工業(yè)爐用新型溫度傳感器的開發(fā)

摘要：探討滲碳爐應(yīng)銅、鋁連軋生產(chǎn)過程中，在線檢測(cè)用熱電偶國產(chǎn)化問題。著重介紹了筆者研制的復(fù)合管型特種實(shí)體熱電偶及銅水、鋁洼連續(xù)測(cè)溫用的熱電偶的成功應(yīng)用。指出自行開發(fā)的溫度傳感器不僅可替代進(jìn)口設(shè)備中的溫度傳感器，還可進(jìn)入國際市場(chǎng)。

美鍵詞：溫度傳感器實(shí)體熱電偶工業(yè)爐在線檢測(cè)

Abstract The paper investigates the localization of the thermocouples for on ?C line detection in carbonizing fumace and copper or aluminum rolling processes. It is cmphasized the successful applications of the thermocouples developed by the autbor. These thermocouples are the special solidified thermocouple with composed tube and the thermocouples for continuous temperature measurement in liquid copper or aluminum.

The home made temperature transducers can not only replace the transducers in imported, but also be exported into imitational market.

Key words: Temperature transducer Solidified thermocouple Industrial furnace On-line detection

0引言

我國工業(yè)爐的溫度檢測(cè)技術(shù)隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的騰飛，取得長足的發(fā)展。多年來，為指導(dǎo)生產(chǎn)、強(qiáng)化管理、節(jié)能降耗發(fā)揮了極其重要的作用。本文著重探討了滲碳爐等高溫氣體，鐵、銅、鋁等高溫熔體，流動(dòng)粉體等實(shí)用測(cè)溫技術(shù)及溫度傳感器國產(chǎn)化問題。

1新型溫度傳感器

1.1 熱電偶保護(hù)營

熱電偶保護(hù)管按其材質(zhì)可分為金屬、非金屬、金屬陶瓷三類，作者曾研制出三種鉬基金屬保護(hù)管，主要性能見表1。此外還開發(fā)出Al2O3-C質(zhì)及陶瓷保護(hù)管(CPT型)、金屬或合金保護(hù)管(MPT型)，以及采用等離子噴涂等手段研制出耐磨熱電偶用表面改性保護(hù)管。

表 1 保護(hù)管的主要性能

1.2 黑體光纖紅外輻射溫度計(jì)(WFHT)

作者開發(fā)的在線式紅外輻射溫度計(jì)是將光纖技術(shù)、接觸式與非接觸式測(cè)溫技術(shù)結(jié)合起來，即將套管、透鏡及光纖組成一體，再與顯示儀表連接，構(gòu)成接觸式輻射溫度計(jì)，也稱黑體傳感器式輻射溫度計(jì)。WFHT采用碳化硅等套管，插入熱電偶測(cè)溫的相應(yīng)位置，形成黑體空腔，再用紅外輻射高溫計(jì)，通過光纖瞄準(zhǔn)黑體空腔底部(靶面)，由于黑體空腔靶面近似于黑體輻射。因此本溫度計(jì)可測(cè)得真實(shí)溫度。

1.2.1特點(diǎn)

該測(cè)溫儀是由黑體空腔(SiC管)、光纖及輻射溫度計(jì)組成。其兼有接觸式、非接觸式兩種溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。具有測(cè)量溫度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適于加熱爐的溫度測(cè)量。如用于取代鉑銠熱電偶，可減少測(cè)溫費(fèi)用，具有節(jié)能、降耗等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在國內(nèi)鋼廠應(yīng)用。

1.2.2技術(shù)指標(biāo)

測(cè)溫范圍：600～1300℃，800～1600℃，

1000～2000℃；

標(biāo)定精度：O.5%～l.0%；

響應(yīng)時(shí)問：<0.5s；

檢測(cè)波長：0.65-0.9μm；

黑體空腔材料：SiC、Al2O3及耐熱合金管；

輸出信號(hào)：I型4位數(shù)碼顯示：

Ⅱ型4位數(shù)碼顯示，并有4～20mA以

及1～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出；

光纖材質(zhì)：多組分玻璃。

2工業(yè)爐窯測(cè)溫技術(shù)

