工業(yè)鎢錸熱電偶的性能與應用

摘要:簡述鎢錸熱電偶的性能、特點,防氧化技術與工業(yè)鎢錸熱電偶行業(yè)標準。詳細論述鎢錸熱電偶在強氧化與還原氣氛、真空、高溫高壓及強腐蝕等環(huán)境中應用。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60~70年發(fā)展成為商品化的難熔金屬熱電偶。但當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,無相應的儀表配套,應用很不方便。為此各國都在努力改進鎢錸熱電偶的生產工藝或開發(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鎢錸熱電偶絲的國家標準"與校準規(guī)范，為其推廣應用奠定基礎并促進鎢錸熱電偶的開發(fā)與應用。
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)熱電偶按其整體結構分為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管中取出。國內多為實體化工業(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、絕緣物與保護管等組成的工業(yè)鎢錸熱電偶。熱電極組件不可以從保護管中取出。
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
由正極質量名義成分為95%鎢、5%錸的合金,負極質量名義成分為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
由正極質量名義成分為95%鎢、5%錸的合金,負極質量名義成分為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
由正極質量名義成分為97%鎢、3%錸的合金,負極質量名義成分為75%鎢、25%錸的合金組成的熱電偶。分度號為D。
1.4工業(yè)鎢錸熱電偶標準
       工業(yè)鎢錸熱電偶開發(fā)與應用多年,但直至2015年我國工信部首先發(fā)布《工業(yè)鎢錸熱電偶技術條件》(JB/T12529-2015)[21。這是一部具有開創(chuàng)性的標準國內外至今尚未見工業(yè)鎢錸熱電偶標準的相關報導該標準的頒布必將促進我國乃至世界工業(yè)鎢錸熱電偶的發(fā)展與應用。
(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規(guī)范的限制工業(yè)鎢錸熱電偶標準中的使用溫度為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Al₂O₃等陶瓷保護管的工業(yè)鎢錸熱電偶。
       真空或保護氣氛:帶有鉬等難熔金屬保護管的工業(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
       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。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管內人為的創(chuàng)造出非氧化性氣氛。
2.1涂層保護法
       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涂層與基體脫落，喪失了保護作用致使各國專家都在尋找過渡層實現(xiàn)平滑過渡,以解決兩者熱膨脹系數(shù)不一致的矛盾增強涂層的穩(wěn)定性。目前涂層保護法只在超高溫環(huán)境下(2000~2500)℃短時間測量溫度獲得了商業(yè)應用。
2.2物理法
       上通用經(jīng)典的抽空、充氣密封的物理法。采用電真空技術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化學法
       將鎢錸熱電極絲裝入剛玉或鉬管內,用惰性物質填充保護管內空隙再脫氧、添加功能材料后密封的化學法(3]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備投資少、成本低、響應速度快抗熱沖擊與振動較強.安全可靠等特點。因此多采用實體化技術生產鎢錸熱電偶。
2.4實體型鎢錸熱電偶的開發(fā)、生產與應用
(1)技術成熟、工藝穩(wěn)定
       自1992年開發(fā)成功以來,不斷改進、完善生產工藝使其防氧化技術更加成熟與穩(wěn)定。
(2)產量逐年穩(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年起每年銷量達千支,現(xiàn)在增至3000~5000支。
(3)國產與進口鎢錸熱電偶性能對比
       鎢錸熱電偶防氧化的理論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領先地位。

3應用
       在綜合考慮復合參數(shù)的工業(yè)環(huán)境有針對性的多種新型鎢錸熱電偶。
3.1強氧化環(huán)境
       典型的強氧化I業(yè)環(huán)境是耐火材料行業(yè)的爐窯。在高溫強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年起成功用于錦州鐵合金實業(yè)公司的鉻剛玉生產線,替代雙鉑銠熱電偶。其燒成工藝溫度為1500℃。十年來用量達700~800支。但在1800C以上的高溫爐窯的應用尚不成熟。

3.2強還原性腐蝕環(huán)境
       釩氮合金是提高鋼材強度等性能的重要合金元素。生產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”石墨與剛玉管復合結構鎢錸熱電偶其壽命顯著提高。自04年起總計用超萬支。石化行業(yè)，尤其是煤化工多屬于還原性強腐蝕環(huán)境。由于美國率先采用鎢錸熱電偶我國也開始在煤化I領域試用。石化行業(yè)現(xiàn)行的吹氣熱電偶,即為防止還原性強腐蝕介質對鉑銠熱電偶的沾污而采用的保護措施。如果采用鎢錸熱電偶既降低成本又不用吹氣保護。石化及煤化工行業(yè)的應用前景十分廣闊。

3.3高溫真空環(huán)境
       真空冶金設備與真空釬焊爐等真空系統(tǒng)其真空度通常為1×10^-3~1×10^-5Pa。作為真空設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
       采用無機與有機兩種粘結劑,內外兩層嚴格密封即使保護管破損,也絕不會破壞體系真空度。采用單層或復合管型結構,目前WRe熱電偶大都采用Mo或其它難熔金屬作保護管作者首先用剛玉管取代合金管,成本僅為進口熱電偶的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)帶校準孔真空爐專用熱電偶
       為了克服離線式校準熱電偶的諸多弊端,可采用帶有校準孔真空爐專用熱電偶在線校準測溫系統(tǒng)簡單易行、方便實用。
①不可拆卸的帶校準孔真空爐專用熱電偶該種熱電偶的組件不能從保護管中取出,只能整支校準為企業(yè)定期校準帶來不便。
 

②可拆卸的帶校準孔真空爐專用熱電偶
       這種熱電偶組件可以從保護管中抽出送檢,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管。為了降低成本,使修復工作變得簡單易行。開發(fā)出使用者也可自行修復的全部可拆卸型真空爐專用熱電偶。當發(fā)現(xiàn)熱電偶有的部件損壞時,用戶可自行更換很受歡迎。

3.4高溫高壓環(huán)境
       國內真空與粉末冶金設備以前多采用鉑銠熱電偶或進口鎢錸熱電偶。目前基本上已經(jīng)用國產鎢錸熱電偶替代鉑銠熱電偶及大部分進口鎢錸熱電偶。
(1)粉末冶金用高溫高壓專用鎢錸熱電偶如圖7所示。

(2)超高真空設備用鎢錸熱電偶如圖8所示。

4結語
       我國是鎢資源大國。經(jīng)過50多年的艱苦奮斗，我國有關鎢錸熱電偶的開發(fā)與防氧化技術的研究。鎢錸熱電偶應用已呈現(xiàn)逐年增漲的趨勢尤其在進口產品替代上,更充分體現(xiàn)出價格和服務優(yōu)勢。目前國產工業(yè)鎢錸熱電偶可替代進口鎢錸熱電偶達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)濟效益并為國家節(jié)省大量外匯。但鎢錸熱電偶的應用需要與專業(yè)應用相結合。因此要大力推廣鎢錸熱電偶需要用戶、對工業(yè)鎢錸熱電偶有更深的認識并共同努力才能取得更好效果。.