鎳基鎧裝熱電偶的高溫性能與應(yīng)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(jì)70年代組織了“廉代貴"的技術(shù)攻關(guān)，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(wěn)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(jìn)入80年代中期后,，由于改革開放與市場價(jià)格競爭，許多生產(chǎn)熱電偶絲材的廠家,，在生產(chǎn)時(shí)已不再添加上述的金屬元素和稀土元素,，致使國產(chǎn)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(nèi)外對(duì)熱電偶保護(hù)管材料,、高溫?zé)犭妱萜埔约胺至髡`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(yīng)用取得了長足進(jìn)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(hù)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(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo),。用裸絲制作的裝配式熱電偶,，由于絲材與工況環(huán)境直接接觸，在高溫段(900℃或以上)使用時(shí),，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(shí)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(nèi),，通過若干次的高溫拉細(xì)和退火，即生產(chǎn)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(jié)構(gòu),，外層為金屬合金保護(hù)層,，內(nèi)部是高純氧化鎂或氧化鋁絕緣材料，熱電偶的正,、負(fù)極被埋在里面,。這.種絲材的優(yōu)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(hù),不直接與測溫介質(zhì)接觸，這對(duì)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(hù)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(gè)方面:
　　一是其裸絲的性能。表1列出的是國產(chǎn)裸絲與德國產(chǎn)裸絲的化學(xué)成分對(duì)照表,。從表中可以看到,，國產(chǎn)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(chǎn)絲材更好的抗高溫氧化性和長期穩(wěn)定性,。
 
　　二是其金屬合金鎧裝保護(hù)層的材料。按照各種金屬合金的高溫性能,，在.900C以內(nèi)的溫度段,適用的鎧裝保護(hù)層材料有304,、321、316,、316L,、316Ti等;在1150C以內(nèi)的溫度段，適用的鎧裝保護(hù)層材料有:AISI310,、Inconel600,、Inconel800等;在1250C以內(nèi)的溫度段，適用的鎧裝層材料有Nicrobell,。
　　在此,，重點(diǎn)介紹AISI310材料和Nicrobell金屬合金鎧裝層材料，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中,AISI310材料較Inconel600具有更多的優(yōu)點(diǎn),，而Nicrobell合金材料,，則是近年來開發(fā)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(xué)成分構(gòu)成,。
 
　　該種合金材料具有極好的抗腐蝕.性能,，可暴露在高達(dá)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(jīng)常使用的溫度可達(dá)到1150℃;在溫度變化較頻繁的情況下可達(dá)到1000℃左右;在550~850℃的溫度區(qū)間中,，不推薦反復(fù)使用該合金材料,這是因?yàn)樵摬牧嫌?sigma;-相沉淀硬化的結(jié)構(gòu)趨向,，在冷卻至室溫時(shí)容易碎裂。
　　該合金材料可采用電弧焊接工藝進(jìn)行焊接,。焊接前不需要預(yù)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(yù)熱裝置,、水泥窯、磚窯及玻璃制造等行業(yè),。
　　由于該種合金材料具有上述優(yōu)點(diǎn),，采用該種合金材料作為鎧裝保護(hù)層的鎧裝熱電偶絲材(Q等系列),在實(shí)際應(yīng)用在1150℃的工況環(huán)境中，尤其是應(yīng)用在具有還原氣氛的工況環(huán)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(xué)成分構(gòu)成。
 
　　Nicrobell金屬合金的材料是在Nicrosil合金材料的基礎(chǔ)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(hù)層便產(chǎn)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(zhǔn)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(shí)可達(dá)到1280℃,。
　　在該合金材料中，鎂和硅形成了具有保護(hù)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(qiáng)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(shù)的一致性,，達(dá)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(shù)可行性分析
a.K偶與S偶的測溫范圍比較
　　根據(jù)IEC(國際電工委員會(huì))的標(biāo)準(zhǔn)，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(xù)使用,，短期使用溫度可達(dá)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(guān)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(jí).最高的，通常用作標(biāo)準(zhǔn)或測量1200℃.以上的高溫,，但其價(jià)格昂貴,，機(jī)械強(qiáng)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(nèi)的工業(yè)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(jù)IEC和國家標(biāo)準(zhǔn)，K偶與S偶在其溫度范圍內(nèi)的允差如表4所列,。表4中,，t為實(shí)際測量的溫度;It為實(shí)際測量溫度的絕對(duì)值。
 