2.1 連續(xù)滲碳爐溫度測(cè)量

2.1.1復(fù)合管型實(shí)體熱電偶

由金屬或陶瓷或金屬陶瓷保護(hù)管、高性能熱電偶及填充劑等構(gòu)成的熱電偶稱復(fù)合管型實(shí)體熱電偶[1]（以下簡稱實(shí)體熱電偶）是一種專利產(chǎn)品[2]。由于結(jié)構(gòu)緊密、殘留的空氣少而不流動(dòng)，可使K型熱電偶正極中鉻的選擇性氧化極大地減少，從而提高了廉金屬熱電偶的長期穩(wěn)定性。

2.1.2實(shí)體熱電偶在滲碳爐中的應(yīng)用

瓦房店軸承廠引進(jìn)的電輻射加熱滲碳爐，用于車輛軸承滲碳。工藝溫度為930±5℃，每臺(tái)爐共分5個(gè)溫區(qū)，用熱電偶測(cè)量各部位的溫度。熱電偶安裝在由爐蓋上方垂直插入的10個(gè)測(cè)溫孔內(nèi)(見圖1)。過去存在的問題是熱電偶腐蝕嚴(yán)重，壽命短、偏差大，運(yùn)行時(shí)間僅l～2間，遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需要。自1994年6月1O日起，在滲碳爐內(nèi)陸續(xù)安裝10支實(shí)體熱電偶。4年多的應(yīng)用結(jié)果表明，平均使用壽命均達(dá)26個(gè)月，用戶很滿意。現(xiàn)在東北大學(xué)傳感器廠已定型生產(chǎn)，并逐步推向汽車行業(yè)等，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

1-外套管；2-特種熱電偶；3-爐殼(耐火磚)；4-爐門；5-料盤； 6-料盤滑道

圖 1電輻射加熱滲碳爐測(cè)溫樂統(tǒng)示意圖

2.2 高溫熔體連續(xù)測(cè)溫

2.2.1鋁液及鋁電解質(zhì)連續(xù)測(cè)溫

a.鋁液連續(xù)測(cè)溫

鋁液連續(xù)測(cè)溫用保護(hù)管有金屬、Si3N4及Sialon等。金屬管的強(qiáng)度高，但壽命短；Si3N4管耐腐蝕，但強(qiáng)度低；Sialon材料在性能上較理想，然而價(jià)格昂貴。作者研制的MPT-1型合金管、K型鎧裝熱電偶構(gòu)成的連續(xù)測(cè)溫傳感器，用于沈陽電纜廠引進(jìn)的鋁連軋生產(chǎn)線，連續(xù)使用壽命超過4個(gè)月，比引進(jìn)設(shè)備中同類溫度傳感器的壽命提高2～3倍，而且，價(jià)格便宜，已在國內(nèi)推廣，具有廣闊的前景。

b.鋁電解質(zhì)連續(xù)測(cè)溫

鋁電解槽內(nèi)電解質(zhì)溫度的連續(xù)測(cè)溫，對(duì)鋁電解生產(chǎn)至關(guān)重要，但到目前為止，國內(nèi)外尚未找到適合的耐蝕材料，美國研制的保護(hù)管，使用壽命只有72h。作者開發(fā)的MPT-2型合金管在撫鋁、包鋁進(jìn)行工業(yè)實(shí)驗(yàn)，其壽命均超過400h，近期可望達(dá)到720h。

2.2.2鋁液與鋁電解質(zhì)問斷測(cè)溫——便攜式浸人型測(cè)溫儀

鋁液與鋁電解質(zhì)問斷測(cè)溫從40年代起已廣泛應(yīng)用浸入式測(cè)溫儀。可是，以前的測(cè)溫儀具有如下缺點(diǎn)：①不斷地更換保護(hù)管及插頭；②頻繁地切斷偶絲，制作新的測(cè)量端。

作者與撫順鋁廠聯(lián)合開發(fā)的浸入型測(cè)溫儀完全克服上述不足。它是由熱電偶、保護(hù)管及數(shù)字顯示儀表構(gòu)成的。已成功地用于鋁冶金及加工行業(yè)中氟化物電解質(zhì)及鋁液溫度測(cè)量。該種測(cè)溫儀博得用戶好評(píng)，已在國內(nèi)鋁廠推廣應(yīng)用。

a.特點(diǎn)

