真空炉专用热电偶及其选择

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳东大传感技术有限公司 作者:王魁汉

  简述在特定真空度下温度测量专用热电偶:廉金属、贵金属与难熔金属热电偶的特点、选择与应用,详细探讨工业钨铼热电偶的分类、真空炉专用热电偶的结构与安装,简介真空炉测温准确度的影响因素,进口热电偶国产化研究,结果表明: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。

1、前言

  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。

2、真空炉专用热电偶

  2.1、热电偶的分类

  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。

  2.2、标准化廉金属热电偶

  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、NiCr 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:NiCr<Inconel600<310S 漂移量的比值为0.75∶1∶5。

  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。

  2.3、标准化贵金属热电偶

  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。

S 型裸偶在真空条件下使用后的检测结果

图1 S 型裸偶在真空条件下使用后的检测结果

  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。

  ④t>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)。

复合管型真空炉专用热电偶

图2 复合管型真空炉专用热电偶

  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。

5、结语

  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。

  真空炉专用热电偶及其选择为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/application/heat/016128.html

  与 真空热处理 真空炉专用热电偶 相关的文章请阅读:

  真空热处理http://www.chvacuum.com/application/heat/