高溫?zé)犭娕急Ｗo(hù)套管材料性能影響
發(fā)布時(shí)間：2020-08-18
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摘要：
熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域中已成為應(yīng)用廣泛的感溫元件。熱電偶保護(hù)套管材料的性能影響熱電偶長(zhǎng)期穩(wěn)定性、使用壽命等各項(xiàng)性能指標(biāo)。在高溫下工作的熱電偶,對(duì)其套管材料有嚴(yán)格的要求。本文綜述了
高溫?zé)犭娕?/strong>保護(hù)套管材料的性能、分類及應(yīng)用,闡述了高溫熔體和高溫流動(dòng)粉體溫度測(cè)量的難點(diǎn)和研究現(xiàn)狀。
1引言
隨著科技的進(jìn)步,溫度測(cè)量技術(shù)得到迅速發(fā)展,已形成從點(diǎn)到線、由線到面;由表及里;從有線到無(wú)線的發(fā)展趨勢(shì)。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、正確可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)溫范圍廣、信號(hào)可遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn),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(cè)溫過(guò)程中,熱電偶保護(hù)套管發(fā)揮著重要作用。套管材料性能影響熱電偶的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命等各項(xiàng)性能指標(biāo)。特別是在高溫下工作的熱電偶,對(duì)其材料有高的要求。比如鋼水連續(xù)測(cè)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(cè)溫時(shí),不但有高溫氧化和高溫腐蝕,還有流動(dòng)性粉體的高溫沖蝕磨損。如此惡劣的工作環(huán)境對(duì)保護(hù)套管材料是嚴(yán)峻的考驗(yàn)，也給工程技術(shù)人員出了-道難題---如何經(jīng)濟(jì)實(shí)用的解決高溫環(huán)境下的熱電偶保護(hù)套管的失效問(wèn)題。
2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(cè)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(shí),應(yīng)具有對(duì)這些介質(zhì)的耐蝕性。
(4)-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。
3高溫保護(hù)套管材料的分類
3.1金屬材料
該類材料的特點(diǎn)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。
3.2非金屬材料
該類材料的特點(diǎn)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，--般要求管壁比較薄,因而帶來(lái)-系列問(wèn)題。常用的非金屬保護(hù)套管材料如表2所示。
3.3復(fù)合材料
3.3.1金屬陶瓷
金屬陶瓷是由--種金屬或合金與另--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(diǎn)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。-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(duì)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(cè)溫?zé)犭娕?球磨機(jī)、風(fēng)扇磨、磨煤機(jī)等出口及管道測(cè)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。
3.3.2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(wèn)題是目前國(guó)際上的流行趨勢(shì)。該類技術(shù)發(fā)揮了表面技術(shù)的優(yōu)勢(shì),不是將不同的材料混合起來(lái)制作復(fù)合材料而是將不同的材料組合起來(lái)發(fā)揮各自的特點(diǎn),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。
4研究熱點(diǎn)和難題及研究現(xiàn)狀
4.1高溫熔體的溫度測(cè)量
熱電偶測(cè)量高溫熔體時(shí),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(shí)受到介質(zhì)的物理化學(xué)腐蝕,極易損壞,這是在溫度測(cè)量領(lǐng)域的難題之---,也是重點(diǎn)攻關(guān)的對(duì)象。
4.1.1鋼水連續(xù)測(cè)溫
眾所周知,煉鋼過(guò)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)范和正確的溫度測(cè)量對(duì)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(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)冶金過(guò)程自動(dòng)化有積極作用。為了使熱電偶能長(zhǎng)期工作在攪動(dòng)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(cè)溫技術(shù)--直是冶金領(lǐng)域的難題之一。這種技術(shù)對(duì)于鋼水溫度控制自動(dòng)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(shí)意義。
該技術(shù)的關(guān)鍵是熱電偶保護(hù)套管。為了解決該難題，國(guó)內(nèi)外科技人員研制了很多保護(hù)套管材料,如ZrB、AlzO-Cr.AlO-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(jià)格高,至今未能在鋼廠實(shí)際大面積推廣應(yīng)用。近來(lái),國(guó)內(nèi)有研究機(jī)構(gòu)通過(guò)測(cè)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(shí)體化結(jié)構(gòu),制作成熱電偶保護(hù)套管取得了--定的效果。
4.1.2玻璃熔液測(cè)溫
當(dāng)前玻璃窯爐的測(cè)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(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)記錄和自動(dòng)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(cè)量玻璃熔池_上部空間的溫度,因此存在測(cè)溫滯后的問(wèn)題。
為了直接連續(xù)測(cè)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(cè)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(diǎn)、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(rùn)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(cè)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(cè)量有色金屬熔體和玻璃熔液。它可反復(fù)地出入于被測(cè)金屬熔體和玻璃熔液而不被腐蝕、炸裂,并且不與它們潤(rùn)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(zhǎng)的使用壽命。
4.2高溫流動(dòng)粉體測(cè)溫
對(duì)于輸煤系統(tǒng)、流化床、水泥熟料及耐火材料等流動(dòng)粉體的溫度測(cè)量,尤其是增壓流化床(PFB)的床溫測(cè)量,由于高溫流動(dòng)粉體對(duì)保護(hù)套管磨損及腐蝕均很嚴(yán)重,因此--直是高溫測(cè)試領(lǐng)域中富于挑戰(zhàn)性課題之一。
循環(huán)流化床鍋爐的溫度測(cè)量在該領(lǐng)域最具有代表性。國(guó)外首先研發(fā)循環(huán)流化床鍋爐測(cè)溫專用熱電偶,關(guān)鍵問(wèn)題是其價(jià)格比較昂貴。
MVD(MechanicalVaporDiffusion)處理過(guò)程是在金屬表面產(chǎn)生--種金屬化合反應(yīng),通過(guò)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(shí)熔化、汽化;然后迅速將兩者融合、冷卻,整個(gè)過(guò)程在1/10000s內(nèi)完成,所生成的新合金層面有硬度(HRC76)。國(guó)內(nèi)研制的新型高溫、高強(qiáng)、耐磨合金HR1230,是針對(duì)高溫耐磨環(huán)境開(kāi)發(fā)的全新型Ni-Cr-W-Mo-A1
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(guó)外高強(qiáng)合金哈氏合金的水平。
近年來(lái),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(guó)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。高鉻鑄鐵具有高耐磨性和抗氧化性,價(jià)格相對(duì)便宜,亦是比較理想的保護(hù)套管材料。通過(guò)合理調(diào)整成分.工藝使其達(dá)到耐磨抗蝕性,必將使其在高溫流動(dòng)粉體測(cè)溫中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。
5結(jié)束語(yǔ)
高溫環(huán)境下的腐蝕磨損給熱電偶測(cè)溫帶來(lái)了困難,經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力,取得了-定的成績(jī)。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(lái)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。
