真空炉的共同特点是, 在某一特定真空度下的温度测量。如期望热电偶准确可靠、使用寿命长, 必须深入探讨真空环境下影响测温准确度的因素:真空度、发射率、热导率及热电偶的插入深度等。因此真空炉专用热电偶的选择尤为重要。

国际标准化组织 (ASTME344-08) 将热电偶分为3类。

(1) 标准化廉金属热电偶; (2) 标准化贵金属热电偶; (3) 难熔金属热电偶, 难熔金属热电偶的定义为:热电偶的单极材料熔点高于1935℃, 且热电偶的两极必须是难熔金属或合金。

标准化廉金属热电偶有, T、J、E、K及N型。当真空炉的工作温度低于1260℃时, 可选用廉金属铠装热电偶, 由于K型热电偶高温稳定性欠佳, 在1300℃以下推荐使用N型铠装热电偶, 可部分替代S型热电偶。

1) 镍铬硅-镍硅镁热电偶 (N型) 的特点

(1) 高温抗氧化能力强, 长期稳定性好;

(2) 在250~500℃范围内短期热循环稳定性好, 并抑制磁性转变, 热电动势无明显变化;

(3) 在400~1300℃范围内, N型热电偶热电特性的线性度比K型好。

2) N型热电偶替代S型热电偶

用N型热电偶替代S型热电偶, 测量多用炉发热体的温度 (1180℃) 。自2008年起5年间, 我公司共为Ipsen公司提供496支N型热电偶替代S型热电偶, 合计为该公司节约174万元。以2012年为例, 该公司采用N型热电偶49支, S型热电偶仅4支, 说明用N型热电偶替代S型热电偶已超过90%, 经济效益极其显著。

3) 铠装热电偶的选择

耐用型热电偶分为装配式和铠装式两大类。从节约金属材料、使用方便和降低热损失考虑, 尽可能采用铠装热电偶。热电偶铠材主要有如下几种:

(1) 中高温区铠材

我国中温区铠材主要是304、321或1Cr18Ni9Ti, 而高温区有310S、Inconel600、Ni Cr合金。实验表明:在1000~1200℃温度范围, 随着套管材料不同, 漂移量大小各异, 其规律为:Ni Cr

(2) 新型高温铠装热电偶材料Nicrobell

这种合金是在Nicrosil化学特性的基础上加入镁与铌元素, 提高了合金的抗氧化能力与耐高温强度, 用Nicrobell合金制成新型铠装热电偶。用于丰东股份公司1200℃以上温区, 取得良好效果。

标准化贵金属热电偶有S、R及B型。在1260~1750℃范围内, 可选用贵金属热电偶。

1) t<1260℃, 不建议选用贵金属热电偶

有些真空炉企业在此温度范围内选用S型热电偶及GH30或39作保护管, 虽然保护管的强度高, 不易损坏, 但是, 高温下镍基合金将污染S型热电偶而引起误差。目前已逐渐改用特种高温铠装热电偶, 既经济又实惠, 颇受欢迎。

2) 当t>1280℃的真空条件下, 不建议用S型裸偶

(1) 军工或航空认证企业, 对炉温均匀性测试精度要求很高

当t>1280℃时多采用S型裸偶, 但贵金属裸丝强度很低, 为此作者研制出弥散强化S型热电偶。经北京航空材料院用于t>1300℃的真空热处理炉温均匀性测试, 结果表明:使用寿命在5炉以上, 而普通S型裸偶的使用寿命仅一炉, 寿命显著提高。

(2) 在真空条件下用S型裸偶的弊端

在真空条件下采用S型裸偶丝将被污染, 其次, 在真空环境中, S型裸偶正极中的铑挥发至负极。将原来的单铂铑变成双铂铑热电偶, 产生较大的负偏差。作者曾对1支在真空条件下使用后的S型裸偶进行校准, 结果表明:在1200℃偏低90℃ (检测结果如图1所示) , 由图可以看出, 随着温度升高误差也相应增大, 几乎呈一直线。说明合金成分已经改变。

(3) 建议将S型改成B型裸偶

在真空条件下, 正极的铑必然要挥发, 当铑沉积在S型负极纯铂上, 则变成铂铑合金热电偶, 将产生如上所述的负偏差。如果改用B型裸偶, 虽然高温下铑仍然要挥发, 但铑沉积在B型热电偶的负极为含Rh6%的Pt-Rh合金, 对负极成分的影响可忽略。其使用寿命要远大于S型热电偶。

(4) t>1260℃, 贵金属热电偶应选用陶瓷管

为了防止金属或合金对对贵金属热电偶的沾污。建议选用刚玉保护管, 尤其是B型热电偶的使用温度高, 更应注意选用纯度高, 清洁的刚玉管。为了提高热电偶的强度, 防止陶瓷保护管破损, 可采用金属与陶瓷复合管, 即有意延长热电偶夹持管的长度。该种结构的热电偶兼有陶瓷与金属保护管两者的优点。其结构看起来简单, 如果机械模仿肯定失败。原因是密封不严而漏气, 不能用于真空炉。作者研发的此种复合管型真空炉专用热电偶, 经沈阳黎明公司使用证明完全可以替代进口热电偶 (图2) 。

