特种场合下的温度测量技术.doc

/sundae_meng特种场合下的温度测量技术 摘要 对于测量条件恶劣,不能用常规传感器实现的特殊场合,如高温强腐蚀性介质、真空、高温熔体及核辐射条件下的温度测量，必须开发特种专用传感器。本文阐述了钨铼热电偶等特种温度传感器的特点、性能及应用，并着重探讨了当前测温领域热点问题。铝液、铜液及熔盐等高温熔体连续测温；高温渗碳、真空粉末冶金烧结炉（气）等强还原性气氛下的温度测量；流化床等流动粉体等高温强磨损条件下的温度测量技术等。实践证明，新开发的特殊场合下专用温度传感器，不仅与国际接轨，替代进口产品，而且还可以打入国际市场。关键词 温度传感器；钨铼热电偶；高温熔体；流化床；温度测量引言温度是一个重要的物理量，也是工业生产过程中主要工艺参数。现有的温度传感器，主要用于一般场合的温度测量。而特殊场合下的温度测量是指那些条件恶劣，不能用常规传感器实现的温度测量，如高温强腐蚀、等离子温度、气流温度及核辐射环境下的温度测量等1。本文只能针对当前高温领域热点话题进行探讨。1特种温度传感器11高温热电偶111 高温热电偶众所周知，在1200以上的高温下，处于还原性气氛的热电偶，将与介质发生化学反应，同时在热电偶内部，保护管、绝缘物与热电偶丝之间的接触反应及合金元素的挥发，也将引起反应，致使热电偶发生劣化。如果保护管内有微量氧、水或有被玷污的杂质存在，又将显著加速劣化进程。因此，要根据测量条件选择适当的材质，并进行严格管理，对延长热电偶的使用寿命起决定作用。当温度t1800时，通常选用钨铼热电偶(5/26)，当温度t1800时，可选用B型热电偶。在核辐射的环境下，应选用Pt.5%MoPt.0.1%Mo及Ni.18%MoNi等特种热电偶。112钨铼热电偶(1)钨铼热电偶标准钨铼热电偶是伴随高温测量技术的发展而发展起来的，它具有热电偶丝熔点高、热电动势大、灵敏度高、价格便宜等优点。(2)使用温度WRe合金的熔点在3000以上，但是，高温下铼的挥发却很严重，致使热电偶的热电动势很不稳定。而且高温下钨丝极脆，故钨铼热电偶的使用温度限制在2300以下。(3)使用气氛因WRe合金极易氧化，故不能在空气及其它氧化性气氛中应用2。适用于还原、惰性、真空、核辐射等环境的高温测量。(4)国产钨铼热电偶的精度与不均匀性。国产钨铼热电偶不仅分度表与国际接轨，而且钨铼热电偶的热电性能也能达到国际标准 。为检测国产钨铼热电偶的精度与不均匀性，在1997年作者曾将北京及重庆产的钨铼热电偶丝送日本山里公司进行检定。三批WRe（3/25）及（5/26）热电偶检定结果如下：钨铼热电偶精度检定结果表明国产偶丝能达到美国HOSKINS公司同类产品水平。最近，作者又向卢森堡提供钨铼热电偶WRe(5/26)，用于粉末冶金烧结炉。经CERA公司用标样校准，其测量精度达到了国外同类产品先进水平。不均匀性我国钨铼热电偶标准中规定，整卷（盘）偶丝正极或负极在1200的不均匀热电动势不得超过80V。作者对同一批钨铼热电偶丝WRe(5/26)头、中、尾部分别取样，然后在Zn、Al、Ag、Cu点检定结果表明，同一批钨铼热电偶丝的不均匀性，随温度的增高而增大，即低温偏差小，高温偏差大。但由Cu点实测值计算其不均匀性电动势，远低于规定数值。物理性能国产钨铼热电偶丝的热电性能与国际是接轨的，但是其物理性能，尤其是韧性欠佳，正极很脆，稍不留心就折断，国外钨铼热电偶的韧性明显优于国内，国产偶丝的韧性有待进一步提高。作者长期致力于国产钨铼热电偶的推广应用，潜心研究钨铼热电偶的长期稳定性3，并且已批量用于工业炉温度测量4。自2000年起，钨铼热电偶的用户在逐年增加，相信伴随高温领域测温技术的发展，一定会有更大的发展。113 抗氧化钨铼热电偶作者开发的抗氧化钨铼热电偶已获得国家专利5，既可用于氧化、还原气氛，又可在两者交替气氛中使用。自1992起年先后在沈阳冶炼厂、营口三征化工公司、攀钢、塞尔公司、阿斯创公司、华翔工业炉、泰国、卢森堡等国的冶金、真空炉应用。结果表明：钨铼热电偶的使用寿命与铂铑系热电偶相当，而价格仅为铂铑的一半。日本、美国的抗氧化钨铼热电偶，主要用于煤气化炉或硫回收装置等恶劣环境。法国正在探讨在耐火材料行业中应用6。12高温用保护管为了选择适合的保护管材质,使用者应具有物理、化学及材料等多方面知识。高温用保护管的主要性能见表1。目前，国内的烧结钼管，规格为68，L=500600mm，作者使用结果表明，再结晶温度低，比较脆，性能有待进一步提高。13 高温用绝缘管通常采用MgO、Al2O3粉作绝缘材料，但在1200以上，其绝缘电阻急剧下降，而烧成后绝缘管的绝缘电阻，将比相同粉体材质提高10倍。