　　在600~1200℃的溫度范圍內(nèi),，I級(jí),、ll級(jí)的K偶與II級(jí)的S偶的允差值如表5,。
 
　　表5表明:采用1級(jí)允差的K偶，與II級(jí)允差的S偶相比較,，其最大的誤差≤1.8℃;采用I級(jí)允差的K偶,，與II級(jí)允差的S偶相比較，其最大的誤差≤6.0℃,。.
C.復(fù)現(xiàn)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(fù)現(xiàn)性能,，進(jìn)行了多次反復(fù)循環(huán)測試。開始升溫到1200℃,在800℃,、1000℃及1200℃三個(gè)溫度,，按檢定規(guī)程的要求檢測這些點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后從1200℃開始降溫到800℃,，同樣按檢定規(guī)程要求檢測這些溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù),，如此循環(huán)反復(fù)，得到了表6數(shù)據(jù),。
 
　　由上述數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論:在800℃,各個(gè)數(shù)據(jù)在循環(huán)測試過程中的最大偏差是1.32℃;在1000℃,，各個(gè)數(shù)據(jù)在循環(huán)測試過程中的最大偏差是1.75℃;在1200℃，各個(gè)數(shù)據(jù)在循環(huán)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(fù)現(xiàn)性能,。
　　綜上所述，在相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)中,，無論在適合的溫度范圍內(nèi)(-40~1250℃)或是精度方面,，采用德國進(jìn)口的鎧裝K偶絲材，均完全可以替代S偶進(jìn)行一般的工業(yè)溫度測量,。
2.使用成本比較
　　以總長為1m,，φ16高鋁保護(hù)管，S型熱電偶絲按國標(biāo)φ0.5外徑(±0.02),2008年4月600元/克作為計(jì)算基礎(chǔ),，列出直插式熱電偶的成本價(jià)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(chǎn)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(chǎn)的可替換鎧裝熱電偶,。
　　由表7可知:Q系列的同類產(chǎn)品僅是S型熱電偶產(chǎn)品成本的6%;NC系列的同類產(chǎn)品僅是S型熱電偶產(chǎn)品成本的13%,。
3.產(chǎn)品改型的可行性
　　將已有的S偶改為高溫K偶，在技術(shù)上涉及到兩個(gè)問題:.
(1)需更換熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線,，將原有的S偶補(bǔ)償導(dǎo)線改換為K偶的補(bǔ)償導(dǎo)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(hào)為S偶的溫度控制及顯示裝置,，更改為輸入信號(hào)為K偶,，目前，大多數(shù)企業(yè)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(hào)可按要求重新設(shè)置),，這類裝置的更改很簡單;對(duì)于不是萬能輸入型的裝置,，則需重新?lián)Q上新的裝置，也只是一次性的行為,。因此,，產(chǎn)品改型在技術(shù)上不存在任何問題。
四,、實(shí)際應(yīng)用介紹
　　近年來,，推廣應(yīng)用Q系列與.NC系列高溫鎧裝熱電偶方面進(jìn)行了大量工作，取得了較豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù),。下面介紹的是部分工況使用該類熱電偶的情況,。
(1)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠
　　該廠選用NC系列φ3外徑鎧裝材料，使用介質(zhì):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(chǎn)品，使用工況:不銹鋼鋼帶爐,，使用介質(zhì)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(huán)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(hù)管，使用壽命達(dá)到8~10個(gè)月,。
(6)鋼鐵廠高爐熱風(fēng)爐等測溫;
　　熱風(fēng)爐側(cè)壁,、拱頂測溫及燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火器溫度，采用φ8外徑NC系列鎧裝測量元件,，剛玉陶瓷保護(hù)管;風(fēng)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(hù)管,。
　　值得說明的是:對(duì)于不同的工況環(huán)境,，應(yīng)根據(jù)不同的狀況選用不同材質(zhì)和外徑的鎧裝元件及不同材質(zhì)的保護(hù)管，以保障測溫的準(zhǔn)確性和相應(yīng)的使用壽命,。
五結(jié)束語
　　“以廉代貴"是一項(xiàng)較長期的工作,，一方面要克服推廣過程中出現(xiàn)的各種問題，另方面又要解決人們思想中怕麻煩及擔(dān)心的問題,。但從發(fā)展方向來看,，在-40~1300℃的溫度范圍內(nèi)，用鎳基熱電偶替代貴金屬熱電偶已勢在必行,，因?yàn)榻档统杀臼敲總€(gè)企業(yè)都在追求的目標(biāo),。