用于钢水连续测温金属陶瓷热电偶实验研究

摘要:采用两种不同组成的金属陶瓷棒作为测温热电偶,置于钢液中进行连续测温,实验证明是可行的组成新型热电偶的金属陶瓷棒耐钢渣侵蚀性好、输出热电动势值较大,在金属熔化温度范围内其热电动势与温度的线性.关系明显。
　　金属陶瓷材料近二三十年来得到了迅猛的发展,它的优异性能使其在各种技术领域内得到应用，特别在冶金高温领域金属陶瓷材料的耐高温、耐侵蚀和抗震性能引起冶金工作者的广泛注意在冶炼.过程中，温度是最重要的操作工艺参数,随着炼钢自动控制技术的发展,以及对钢质量要求的不断提高,需要连续测量冶炼过程中的钢水温度因测温环境恶劣,技术难度大,至今还不能实现钢水连续测温国内外该项研究主要集中在热电偶的保护套管材质的改进上,采用耐高温、抗渣的金属陶瓷保护套管,然后埋入钢水中测量温度[~4]但保护套管材质使用寿命短,价格高,很难用于大规模工业生产.另外采用保护套管结构型的热电偶根本不能在炼钢炉内的工作条件下进行连续测温本实验采用金属陶瓷材料作为热电偶,直接插入钢水,组成一只完整的热电偶,就可以连续精确地测量钢水的温度,而金属陶瓷耐高温,可以承受钢水和炉渣的侵蚀。
1实验研究
11研究方法
　　采用硅钼棒高温炉熔化废钢,将金属陶瓷放入钢水、炉渣中长时间浸泡,检测其抗炉渣和耐钢水侵蚀性,从中选出两种不同成分的金属陶瓷作为热电偶材质将两种金属陶瓷热电偶置于钢液中,与液态的钢水组成一个回路，被测液态钢水作为第三导体接入回路，组成一只完整的热电偶利用金属陶瓷棒与钢水接触面上产生的热电势与温度的关系，用电子电位差计测量热电偶输出的热电势值根据测得的热电势与温度的对应关系配备显示仪表钢水温度作为热电偶材质的试验金属陶瓷选用二硼化锆+钼和二硼化锆+钨系列由于钢水熔点高,低温下钢不熔化，本实验选用熔点低的金属铝来替代钢，与金属陶瓷棒组成热电偶回路实验.装置见图1。
 
1.2实验原理
　　两种性质不同的导体A和B在两个端点处连接起来形成闭合回路,如图2所示设t>to(t-to分别为两接触点的温度)NA>NB(NA、NB分别为导.体AB的自由电子密度),热电势由接触电势和温差电势两部分组成。
 
　　NAt、NAt0和Bt、NBt0分别表示导体A、B在接触点温度为t和t/0时的自由电子密度e为单位电荷量，k，为波尔兹曼常数
(2)温差电势:
 
2试验结果及讨论
　　在探索性试验时,发现所选金属陶瓷热电偶冷端温度变化会引起金属陶瓷热电性能变化因此必须对金属陶瓷热电偶冷端进行冷却,保持冷端温度恒定冷却方法为对冷端进行风冷或对冷端进行循环水冷却现分析讨论如下:
2.1采用风冷
　　对金属陶瓷的冷端采用压缩空气进行冷却,试
　　验结果见图3
 
　　从图3可以看出,从开始升温到升温40min时,温度升至约为400℃(标准热电偶热电动势值5.58mV),在这一阶段,金属陶瓷热电偶输出热电动势随温度的升高而增大,并且输出热电动势值与温度的线性关系良好40min后,温度大于400℃,金属陶瓷热电偶输出热电动势缓缓变小，随温度的升高而减小表明金属陶瓷热电偶的冷端温度在不断上升,热端与冷端的温差在不断缩小增大底部压.缩空气风量后,即增加对陶瓷热电偶冷端的冷却强度,底部金属陶瓷热电偶输出热电动势又重新增大一段时间后,输出值又变小说明对金属陶瓷的冷端采用压缩空气进行冷却,在低温(温度<400℃)输出热电动势值与温度的线性关系明显温度大于400℃,冷端温度不能恒定,输出值与温度无线性关系,风冷达不到预期效果。
2.2采用水冷
　　对金属陶瓷热电偶冷端采用铜质三层套管冷却器循环水冷却实验结果见图4、5图4、5是同一次实验中升温降温,再升温得到的两组实验结果两组实验中炉温均达到1600℃以上从两图看出,底部金属陶瓷热电偶输出热电动势值较大,达到了几百mV,金属陶瓷热电偶输出热电动势值和时间的曲线与标准热电偶输出的热电动势和时间的曲线变化趋势相似同时底部金属陶瓷热电偶输出热电动势值与温度的线性关系良好,测温灵敏度高,滞后时间短,用循环水冷却底部金属陶瓷热电偶的冷端效果较好实验中随着温度的升高,金属陶瓷热电偶输出热电动势值的增长速率较标准热电偶输出值小，说明金属陶瓷热电偶的冷端温度不恒定，在缓缓上升,对输出值产生影响因此有必要加长金属陶瓷棒的长度或增加水冷强度。
 
 
3结论
(1)二硼化锆+钼和二硼化锆+钨两种不同组成的金属陶瓷棒作为热电偶在高温下连续测温,输出热电动势值与温度的线性关系良好、测温灵敏度高、滞后时间短,且输出热电动势值较大,有利于精确测温。
(2)金属陶瓷热电偶冷端温度的变化影响测温的正确性采用循环水冷却的效果要比采用风冷效果好。