因此，作为高温用绝缘管主要采用烧成的高纯Al2O3、BeO及BN管。2 高温熔体温度测量21 金属熔体关于金属熔体锌、铝、铜、铁、钢水的温度测量，作者分别开发出相应的特种温度传感器。211铝液及铝电解质连续测温(1) 铝液连续测温对于铝锭熔化炉，铸造炉及铝液精炼炉内铝液温度的连续测量与控制，是保证产品质量、节能降耗的重要条件。铝液温度虽然不高但腐蚀性强，在熔化或精炼过程中，还要加精炼剂、除气剂、覆盖剂等，进行机械或电磁搅拌以及机械扒渣等工艺操作。因此，常规的方法是无能为力的，针对上述情况，作者开发出两种保护管。MPT-1型合金保护管它的特点是：强度高、韧性好、耐腐蚀，在有机械扒渣的情况下，仍不易碰断。用于贵州铝厂（保持炉）从意大利引进的铝连轧生产线，不仅价格便宜，而且，性能上也达到进口产品水平。目前，除贵州铝厂外，尚有包头铝厂等多家铝厂及铝加工行业应用，并出口至法国、意大利、匈牙利及墨西哥等国家。氮化硅结合碳化硅管或表面改性碳化硅管它的特点是强度低，易破损，但不玷污铝液，对于铝轮毂行业对铁杂质要求极严的场合。作者采用氮化硅结合碳化硅或表面改性管,用于三洋公司、戴卡轮毂公司等，替代进口产品，效果也很好。(2)铝电解质间歇式在线测温作者同沈阳铝镁院、包头铝厂合作，研制成功铝电解质温度间歇式在线测量装置，自2001年5月在包头铝厂二电解投入运行，情况良好。经专家鉴定认为，该套测温装置解决了铝电解质温度实时测量问题。为槽控软件在温度控制方面的重大突破提供了重要的前提条件。以便在现有的物料平衡的基础上，进而实现能量平衡控制，使我国铝工业在降低能耗方面上一个新台阶。有关铝电解质温度连续测量，热电偶的使用寿命已达48天,作者仍在继续研究。212 铜液连续测温对于铜加工行业中铜液连续测温，作者采用金属陶瓷保护管，内插K型或S型热电偶，制成实体化热电偶。自1985年以来，经现场使用证明具有如下特点：耐高温，使用寿命长（在1000h以上）；热电性能稳定；响应速度快；安全可靠。目前，已替代进口热电偶在沈阳造币厂、沈阳有色加工厂应用多年，用户很满意。213便携式浸入型测温仪作者研制的测温仪是由热电偶、保护管及数字显示仪表构成的。该种测温仪在铝电解行业应用多年,用户很满意。具有如下特点：(1)测枪及显示仪表一体化，温度数码显示，直观且准确，并有峰值保持功能；(2)保护管耐腐蚀，使用寿命长（100500次），测温费用低；(3)结构简单，热电偶及保护管均可更换；(4)精度高，测温仪整体检定后偏差仅在12，可用于现场校验。22高温及中温盐浴炉连续测温221高温盐浴炉连续测温用保护管（1）金属保护管、不锈钢或高温合金管美国常用Inconel或446耐热钢管，使用寿命约720日（约500小时）。（2）金属陶瓷管作者研制的保护管，在高温盐浴炉中应用，其寿命大于1400h。已在全国范围内推广。经美国现场使用证明，其寿命为美国的3-5倍，远远超过446等耐热钢管,现已出口缅甸等国家。222中温盐浴炉连续测温新开发的铁基合金保护管用于中温盐浴炉，已在沈阳724厂及重型热处理厂应用，效果很好。3高温强腐蚀还原性气体测温31 渗碳炉专用热电偶瓦房店轴承厂的电辐射加热渗碳炉，工艺温度为930，采用热电偶测量各部位温度。存在的问题是热电偶，寿命短，偏差大，运行时间仅1-2周。自1994年6月10起，在渗碳炉内陆续安装作者研制的渗碳炉专用实体热电偶。使用结果表明：实体热电偶平均使用寿命在12个月以上，用户很满意。易普森工业炉、韩国热处理、中国“一汽”、“二汽”等也开始采用实体热电偶（见表2）。实践结果同样可以证明，使用寿命在1年以上，在“二汽”变速箱厂连续渗碳炉使用寿命超过18个月。成功的实现了进口传感器国产化。渗碳炉专用热电偶的优越性正在被人们所认识，其应用范围正在逐步扩大。32粉末冶金烧结炉粉末冶金烧结炉为防止工件氧化通常在H2气氛下烧结，温度为1500-1800。作者用烧结钼管研制的特种钨铼热电偶，用于国内粉末冶金行业,替代进口产品，其寿命虽不如进口热电偶，但价格便宜，在性能价格比方面仍有优势。表2典型用户起始采用时间及数量典 型用 户易普森工业 炉韩国热处理瓦轴一汽二汽沈重沈齿太齿丰东富嘉摩托钱江摩托采用时间（年）20012001199419981999200120012001200120012001数 量(支)80280651402414463284 高温真空炉连续测温最近几年由于真空冶金的发展，促进了真空炉制造业的发展。因此，对高温真空炉专用热电偶要求也越来越迫切。