隨著科技的進(jìn)步，溫度測量技術(shù)得到迅速發(fā)展，已形成從點到線、由線到面；由表及里；從有線到無線的發(fā)展趨勢。在接觸式與非接觸式兩大類產(chǎn)品中，量大面廣的接觸式熱電偶在現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展中得到了快速的發(fā)展。熱電偶因其性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測溫范圍廣、信號可遠(yuǎn)傳等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域中已成為應(yīng)用最廣泛的感溫元件。
在其測溫過程中，熱電偶保護(hù)管發(fā)揮著重要作用。熱電偶保護(hù)管材料性能影響熱電偶的長期穩(wěn)定性和使用壽命等各項性能指標(biāo)。特別是在高溫下工作的熱電偶，對其材料有更高的要求。比如鋼水連續(xù)測溫，熱電偶保護(hù)套管不但要承受高溫，還要受到熾熱鋼水的腐蝕和沖擊。而在循環(huán)流化床鍋爐中測溫時，不但有高溫氧化和高溫腐蝕，還有流動性粉體的高溫沖蝕磨損。如此惡劣的工作環(huán)境對保護(hù)套管材料是嚴(yán)峻的考驗，也給工程技術(shù)人員出了一道難題——如何經(jīng)濟(jì)實用的解決高溫環(huán)境下的熱電偶保護(hù)套管的失效問題。
高溫保護(hù)套管材料的性能
制作高溫條件下應(yīng)用的熱電偶保護(hù)套管，材料除具備普通熱電偶要求的氣密性、機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性及導(dǎo)熱性外，還要求：
①耐高溫：在熱電偶溫度測量上限使用，不產(chǎn)生變質(zhì)和變形，在高溫下抗氧化性能好。
②熱強(qiáng)性：在熱電偶使用溫度下不軟化。
③耐蝕性：當(dāng)熱電偶保護(hù)套管必須浸入熔融金屬、玻璃、熔鹽及腐蝕性氣體中時，應(yīng)具有對這些介質(zhì)的耐蝕性。
④一定的耐溫度劇變的性能，抗熱震的綜合性能，熱導(dǎo)高，熱膨脹小。
高溫保護(hù)套管材料的分類
1、金屬材料
金屬熱電偶保護(hù)管材料的特點是機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好及抗渣性好；但耐高溫性卻不夠良好，易受腐蝕。常用的金屬材料保護(hù)套管如表1所示。
表1 常用金屬熱電偶保護(hù)管材料
2、非金屬材料
該類材料的特點是：耐高溫、抗氧化，但不抗沖擊，比較脆易碎，導(dǎo)熱性不理想，熱響應(yīng)敏感性差。因此，一般要求管壁比較薄，因而帶來一系列問題。常用的非金屬保護(hù)套管材料如表2所示。
表2 常用非金屬熱電偶保護(hù)管材料
3、復(fù)合材料
①金屬陶瓷
金屬陶瓷是由一種金屬或合金與另一種或者幾種陶瓷采用粉末冶金的方法組成的復(fù)合材料。其特點是綜合了陶瓷材料的耐磨、耐高溫、抗氧化，又有金屬材料的高強(qiáng)度，但熱沖擊性能差。一般適合在液態(tài)金屬中使用，如鐵水、鋼液、有色金屬熔體等。另外對于一些用高溫耐磨材料制造的保護(hù)套管，適合于在沸騰爐、循環(huán)流化床鍋爐、水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾煙室測溫?zé)犭娕迹蚰C(jī)、風(fēng)扇磨、磨煤機(jī)等出口及管道測溫的地方使用。常用的金屬陶瓷保護(hù)套管材料如表3所示。
表3 常用金屬陶瓷熱電偶保護(hù)管
4、復(fù)合涂層
