用于鋼水連續(xù)測溫金屬陶瓷熱電偶實(shí)驗(yàn)研究

摘要:采用兩種不同組成的金屬陶瓷棒作為測溫?zé)犭娕?置于鋼液中進(jìn)行連續(xù)測溫,實(shí)驗(yàn)證明是可行的組成新型熱電偶的金屬陶瓷棒耐鋼渣侵蝕性好、輸出熱電動勢值較大,在金屬熔化溫度范圍內(nèi)其熱電動勢與溫度的線性.關(guān)系明顯。
　　金屬陶瓷材料近二三十年來得到了迅猛的發(fā)展,它的優(yōu)異性能使其在各種技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用，特別在冶金高溫領(lǐng)域金屬陶瓷材料的耐高溫、耐侵蝕和抗震性能引起冶金工作者的廣泛注意在冶煉.過程中，溫度是最重要的操作工藝參數(shù),隨著煉鋼自動控制技術(shù)的發(fā)展,以及對鋼質(zhì)量要求的不斷提高,需要連續(xù)測量冶煉過程中的鋼水溫度因測溫環(huán)境惡劣,技術(shù)難度大,至今還不能實(shí)現(xiàn)鋼水連續(xù)測溫國內(nèi)外該項(xiàng)研究主要集中在熱電偶的保護(hù)套管材質(zhì)的改進(jìn)上,采用耐高溫、抗渣的金屬陶瓷保護(hù)套管,然后埋入鋼水中測量溫度[~4]但保護(hù)套管材質(zhì)使用壽命短,價格高,很難用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn).另外采用保護(hù)套管結(jié)構(gòu)型的熱電偶根本不能在煉鋼爐內(nèi)的工作條件下進(jìn)行連續(xù)測溫本實(shí)驗(yàn)采用金屬陶瓷材料作為熱電偶,直接插入鋼水,組成一只完整的熱電偶,就可以連續(xù)精確地測量鋼水的溫度,而金屬陶瓷耐高溫,可以承受鋼水和爐渣的侵蝕。
1實(shí)驗(yàn)研究
11研究方法
　　采用硅鉬棒高溫爐熔化廢鋼,將金屬陶瓷放入鋼水、爐渣中長時間浸泡,檢測其抗?fàn)t渣和耐鋼水侵蝕性,從中選出兩種不同成分的金屬陶瓷作為熱電偶材質(zhì)將兩種金屬陶瓷熱電偶置于鋼液中,與液態(tài)的鋼水組成一個回路，被測液態(tài)鋼水作為第三導(dǎo)體接入回路，組成一只完整的熱電偶利用金屬陶瓷棒與鋼水接觸面上產(chǎn)生的熱電勢與溫度的關(guān)系，用電子電位差計測量熱電偶輸出的熱電勢值根據(jù)測得的熱電勢與溫度的對應(yīng)關(guān)系配備顯示儀表鋼水溫度作為熱電偶材質(zhì)的試驗(yàn)金屬陶瓷選用二硼化鋯+鉬和二硼化鋯+鎢系列由于鋼水熔點(diǎn)高,低溫下鋼不熔化，本實(shí)驗(yàn)選用熔點(diǎn)低的金屬鋁來替代鋼，與金屬陶瓷棒組成熱電偶回路實(shí)驗(yàn).裝置見圖1。
 
1.2實(shí)驗(yàn)原理
　　兩種性質(zhì)不同的導(dǎo)體A和B在兩個端點(diǎn)處連接起來形成閉合回路,如圖2所示設(shè)t>to(t-to分別為兩接觸點(diǎn)的溫度)NA>NB(NA、NB分別為導(dǎo).體AB的自由電子密度),熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。
 
　　NAt、NAt0和Bt、NBt0分別表示導(dǎo)體A、B在接觸點(diǎn)溫度為t和t/0時的自由電子密度e為單位電荷量，k，為波爾茲曼常數(shù)
(2)溫差電勢:
 
2試驗(yàn)結(jié)果及討論
　　在探索性試驗(yàn)時,發(fā)現(xiàn)所選金屬陶瓷熱電偶冷端溫度變化會引起金屬陶瓷熱電性能變化因此必須對金屬陶瓷熱電偶冷端進(jìn)行冷卻,保持冷端溫度恒定冷卻方法為對冷端進(jìn)行風(fēng)冷或?qū)涠诉M(jìn)行循環(huán)水冷卻現(xiàn)分析討論如下:
2.1采用風(fēng)冷
　　對金屬陶瓷的冷端采用壓縮空氣進(jìn)行冷卻,試
　　驗(yàn)結(jié)果見圖3
 
　　從圖3可以看出,從開始升溫到升溫40min時,溫度升至約為400℃(標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電動勢值5.58mV),在這一階段,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢隨溫度的升高而增大,并且輸出熱電動勢值與溫度的線性關(guān)系良好40min后,溫度大于400℃,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢緩緩變小，隨溫度的升高而減小表明金屬陶瓷熱電偶的冷端溫度在不斷上升,熱端與冷端的溫差在不斷縮小增大底部壓.縮空氣風(fēng)量后,即增加對陶瓷熱電偶冷端的冷卻強(qiáng)度,底部金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢又重新增大一段時間后,輸出值又變小說明對金屬陶瓷的冷端采用壓縮空氣進(jìn)行冷卻,在低溫(溫度<400℃)輸出熱電動勢值與溫度的線性關(guān)系明顯溫度大于400℃,冷端溫度不能恒定,輸出值與溫度無線性關(guān)系,風(fēng)冷達(dá)不到預(yù)期效果。
2.2采用水冷
　　對金屬陶瓷熱電偶冷端采用銅質(zhì)三層套管冷卻器循環(huán)水冷卻實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4、5圖4、5是同一次實(shí)驗(yàn)中升溫降溫,再升溫得到的兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果兩組實(shí)驗(yàn)中爐溫均達(dá)到1600℃以上從兩圖看出,底部金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢值較大,達(dá)到了幾百mV,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢值和時間的曲線與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶輸出的熱電動勢和時間的曲線變化趨勢相似同時底部金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢值與溫度的線性關(guān)系良好,測溫靈敏度高,滯后時間短,用循環(huán)水冷卻底部金屬陶瓷熱電偶的冷端效果較好實(shí)驗(yàn)中隨著溫度的升高,金屬陶瓷熱電偶輸出熱電動勢值的增長速率較標(biāo)準(zhǔn)熱電偶輸出值小，說明金屬陶瓷熱電偶的冷端溫度不恒定，在緩緩上升,對輸出值產(chǎn)生影響因此有必要加長金屬陶瓷棒的長度或增加水冷強(qiáng)度。
 
 
3結(jié)論
(1)二硼化鋯+鉬和二硼化鋯+鎢兩種不同組成的金屬陶瓷棒作為熱電偶在高溫下連續(xù)測溫,輸出熱電動勢值與溫度的線性關(guān)系良好、測溫靈敏度高、滯后時間短,且輸出熱電動勢值較大,有利于精確測溫。
(2)金屬陶瓷熱電偶冷端溫度的變化影響測溫的正確性采用循環(huán)水冷卻的效果要比采用風(fēng)冷效果好。