chǎn)環(huán)節(jié)制作完成后,沒有經(jīng)過有效的退火,殘存應力較大,在受到外界機械力量的多次彎折，會出現(xiàn)折斷的可能。
2.2高溫熔斷
      無論何種牌號的熱偶,都有一定的使用范圍，一般來說貴金屬熱電偶的使用溫度較大,其中又以B型熱電偶長期使用的溫度更高些。當一定牌號的熱電偶處在高于其使用溫度的環(huán)境下，或者局部過熱,都會導致偶絲變軟,超過貴金屬熔點就會出現(xiàn)偶絲熔斷的可能。
2.3物理化學侵蝕.
      偶絲在使用中有其固定的使用環(huán)境,不同的環(huán)境會對偶絲的侵蝕有不同的影響。--般來講,貴金屬處于氧化物包圍的環(huán)境相對安全,當環(huán)境中有金屬單質或者碳、硅等單質存在，會與貴金屬在高溫下形成共晶體或共熔體回,其熔點遠低于貴金屬本身的熔點，會造成偶絲局部劣化而斷裂。
2.4揮發(fā)
      在空氣氣氛中，當超過一定溫度后，貴金屬也會被氧化，氧化后形成貴金屬氧化物,便以氣態(tài)形式揮發(fā)到周圍大氣中,遇到冷點又凝結，如此循環(huán)經(jīng)過一定的使用時間，偶絲就可能出現(xiàn)局部斷裂,這種現(xiàn)象一.般發(fā)生.在偶絲保護管接口處。偶絲在中性或者惰性氣氛中相對最安全,因為氧化氣氛會加速貴金屬氧化揮發(fā),還原氣氛有可能導致周圍其他物質還原形成金屬單質。
      由于在生產(chǎn)中無法將損壞的偶絲拿出來進行分析,也無法判斷內部氣氛等狀況,故對其中真實的原因進行判斷，只能待產(chǎn)線停止后揭破分析。經(jīng)過半年多的時間后,由于其它的原因導致該產(chǎn)線停產(chǎn)大修,整個產(chǎn)線降溫后拆除,拆開所有的熱偶分析后發(fā)現(xiàn)，多數(shù)偶絲斷裂發(fā)生在距離測溫點較近的地方,約3cm左右,偶絲保護管的接口部位，而且集中表現(xiàn)在偶絲需要轉彎的部位,根據(jù)顯微觀察,斷點周圍保護管有較多揮發(fā)后的冷凝物，且斷點呈現(xiàn)粗糙逐步過渡型的斷頭。由此可以推斷，該現(xiàn)象主要是由于貴金屬長時間的氧化后揮發(fā)造成的。由于密封不夠嚴密,導致有外界氧氣滲入保溫材料內部,而偶絲保護管由于在轉彎處會造成較大.的縫隙，氧氣有更多的機會接觸到偶絲,在比較高的溫度下便會對偶絲造成影響。
3對策方法和效果
      當判定其影響主要方向后，在該產(chǎn)線重建的時候,對所有偶絲的處理進行了優(yōu)化,主要做了以下幾點調整。首先是將平頭偶絲保護管改換成了圓形頭保護管,即一頭是突出一頭是凹入,這樣的組合,即使偶絲拐彎也能起到很好的密封作用,更好地隔離空氣的進入;其次將環(huán)境氣氛由氮氣加氧氣改為了純氮氣,完全中性的氣氛,盡可能減少氧氣的存在;第三將偶絲穿過的路線密封方式進行了調整,在偶絲套入保護管之后,之外包裹兩層高溫耐火密織布,再外填充細目數(shù)氧化鋁粉,所有這些保護裝入耐火材料和保溫材料孔洞中,在孔洞的低溫段用耐火泥密封。
      經(jīng)過以_上處理方式改進后的產(chǎn)線投入運行，在基本相同的工作溫度和使用習慣前提下，經(jīng)過了19個月的運行,只有1組熱電偶出現(xiàn)了開路,其余均未出現(xiàn)明顯異常,到24個月時也只有4組出現(xiàn)開路,但是有2組偶絲的備用組仍可使用。.
4結束語
      通過熱電偶開路現(xiàn)象的分析和總結、改進對策與效果對比,可以看出，熱電偶偶絲由于氧化揮發(fā)造成的開路現(xiàn)象從理論.上講,是不可能絕對避免的，但是可以通過優(yōu)化環(huán)境氣氛和安裝方式來延長其使用壽命。通過此案例分析，希望對同行技術人員有一定的借鑒作用。