表面涂層技術(shù)能賦予零件表面耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等多種特殊性能，是提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和資源、獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益的一種新的表面技術(shù)。采用材料表面涂層技術(shù)解決工件的高溫腐蝕、磨損問題是目前國際上的流行趨勢。該類技術(shù)發(fā)揮了表面技術(shù)的優(yōu)勢，不是將不同的材料混合起來制作復(fù)合材料，而是將不同的材料組合起來發(fā)揮各自的特點，獲得優(yōu)異的性能。
采用熱噴涂的方法在保護(hù)套管表面形成金屬間化合物涂層、梯度功能涂層、納米陶瓷涂層等，獲得比較良好的耐熱、耐蝕和抗磨性，取得了很好的效果。金屬間化合物是一類新型的高溫材料，具有一系列的優(yōu)異性能，尤其值得一提的是其耐熱性能特別突出。采用等離子噴涂Ni-Al、Fe-Al金屬間化合物于保護(hù)套管表面，使其具有了全新的性能。進(jìn)一步將金屬間化合物和精細(xì)陶瓷結(jié)合成梯度功能涂層材料應(yīng)用到熱電偶已獲得圓滿成功。
高溫?zé)犭娕紵狳c和難題及研究現(xiàn)狀
1、高溫熔體的溫度測量
熱電偶測量高溫熔體時，必將熱電偶插入到高溫熔體中。這樣，熱電偶既要承受熔體的熱沖擊，又要同時受到介質(zhì)的物理化學(xué)腐蝕，極易損壞，這是在溫度測量領(lǐng)域最棘手的難題之一，也是重點攻關(guān)的對象。
2、鋼水連續(xù)測溫
眾所周知，煉鋼過程中鋼水溫度是重要參數(shù)之一，直接影響產(chǎn)品冶煉和澆注的質(zhì)量，是冶金操作的重要依據(jù)。合理的溫度規(guī)范和準(zhǔn)確的溫度測量對提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、擴(kuò)大品種、降低各種消耗、改善各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及實現(xiàn)冶金過程自動化有積極作用。為了使熱電偶能長期工作在攪動的鋼水中，要求保護(hù)套管的抗熱震性好，耐高溫，抗渣、抗氧化性好，能經(jīng)受鋼水的沖刷。鋼水連續(xù)測溫技術(shù)一直是冶金領(lǐng)域的難題之一。這種技術(shù)對于鋼水溫度控制自動化、提高鋼材質(zhì)量、降低事故率、提高連鑄效率，具有重要的現(xiàn)實意義。
鋼水測溫?zé)犭娕嫉募夹g(shù)關(guān)鍵是熱電偶保護(hù)套管。為了解決該難題，國內(nèi)外科技人員研制了很多保護(hù)套管材料，如ZrB2、Al2O3-Cr、Al2O3-Fe、ZrO2-Mo、MgO-Mo-Cr等，取得了一定的效果。但這些材料由于抗熱震性不好，抗鋼水侵蝕能力不夠想，壽命有限，價格高，至今未能在鋼廠實際大面積推廣應(yīng)用。近來，國內(nèi)有研究機(jī)構(gòu)通過測量端采用特種金屬陶瓷管，內(nèi)襯剛玉管，中間為填充劑，形成復(fù)合管型實體化結(jié)構(gòu)，制作成熱電偶保護(hù)套管取得了一定的效果。
3、玻璃熔液測溫
當(dāng)前玻璃窯爐的測溫通常采用輻射法或者用以剛玉為保護(hù)套管的熱電偶。輻射法不能實現(xiàn)溫度自動記錄和自動調(diào)節(jié)，而且人眼觀察判斷容易產(chǎn)生誤差；剛玉熱電偶保護(hù)套管在高溫玻璃液中易受侵蝕。因此，熱電偶不能直接插入玻璃熔池里，而只能測量玻璃熔池上部空間的溫度，因此存在測溫滯后的問題。
