工业钨铼热电偶的性能特点

发布时间:2022-11-29     浏览次数:
摘要:简述钨铼热电偶的性能、特点,防氧化技术与工业钨铼热电偶行业标准。详细论述钨铼热电偶在强氧化与还原气氛、真空、高温高压及强腐蚀等环境中应用。以及大力推广钨铼热电偶,替代价格昂贵的铂铑热电偶及进口钨铼热电偶的可行性与必要性。
0引言
  钨铼热电偶是在1931年由Goedecke(戈德克)首先研制成功的。在20世纪60~70年发展成为商品化的难熔金属热电偶。但当时钨铼热电偶丝的均匀性很差无互换性。每批钨铼热电偶丝的分度表皆不相同,无相应的仪表配套,应用很不方便。为此各国都在努力改进钨铼热电偶的生产工艺或开发新的工艺。直到1984年美国率先实现钨铼热电偶的统一分度。继美国之后我国在1986年也实现了钨铼热电偶的统一分度并建立了有关钨铼热电偶丝的国家标准'"与校准规范为其推广应用奠定基础并促进钨铼热电偶的开发与应用。
1钨铼热电偶的性能与特点
1.1热电偶丝的分类
ASTM将热电偶分为三类:
(1)廉金属热电偶;(2)贵金属热电偶;(3)难熔金属热电偶。
  难熔金属热电偶的定义为:热电偶单极材料熔点高于1935℃且热电偶的主要元素是难熔金属或合金。钨铼热电偶属于难熔金属热电偶。钨铼热电偶丝的允差如表1所示。
 
1.2热电偶分类
  工业热电偶按其整体结构分为3类:
(1)可拆卸工业热电偶;
(2)不可拆卸工业热电偶;
①实体工业热电偶
  工业钨铼热电偶属于不可拆卸的。工业钨铼热电偶组件不能从保护管中取出。国内多为实体化工业钨铼热电偶。国外多为抽空或充气式钨铼热电偶但全部为不可拆卸的。
②铠装工业热电偶
(3)柔性电缆热电偶。
1.3工业钨铼热电偶分类
  由钨铼合金热电极、绝缘物与保护管等组成的工业钨铼热电偶。热电极组件不可以从保护管中取出。
  工业钨铼热电偶按使用环境主要分为氧化物保护管工业钨铼热电偶(用于常规环境)和钼及其他难熔金属保护管工业钨铼热电偶(适用于真空.干燥H2及惰性气氛)。
(1)钨铼5-钨铼20热电偶
  由正极质量名义成分为95%钨、5%铼的合金,负极质量名义成分为80%钨、20%铼的合金组成的热电偶。分度号为A。
(2)钨铼5-钨铼26热电偶
  由正极质量名义成分为95%钨、5%铼的合金,负极质量名义成分为74%钨、26%铼的合金组成的热电偶。分度号为C。
(3)钨铼3-钨铼25热电偶
  由正极质量名义成分为97%钨、3%铼的合金,负极质量名义成分为75%钨、25%铼的合金组成的热电偶。分度号为D。
1.4工业钨铼热电偶标准
  工业钨铼热电偶开发与应用多年,但直至2015年我国工信部首先发布工业钨铼热电偶技术条件》(JB/T12529-2015)(2]。这是一部具有开创性的标准国内外至今尚未见工业钨铼热电偶标准的相关报导该标准的颁布必将促进我国乃至世界工业钨铼热电偶的发展与应用。
(1)工业钨铼热电偶允差
 
(2)工业钨铼热电偶的使用温度与气氛
①使用温度
  钨铼热电偶的使用温度上限可达2500℃但实际上工业钨铼热电偶的使用温度,因受绝缘物与保护管材料的影响其使用温度只能低于理论使用温度上限。工业钨铼热电偶的使用温度通常在2000℃以下又受钨铼热电偶校准规范的限制工业钨铼热电偶标准中的使用温度为1500℃.然而用户仍可在高于1500℃下使用。
②使用气氛
a)钨铼热电偶丝的使用气氛
ASTM推荐为:真空干燥H2及惰性气氛。
b)工业钨铼热电偶的使用气氛
  氧化性气氛:带有AI203等陶瓷保护管的工业钨铼热电偶。
  真空或保护气氛:带有钼等难熔金属保护管的工业钨铼热电偶。
1.5钨铼热电偶的特点
(1)钨铼热电偶的熔点高(3000℃以上),强度大;
(2)钨铼热电偶在空气中极易氧化高温下晶粒迅速长大;
(3)钨铼热电偶同贵金属热电偶相比热电动势率大灵敏度高;
(4)钨铼热电偶价格便宜仅为S型热电偶的1/9。
2钨铼热电偶的防氧化技术
  钨铼热电偶的特点是使用温度高、价格便宜。铂铑热电偶的价格虽然昂贵但是抗氧化性强适用于氧化性气氛为了替代昂贵的铂铑热电偶必须探讨其防氧化技术。若使钨铼热电偶能在氧化性气氛中工作必须采取表面改性或在热电偶保护管内人为的创造出非氧化性气氛。
2.1涂层保护法
  人们曾采用多种方法在钨铼热电极丝的表面涂层用于隔绝空气防止氧化。尚存在的问题是难以找到与基体热膨胀系数一致的涂层材料因此在较短的时间内涂层与基体脱落,丧失了保护作用致使各国专家都在寻找最佳的过渡层实现平滑过渡,以解决两者热膨胀系数不一致的矛盾增强涂层的稳定性。目前涂层保护法只在超高温环境下(2000~2500)℃短时间测量温度获得了商业应用。
2.2物理法
  国际上通用经典的抽空、充气密封的物理法。采用电真空技术将带有热电极丝的钼及刚玉管等抽空再充Ar等惰性气体后密封形成不可拆卸的热电偶。
2.3化学法
  将钨铼热电极丝装入刚玉或钼管内,用惰性物质填充保护管内空隙再脱氧、添加功能材料后密封的化学法'"形成实体化不可拆卸的钨铼热电偶(发明专利)。抽空与填充方法的原理相似作用与效果相近但填充法设备投资少、成本低、响应速度快、抗热冲击与振动较强,安全可靠等特点。因此多采用实体化技术生产钨铼热电偶。
2.4实体型钨铼热电偶的开发、生产与应用
(1)技术成熟.工艺稳定
  自1992年开发成功以来不断改进、完善生产工艺使其防氧化技术更加成熟与稳定。
(2)产量逐年稳步上升
  1992年开发初期每年销量仅几十支到几百支,但从2008年起每年销量达千支现在增至3000~5000支。
(3)国产与进口钨铼热电偶性能对比
  我国有关钨铼热电偶防氧化的理论研究与生产制造技术已达到世界先进水平,由表3可以看出我国的工业钨铼热电偶不仅价格便宜有的性能居国际领先地位。
 