铂铑热电偶不仅价格昂贵，而且使用温度上限仅为1800，在1800以上只能采用WRe热电偶,可是绝缘材料却难以满足要求。虽然BeO绝缘性能很好，但有毒。最近，作者采用氮化物作绝缘管，可将真空炉专用热电偶的使用温度延至2000，应用前景很诱人。作为真空炉专用热电偶，必须防止空气进入真空炉，因此，对用于真空炉的热电偶漏气率有要求，通常用压升率指标来控制。作者开发的真空炉专用热电偶，采用实体化结构及密封性极强的连接方式，很好的解决了金属与陶瓷封接，可以保证热电偶的压升率0.1Pa/h，即使保护管折断了也不会破坏体系真空度。作者研制的真空炉专用热电偶，已在沈阳真空所，湘潭新大公司、易普森工业炉、华翔公司、塞尔公司等应用，不仅替代进口传感器，而且已出口韩国、泰国、朝鲜等国家。5流化床等高温流动粉体温度测量对于输煤系统、流化床、水泥熟料及耐火材料等流动粉体的温度测量。尤其是增压流化床(PFB)的床温测量。由于高温流动粉体对保护管磨损及腐蚀均很严重，因此一直是高温测试领域中富于挑战性课题之一。对于使用温度低于500的流动粉体，可采用高强钢或表面改性技术，喷涂WC或Ni-Cr-Si-B合金,其硬度可达到60-70（HRC）。用于炼油厂作耐磨热电偶，效果良好。如果常用温度在1000左右，可采用钴基合金保护管（商品名为UMCO50），该种保护管具有优异的耐热冲击，耐磨性能及高温强度，对硫化物具有良好的耐腐蚀性能7，但价格昂贵。为降低成本，可采用双金属复合管结构用于PFB现场。结果表明：在温度为1000的情况下，使用寿命1000h。除此以外，日本山里公司在保护管形状上下功夫，有助于延长使用寿命。在900-1000的流化床及燃烧锅炉中使用寿命可达到三年。作者应用陶瓷、金属复合结构用于营口化工厂，制成耐磨热电偶，取代喷涂材料博得用户好评。最近，国内又研制出新型高温高强耐磨高温合金HR1230。这是专门针对高温耐磨环境开发的全新型Ni-Cr-W-Mo-Al高温高强耐磨合金，具有很高的高温强度及优良的抗氧化性能，还具有很好的高温稳定性及难得的良好加工性能。合金长期使用温度800-1200，短期最高达1280，它的高温强度基本达到国外高强合金Haynesl188(Co-Ni-Cr-W-Si)合金的最高水平。但国产HR1230型合金在价格上具有明显优势。近两年，用于流化床取得很好效果。其应用范围正在逐步扩大。6结论针对高温、真空、还原等强腐蚀场合急需的温度传感器,作者研究开发出真空炉专用热电偶、复合管型实体热电偶、铝液与铜水连续测温用热电偶,在引进的真空炉、连续渗碳炉、铝、铜连轧生产线上应用,取得了良好的效果,博得用户好评。实践证明,中国科技工作者不仅可以使进口的温度传感器国产化,节约大量外汇,而且可以打进国际市场。参考文献1张立儒等.特殊条件下的温度测量.中国计量出版社， 1987：942王魁汉等.钨铼热电偶在空气中的热电动势稳定性及其特性研究.计量学报，1997， 18（4）：2412443.3王魁汉等.钨铼热电偶稳定性研究，自动化仪表，1997，18（8）：694蔡相健，王魁汉等.钨铼热电偶的研究开发及应用. 冶金自动化，1997， 4：465王魁汉. 实体型防氧化钨铼热电偶，中国专利，专利号，92210122.16姜世昌. 记第八届国际工业与科学中的温度和热测量学术讨论会，世界仪表与自动化，2002， 16（1）： 287（社）日本电器计测器工业会编,新编温度计正乚使方.日本工业出版社，1997作者简介：王魁汉（1938-）东大传感技术有限公司总经理，教授；主要研究方向为新型温度传感器开发及实用测温技术。Temperature Measurement Technology in especial environments(Wang Kuihan, Wu Yufeng, Zhang Guangli)(NortheasternUniversity, Shenyang City, Liaoning province, 110004)Abstract : Especial temperature sensors must be developed in order to meet the need of specific environments including highly erodent and heat medium, vacuum and radiation of nucleus, etc. the characteristic、capability and usage of temperature sensor of tungs