為了直接連續(xù)測量玻璃熔池內(nèi)的溫度必須使用能抗高溫玻璃液侵蝕的熱電偶保護(hù)套管。加多種促燒劑的氧化錫陶瓷粉制成的保護(hù)套管耐高溫玻璃液侵蝕，可做玻璃熔池測溫用的熱電偶保護(hù)套管。
鈦酸鋁陶瓷材料具有較高的熔點、較低的熱膨脹系數(shù)，并具有優(yōu)良的抗熱震性。另外，它具有與許多金屬熔體及玻璃熔液不潤濕的特性。因此，鈦酸鋁陶瓷可廣泛應(yīng)用于耐高溫、抗熱震、耐腐蝕等條件苛刻的環(huán)境中。該熱電偶保護(hù)套管主要用于測量各種工業(yè)窯爐、熔池溫度熱電偶的保護(hù)，特別是適用于測量有色金屬熔體和玻璃熔液。它可反復(fù)地出入于被測金屬熔體和玻璃熔液而不被腐蝕、炸裂，并且不與它們潤濕。從而保證了由它保護(hù)的熱電偶具有正常的溫度敏感性及較長的使用壽命。
4、高溫流動
粉體測溫對于輸煤系統(tǒng)、流化床、水泥熟料及耐火材料等流動粉體的溫度測量，尤其是增壓流化床（PFB）的床溫測量，由于高溫流動粉體對保護(hù)套管磨損及腐蝕均很嚴(yán)重，因此一直是高溫測試領(lǐng)域中富于挑戰(zhàn)性課題之一。
循環(huán)流化床鍋爐溫度測量在該領(lǐng)域最具有代表性。國外首先研發(fā)循環(huán)流化床鍋爐測溫專用熱電偶，如美國的德太克和威戈，日本的三木等。美國德太克公司，在國際上處于領(lǐng)先地位。其特種工藝MVD處理技術(shù)，提高了保護(hù)套管的耐磨、耐高溫、耐腐蝕性，延長了循環(huán)流化床鍋爐測溫?zé)犭娕嫉氖褂脡勖?。關(guān)鍵問題是其價格比較昂貴。
MVD(MechanicalVaporDiffusion)處理過程是在金屬表面產(chǎn)生一種金屬化合反應(yīng)，通過高壓電脈沖產(chǎn)生局部超高溫把基材金屬和鎢碳化合物同時熔化、汽化；然后迅速將兩者融合、冷卻，整個過程在1/10000s內(nèi)完成，所生成的新合金層面有極強(qiáng)的硬度(HRC76)。
國內(nèi)研制的新型高溫、高強(qiáng)、耐磨合金HR1230，是專門針對高溫耐磨環(huán)境開發(fā)的全新型Ni-Cr-W-Mo-Al高溫高強(qiáng)耐磨合金，并具有優(yōu)良的抗氧化性能，還具有很好的高溫穩(wěn)定性及難得的良好加工性能。其高溫強(qiáng)度基本達(dá)到國外高強(qiáng)合金哈氏合金的水平。
近年來，用于流化床取得很好效果，其應(yīng)用范圍正在逐步擴(kuò)大。最近，國內(nèi)有單位研制的雙層結(jié)構(gòu)的高溫耐磨熱電偶復(fù)合套管，管體外層為耐高溫耐磨復(fù)合金屬保護(hù)層，耐高溫耐磨復(fù)合金屬保護(hù)層澆鑄復(fù)合在內(nèi)層的合金鋼管上，使用效果也很好，幾乎可與美國的德太克相媲美。高鉻鑄鐵具有高耐磨性和抗氧化性，價格相對便宜，亦是比較理想的保護(hù)套管材料。通過合理調(diào)整成分、工藝使其達(dá)到最佳的耐磨抗蝕性，必將使其在高溫流動粉體測溫中發(fā)揮更大的優(yōu)勢。
高溫環(huán)境下的腐蝕磨損給熱電偶測溫帶來了困難，經(jīng)過科研人員的不懈努力，取得了一定的成績。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷進(jìn)步，工業(yè)環(huán)境也變得越來越惡劣，這就要求我們不斷改進(jìn)工藝、研發(fā)新材料，從而全面提高熱電偶的性能。
作者：泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司 陳坤