3) 在1260~1750℃范围

(1) 精度要求高, 选用贵金属热电偶

在此温度范围内, 如果测温精度高 (0.5%t以上) 或要求稳定可靠, 则应选择贵金属热电偶, 如果工作温度达1800℃, 应选用非标准化铂铑40-铂铑20热电偶。在此温度范围内, 如果热电偶是垂直安装是可行的。但是, 当t≥1600℃时, 如果热电偶水平安装, 在高温下, 将因悬臂重量作用而发生弯曲。如采用难熔金属与刚玉复合管结构, 可有效防止高温下保护管弯曲变形。

(2) 当测温精度在±1%t或t>1800℃时, 选用钨铼热电偶, 其特点是:

△热电极熔点高 (3300℃) , 强度大, 使用温度高达2500℃;

△热电动势大、灵敏度高、热电动势为B型热电偶的三倍;

△极易氧化;

△价格便宜, 仅为S型热电偶的1/5。

随着航空、航天、核能等尖端科技领域的发展以及替代贵金属热电偶, 降低成本的刚性要求, 钨铼热电偶的应用前景极其诱人。

为了促进钨铼热电偶快速发展, 工信部在2011年下发编制《工业钨铼热电偶技术条件》标准的课题, 作者是该标准的主要起草人之一, 现已完成等待审批发布实施。

工业钨铼热电偶是符合GB/T 29822标准的带有保护管且不可拆卸的钨铼热电偶。

1) 术语和定义

(1) 工业钨铼热电偶industrial Tungsten-Rhenium thermocouple

由钨铼合金热电极、绝缘物、保护管与接线盒等组成的热电偶。

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、惰性气体及干燥的氢气) 。

(2) 不可拆卸的工业钨铼热电偶fixed indu-strial Tungsten-Rhenium thermocouple

热电极组件不可以从保护管中取出的工业钨铼热电偶。

(3) 钨铼5-钨铼20热电偶Tungsten 5%Rhenium/Tungsten 20%Rhenium thermocouple

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。

(4) 钨铼5-钨铼26热电偶Tungsten 5%Rhenium/Tungsten 26%Rhenium thermocouple

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。

(5) 钨铼3-钨铼25热电偶Tungsten 3%Rhenium/Tungsten 25%Rhenium thermocouple

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。

2) 允差

钨铼热电偶的允差应符合表1的规定。

真空炉专用热电偶型号选取的重点是“Z”, 只要有Z, 其制作工艺将符合在真空条件下使用要求。型号表示方法如下:

2) 真空专用热电偶保护管、绝缘管材料 (见表2)

3) 真空炉专用热电偶结构与安装

真空炉专用热电偶的安装, 主要采用法兰或螺纹连接或固定, 真空防漏主要采用胶圈、密封螺纹、法兰及有机胶等。 (见表3)

1) 真空度

在真空条件下, 几乎无对流传热, 主要依靠辐射传热。当真空度很高时, 在线测温系统的结果往往偏低, 即仪表显示的温度要低于真空炉内的实际温度, 有时可达几十度。如向体系充Ar气加强对流传热, 可减小此偏差。

2) 发射率

当真空炉处于高温状态下, 材料的发射率对测量结果的影响尤为显著。由于陶瓷管的发射率较金属保护管低, 因此, 测量结果将比在同等条件下的金属管测温偏低。而炉温均匀性测试多采用铠装热电偶, 控制系统多采用陶瓷管保护的热电偶。两者测量结果受保护管发射率的影响是不可忽视的。

3) 热导率

在低温状态下, 材料的热导率对温度的测量结果影响较大。因此, 采用金属或合金保护管的热电偶, 因其热传导引起的热损失大, 故比陶瓷保护管热电偶测温系统示值偏低。

4) 热响应时间 (τ)

当温度出现阶跃变化时, 热电偶的输出变化相当于该阶跃变化的某个规定百分数所需的时间, 为热响应时间, 通常以Zxy表示, 如τ0.5等。对于按一阶传递函数处理的温度传感器, 达到阶跃温度量的63.2%所需要的时间称为时间常数, 记为τ, 热响应时间的快慢主要取决于热电偶的结构与测量条件, 差别极大, 对于气体介质, 尤其是静止气体, 至少应保持30 min以上才能达到热平衡。对于液态介质, 最快也要5 min以上。表4给出装配式工业热电偶的时间常数τ, 供参考。

