具有快速响应特性的新型黑体空腔钢水连续测温传感器研制

1、具有快速响应特性的新型黑体空腔钢水连续测温传感器研制 黑体空腔传感器解决了钢水温度连续测量这一冶金检测领域的难题 , 并已取 得在国内外几十家钢厂广泛应用的显著成果。然而 , 作为传感器关键技术特性之 一的响应时间长是该技术目前存在的突出问题，其测温响应滞后达56min,难 以满足连铸开浇、换包、精炼等场合连续测温的响应速度需求。产生响应滞后的根本原因是目前传感器具有2030mm勺厚壁导致的传热缓慢。厚壁结构是传感器使用环境与现有材料性能的综合选择。在高温强腐蚀性的测温条件下 ,Al₂O₃-C 是至今最

2、 佳的可实用化传感器材料 ,但该材料的低强度和高气孔率导致了不得不采用厚壁 结构。这使得响应滞后成为目前传感器不可避免的问题。本文的主要任务是解决钢水连续测温的响应滞后问题。 提出采用新型传感器 材料, 即金属陶瓷材料 , 将黑体空腔传感器做成具有快速响应特性的薄壁结构。为解决金属陶瓷带来的高成本问题 ,将金属陶瓷作为测温腔体与低成本 Al₂O₃-C 支撑结构复合制备新型传感器。 主要工作为 :a) 研制抗热震与耐侵蚀的薄壁传感器材料金属陶瓷 ;b) 设计满足精度与成本要 求的传感器小型化测温腔体 ;c

3、) 制备新型快速响应传感器 , 进行现场应用实验。论文的主要内容和创新工作如下 :(1)研制出一种适用于快速响应薄壁结构 的传感器材质。为解决传感器的薄壁结构与抗强热震和长侵蚀寿命要求之间的矛 盾, 研制出一种金属陶瓷作为传感器材质。首先, 从减小导致热震问题的热应力出发 , 选择具有较小线膨胀系数和弹性模量的Mo W ZrO₂作为金属陶瓷原料。其次,利用金属相在陶瓷基体中形成半连续状分布 , 搭建裂纹桥联增韧网络 , 并在裂纹扩展时发生塑性变形 消耗裂纹扩展功 ,将裂纹扩展尽可能封闭于桥联网络以内 , 提高了陶瓷基体抗热 震断裂的能力。同时利用陶

4、瓷相不被钢水润湿而侵蚀缓慢的特性 , 在侵蚀过程中形成陶瓷骨 架层, 阻碍钢水向金属陶瓷内部渗入 ,减缓金属相的熔融侵蚀 ,降低金属陶瓷的侵 蚀速度。从而研制出一种Mo-W-ZrO<sub>2</sub金属陶瓷，其具有良好的抗热震 性（插入钢水约 5次循环不损毁） 和抗侵蚀性（在钢水中侵蚀 20h 壁厚仅减少约 0.8mm）。（2）基于测温精度与成本设计快速响应传感器的小型化测温腔体。新型传 感器要求金属陶瓷管测温腔体独立快速形成在线黑体空腔 , 实现快速与准确的温 度测量。否则,快速响应将受到支撑结构传热缓慢的影响 ,薄壁金属陶瓷管快速传热 的优势将无法体现。为此 ,在研究

5、测温腔体传热特性的基础上 , 建立了基于 Monte-Carlo 法的测温腔体有效发射率计算模型 , 结合腔体尺寸对测温腔体温度 分布的影响 , 计算了腔体尺寸对测温腔体有效发射率的影响 ,设计了满足快速与 准确性测温要求的最小测温腔体理论长度。依据理论结果 , 通过实验确定了测温腔体长度。 （3）新型传感器的制备与现 场应用实验。a）新型传感器的制备面临如何提高复合连接强度和稳定性的问题，主要取决 于 Al₂O₃-C 材质支撑结构的固化和烧成工艺。 本文研究 了提高复合连接强度和稳定性的物理化学反应机理 , 为制备工艺的制定和优化提 供了理论依据。固化和烧成分别将原料颗粒间的结合剂酚醛树脂由液态转变为固态 , 再由固 态酚醛树脂转变为玻璃碳。 实质是通过控制升温速度和温度控制结合剂发生转变 的物理化学反应。研究了结合剂在固化和烧成中的热量、质量和结构变化 , 分析了固化的脱水 缩合反应、烧成的裂解和收缩反应在不同温度下的剧烈程度及其对材质性能的影 响,确定了各温度下相应的升温策略。b）所研制的新型传感器显著提高了测温响 应速度。经现场实验表明,新型传感器将测温响应时间由56min缩短至约5456s, 根本改善了钢水连续测温的动态响应