在高温环境中钨铼热电偶失效的原因

2018/11/24 23:35:10 人评论 次浏览 分类:温度测量  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/2263.html

重庆材料研究院有限公司采用热力学计算和实验检测(EDS)相结合的方法,探讨了钨铼热电偶在氮气、高温含碳环境中可能发生的反应以及反应进行的条件。研究表明,在高温时,氮气、石墨、石英砂、钨铼之间发生的复杂的化学反应是导致钨铼热电偶失效的主要原因;在生产装配钨铼热电偶过程中不宜用SiC做钨铼热电偶的绝缘材料,应避免石墨、石荚砂、钨铼之间的交叉污染。

钨铼热电偶作为一种性能优良的高温测量用传感器,最高使用温度可以达到2800℃,是目前可测得1800℃以上的较好的接触式工业热电偶,被广泛应用于航空发动机的尾焰探测、石油化工的重油裂解炉、煤气化炉、冶金气氛炉、核电反应堆堆芯温度的测量等。

钨铼热电偶丝在惰性气和干燥的氢气中热电性能稳定,但在氧化气氛下极易氧化,在不同的氧分压下呈线性氧化规律,当某一极完全氧化而导致材料性质发生质变时,就会引发其热电性质的根本改变。为了能使钨铼偶丝应用于氧化气氛中,国内外学者进行了大量的研究,采用各种防氧化技术使其能应用于氧化气氛,例如,涂层保护法、抽空密封保护法、抽空充气密封保护法、填充密封保护法(昌晖仪表生产的钨铼热电偶就是使用这种方法)等等。但是关于钨铼热电偶丝在氮气、高温含碳环境中的稳定性研究尚未见报导,本文通过对现场失效的钨铼热电偶进行分析,讨论在氮气、高温含碳环境中,钨铼热电偶失效的原因,具有明显的理论意义与实用价值。

钨铼热电偶失效实验
本试样中的钨铼热电偶主要用于钢铁厂含钒钛钢渣的熔炼炉中,熔液偏碱性,钨铼热电偶长期使用温度1600-1700℃,短期使用温度1800℃。钨铼热电偶结构如图1所示,钨铼热电偶丝穿入两孔的刚玉绝缘管中,刚玉绝缘管与刚玉保护管中间填充石英砂,最外层用石墨作保护管。现场实验表明,钨铼热电偶工作一段时间后,显示仪表温度显示出现异常,炉子处于明显升温状态时,显示仪表温度恒定、下降或断路。取出此热电偶后其外层的石墨保护管没有破损,敲碎保护管,在钨铼热热电偶丝的工作部位取样,其形貌如图2所示。把样品制备成金相试验,进行SEM-EDS分析。
钨铼热电偶结构               失效后的钨铼合金丝
图1   钨铼热电偶结构                             图2  失效后的钨铼合金丝
经试验和数据分析表明(本文省去了复杂的数据处理和分析过程,直接给出试验结果),在钨铼热电偶的装配过程中,如果石英砂或者钨:铼合金丝表面被石墨污染,石英砂漏入进绝缘管中污染钨铼合金丝,当热电偶在1600-1800℃温度工作时,由于石墨和刚玉管生产工艺的特点,在高温时其材质不致密,氮气会通过石墨管和刚玉管,在其中进行流通,SiO2、C和N2就会发生反应,生成的SiC和Si3N4会牢牢地附着在钨铼合金丝表面,阻碍钨铼合金丝的自由伸缩。情况严重时,当温度降低,钨铼合金丝收缩时,钨铼合金丝就会被拉断,使钨铼热电偶失效,显示仪表温度显示为断路状态,而原本充当保护气氛的氮气,在反应中却起到了促进反应进行的作用。

钨在室温条件下化学性质比较稳定,与硫酸、盐酸、硝酸、苛性碱、惰性气体、氮气、氢气都不发生反应,但温度>100℃,钨将与酸碱发生反应;当温度>1200℃碳与W发生反应;当温度>900℃硅与W发生反应;当温度>1300℃碳化硅与W发生反应;当温度>700℃水蒸气与W发生反应;当温度>300℃空气与W发生反应;应避免这些物质与钨接触。

经多次试验论证后,重庆材料研究院有限公司通过试验得到以下结论,供生产钨铼热电偶厂家和钨铼热电偶使用者参考借鉴:
①当温度>1544℃时,SiO2、C和N2就会发生明显反应,生成的SiC、Si3N4会牢牢地附着在钨铼合金丝表面,阻碍钨铼合金丝的白由伸缩。
②SiC室温下能与W发生反应,生成硅化钨和碳化钨,高温时反应变得比较明显。不宜用SiC做钨铼热电偶的绝缘管材料。
③当温度在1600-1800℃时,SiC和WSi2可能分解,生成气态Si向钨铼合金丝的内部扩散,影响钨铼热电偶的机械性能和热电性能。
④在钨铼热电偶的装配过程中,特别是用石墨作外保护管,石英砂作为中间填充物,氮气作为保护气氛时,尽量避免石墨、石英砂、钨铼合金丝之间的交叉污染。
作者:重庆材料研究院有限公司 阳浩、陈德茂、刘奇、辛学军、杨晓亮、於舟

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