① 測(cè)槍與顯示儀表一體化，同普通熱電偶相比，體輕且響應(yīng)速度快(1～2min)；

② 復(fù)合型保護(hù)管耐腐蝕、更換方便，使用壽命長(100～500次)，測(cè)溫費(fèi)用低；

③ 溫度數(shù)碼顯示，直觀且準(zhǔn)確，并有峰值保持功能(特殊需要可增加記憶存儲(chǔ)功能)；

④ 簡化操作，單人即可測(cè)量。

b.技術(shù)指標(biāo)

① 3位半數(shù)碼顯示；

② 準(zhǔn)確度1.O％；

③ 使用溫度范圍0～1200℃；

④ 重量約1kg；

⑤ 電池供電；

⑥ 測(cè)槍長度：1000～3000mm。

c.結(jié)構(gòu)

① Ⅱ型熱電偶、顯示儀表與測(cè)槍形成一體，保護(hù)管可更換；

② Ⅲ型熱電偶、保護(hù)符、槍體采用分解組合式，熱電偶及保護(hù)管均可更換。

2.2.3銅液連續(xù)測(cè)溫

關(guān)于銅冶煉過程中熔體連續(xù)測(cè)溫用傳感器，目前仍在研究。對(duì)于銅加工行業(yè)中銅液連續(xù)測(cè)溫，作者采用金屬陶瓷保護(hù)管，內(nèi)插高性能熱電偶(K型)，制成實(shí)體熱電偶。自1985年以來，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用證明具有如F優(yōu)點(diǎn)：耐高溫，使用壽命長(在1000h以上)；熱電性能穩(wěn)定；響應(yīng)速度快；安全可靠。

沈陽電纜廠引進(jìn)的銅連軋生產(chǎn)線，原設(shè)備所帶的銅水連續(xù)測(cè)溫用熱電偶為R型，采用耐熱合金作保護(hù)管，其壽命僅一周左右。作者開發(fā)的熱電偶保護(hù)管，是在耐熱合金管的外部增加保護(hù)涂層。該種新型熱電偶安裝位置如圖2。兩年來的實(shí)踐結(jié)果表明，新型熱電偶的使用壽命可大于1年，較引進(jìn)設(shè)備的熱電偶，其壽命提高50倍。

1-熱點(diǎn)偶接線盒；2-固定件；3-保護(hù)管；4-爐體；5-銅水；6-耐高溫材料

圖 2 銅水連續(xù)測(cè)溫用熱電偶安裝示意圖

3流動(dòng)粉體溫度測(cè)量

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，尤其是對(duì)增壓流化床(PFB)的床溫測(cè)量。由于流動(dòng)粉體對(duì)保護(hù)管磨損及腐蝕均很嚴(yán)重，因此一直是高溫測(cè)試領(lǐng)域中富于挑戰(zhàn)性課題之一。

對(duì)于使用溫度低于500℃的流動(dòng)粉體，可采用高強(qiáng)鋼或表面改性技術(shù)，噴涂WC或Ni-Cr-B，其硬度可達(dá)到60～70(HRe)[3]。如果常用溫度在1000℃左右，可采用鈷基合金保護(hù)管(商品名為 UMC050)，該種保護(hù)管具有優(yōu)異的耐熱沖擊、耐磨性能及高溫強(qiáng)度，對(duì)硫化物及釩具有良好的耐蝕性能4，但價(jià)格昂貴。為降低成本，有的研制者采用雙金屬復(fù)合管型結(jié)構(gòu)用于PFB現(xiàn)場(chǎng)。結(jié)果表明：在溫度為l000℃的情況下，使用壽命≮l000h[5]。除此之外，還有人在保護(hù)管的形狀上下工夫，有助于延長使用壽命。

4結(jié)束語

為了解決引進(jìn)設(shè)備中溫度傳感器國產(chǎn)化問題，東北大學(xué)的教師與現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員結(jié)合，研究開發(fā)出復(fù)合管型特種實(shí)體熱電偶、鋁液與銅水連續(xù)測(cè)溫用熱電偶，在引進(jìn)的連續(xù)滲碳爐、鋁銅連軋生產(chǎn)線上應(yīng)用，取得良好效果，其使用壽命提高50倍，博得用戶好評(píng)。幾年來的實(shí)踐表明，作者開發(fā)的新型溫度傳感器，不僅可以替代進(jìn)口設(shè)備中的溫度傳感器，節(jié)約大量外匯；還可以走向世界，進(jìn)入國際市場(chǎng)。