接触法测温的基本原理是传感器要与被测对象达到热平衡。因此, 测温时要保持一定时间, 才能使两者达到热平衡。对于真空设备, 因体系无对流传热, 很少的传导传热, 主要靠辐射传热, 故其热平衡时间较长。而且, 钼管与刚玉管热电偶因其表面发射率不同及防氧化措施不同, 钨铼热电偶的热响应时间也不同。作者实测实体化钨铼热电偶与进口抽空式热电偶的时间常数见表5, 由表可以看出, 作者研制的实体化钨铼热电偶的热响应时间很快, 而抽空式钨铼热电偶的热响应时间很慢, 为实体化的2.2倍。

热处理行业在进行炉温均匀性测试 (TUS) 时, 温度传感器热响应时间的影响也很明显当用金属管保护的热电偶控制温度时, 炉子不超温, 如用陶瓷管保护的热电偶, 则可超温达10℃左右。因此有的企业宁肯牺牲热电偶的寿命, 也用金属保护管。目前作者已找到提高陶瓷管保护热电偶热响应时间的方法, 并可保证不超温和极大地减小超温的可能性。

5) 热电偶插入深度

热电偶插入真空炉内, 沿着保护管长度方向将产生热流, 因此由热传导引起的误差与插入深度有关, 而插入深度又与保护管材质有关:

(1) 金属保护管的导热性好, 插入深度要深一些, 应为保护管直径的15~20倍。

(2) 陶瓷保护管的绝热性好, 插入深度可浅一些, 应为保护管直径的10~15倍。

对于工程测温, 其插入深度还与被测对象是静止或流动等状态有关。如流动的液体或高速气流的温度测量将不受上述限制。然而, 对于真空体系, 影响将更大一些。

6) 补偿导线

热电偶补偿导线对测温系统的影响是不可忽视的。特别是当S型补偿导线参考端温度较高时, 将引起很大误差。作者选取国内知名的五家生产厂的不同型号样品共7支, 其中1#为精密级, 其他为普通级;1#、2#、3#为耐热用, 其他为一般用。测试结果见表5。

结果表明:

(1) 参考端温度t≤100℃时, 所有样品均能满足要求, 而且, 1#、5#、6#样品的误差很小。

(2) 参考端温度t>150℃时, 一般用补偿导线在超温状态下其绝缘层、护套已损坏, 虽有3支精度满足要求, 但不能使用。耐热用补偿导线可继续使用。

(3) 参考端温度t=200℃时, 3支耐热用补偿导线, 有2支满足普通级要求, 另外1支超差。

1) 引进、消化、吸收进口热电偶的先进理念与技术, 90年代初期, 沈阳鼓风机厂, 黎明公司从Ipson公司引进新型真空热处理炉。该设备中的真空炉专用热电偶损坏后, 找到我公司维修与研制。在认真学习、领会发达国家先进制造理念的同时, 结合自身经验, 很快为客户修复或研制多种真空炉专用热电偶。

2) 开发拥有自主知识产权的真空炉专用热电偶

作者在引进、消化吸收发达国家真空炉专用热电偶的基础上, 研制出多种真空炉专用热电偶:

(1) 真空冶金过程中钢水温度测量

采用MCPT-3型金属陶瓷保护的真空炉专用热电偶

(2) 超高真空专用密封式热电偶

作者研发的超高真空专用密封式热电偶, 采用单层或双层实体化结构的钨铼热电偶, 并严格密封。可满足中科院科学仪器中心超高真空度 (10-5Pa) 的要求 (图3) , 其单价仅为铂铑热电偶的1/5, 进口真空炉专用热电偶的1/4。

(3) 超高压烧结炉与气淬炉专用热电偶

目前超高压烧结炉的压力已增至15 MPa, 该设备所用热电偶以前主要靠进口, 不仅价格昂贵, 而且周期长, 急需国产化。作者相继解决了保护管的开发, 螺纹焊接, 钨铼热电偶分散性及密封等关键技术。15 MPa的超高压用热电偶 (图4) 已批量生产, 成功代替进口。

(4) 带有校准孔的廉金属热电偶

该种热电偶既可用于对炉温的测量与控制, 又可在需要进行校准时, 提供校温孔 (图5) 。而且, 标准与被校热电偶的测量端间距离小于5 mm。现已在Ipsen工业炉、丰东股份等诸多单位应用。

通过多年潜心研究, 现已开发出多种真空炉专用热电偶, 不仅供货快, 价格便宜, 而且其性能也已达到国际先进水平。国内外真空炉专用热电偶性能对比见表6。在株洲、长沙、湘潭等粉末冶金行业替代进口热电偶效果显著, 博得用户好评。

在市场经济条件下, 真空炉制造企业及用户, 不断地追求产品的高性能、高质量。因此, 对真空炉内温度的精准测量的要求也越来越高, 期望热电偶的使用寿命越来越长, 因此, 除仪表厂提高产品质量外, 用户能够依据使用环境、气氛、温度、安装方式等, 合理选择真空炉专用热电偶, 也是绝不可忽视的重要方面。为此, 总结自身40多年经验, 供读者选择参考。实践证明, 拥有自主知识产权的国产真空炉专用热电偶, 完全可以替代价格昂贵的进口热电偶。