3应用
  在综合考虑复合参数的工业环境,有针对性的设计、开发出多种新型钨铼热电偶。
3.1强氧化环境
  最典型的强氧化工业环境是耐火材料行业的炉窑。在高温强氧化气氛中多采用价格昂贵的铂铑热电偶。新型防氧化钨铼热电偶自2008年起成功用于锦州铁合金实业公司的铬刚玉生产线替代双铂铑热电偶。其烧成工艺温度为1500℃。十年来用量达700~800支。但在1800C以上的高温炉窑的应用尚不成熟。
 
3.2强还原性腐蚀环境
  钒氮合金是提高钢材强度等性能的重要合金元素。生产该合金的工艺温度为1550℃使用气氛为CO、N2为主的还原性气氛并有强碱熔体腐蚀的工业环境。开始试验时采用双铂铑热电偶,不仅价格昂贵而且寿命短。后改用“三高”石墨与刚玉管复合结构钨铼热电偶其寿命显著提高。自04年起总计使用超万支。石化行业尤其是煤化工多属于还原性强腐蚀环境。最近由于美国率先采用钨铼热电偶我国也开始在煤化工领域试用。石化行业现行的吹气热电偶,即为防止还原性强腐蚀介质对铂铑热电偶的沾污而采用的保护措施。如果采用钨铼热电偶既降低成本,又不用吹气保护。石化及煤化工行业的应用前景十分广阔。
特种钨铼热电偶的复合管结构图 
3.3高温真空环境
  真空冶金设备与真空钎焊炉等真空系统其真空度通常为1x10-3-1x10-5'Pa.作为真空设备测温用传感器不仅要满足真空系统漏放气率的要求而且保护管断裂也不破坏系统真空度。
(1)真空炉专用热电偶特点
  采用无机与有机两种粘结剂,内外两层严格密封即使保护管破损也绝不会破坏体系真空度。采用单层或复合管型结构,目前国际上的WRe热电偶大都采用Mo或其它难熔金属作保护管作者首先用刚玉管取代合金管成本仅为进口热电偶的1/20~1/10。用WRe部分取代铂铑既减少金属管对贵金属沾污,又降低成本仅为铂铑热电偶的1/3~1/6。
(2)带校准孔真空炉专用热电偶
  为了克服离线式校准热电偶的诸多弊端,可采用带有校准孔真空炉专用热电偶在线校准测温系统简单易行.方便实用”。
①不可拆卸的带校准孔真空炉专用热电偶
  该种热电偶的组件不能从保护管中取出,只能整支校准为企业定期校准带来不便。
不可拆卸的带校准孔真空炉专用热电偶 
②可拆卸的带校准孔真空炉专用热电偶
  这种热电偶组件可以从保护管中抽出送检,十分方便。
可拆卸的带校准孔真空炉专用热电偶 
(3)全部可拆卸型真空炉专用热电偶
  真空炉专用热电偶有的部件易损坏,尤其是陶瓷保护管。为了降低成本使修复工作变得简单易行。开发出使用者也可自行修复的全部可拆卸型真空炉专用热电偶。当发现热电偶有的部件损坏时,用户可自行更换很受欢迎。
 
(4)进口真空炉专用热电偶的消化、吸收与替代
  笔者曾维修了发达国家多支真空炉专用热电偶在修复过程中学习、分析、消化吸收各自的优点,并在此基础.上再创造。
3.4高温高压环境
  国内真空与粉末冶金设备,以前多采用铂铑热电偶或进口钨铼热电偶。目前基本上已经用国产钨铼热电偶替代铂铑热电偶及大部分进口钨铼热电偶。
(1)粉末冶金用高温高压专用钨铼热电偶,如图7所示。
高温高压专用钨铼热电偶 
(2)超高真空设备用钨铼热电偶如图8所示。
 
4结语
  我国是钨资源大国。经过50多年的艰苦奋斗,我国有关钨铼热电偶的开发与防氧化技术的研究,已达世界先进水平某些技术指标居国际领先地位。钨铼热电偶应用已呈现逐年增涨的趋势,尤其在进口产品替代上更充分体现出价格和服务优势。目前国产工业钨铼热电偶可替代进口钨铼热电偶达70%以上。用钨铼热电偶替代贵金属铂铑热电偶也为用户带来可观的经济效益,并为国家节省大量外汇。但钨铼热电偶的应用需要精细化设计与专业应用相结合。因此要大力推广钨铼热电偶需要用户、设计院和制造厂对工业钨铼热电偶有更深的认识并共同努力才能取得更好效果。
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