鎢錸熱電偶作為一種性能優(yōu)良的高溫測(cè)量用傳感器，最高使用溫度可以達(dá)到2800℃，是目前可測(cè)得1800℃以上的較好的接觸式工業(yè)熱電偶，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的尾焰探測(cè)、石油化工的重油裂解爐、煤氣化爐、冶金氣氛爐、核電反應(yīng)堆堆芯溫度的測(cè)量等。
鎢錸熱電偶絲在惰性氣和干燥的氫氣中熱電性能穩(wěn)定，但在氧化氣氛下極易氧化，在不同的氧分壓下呈線性氧化規(guī)律，當(dāng)某一極完全氧化而導(dǎo)致材料性質(zhì)發(fā)生質(zhì)變時(shí)，就會(huì)引發(fā)其熱電性質(zhì)的根本改變。為了能使鎢錸偶絲應(yīng)用于氧化氣氛中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，采用各種防氧化技術(shù)使其能應(yīng)用于氧化氣氛，例如，涂層保護(hù)法、抽空密封保護(hù)法、抽空充氣密封保護(hù)法、填充密封保護(hù)法(昌暉儀表生產(chǎn)的鎢錸熱電偶就是使用這種方法)等等。但是關(guān)于鎢錸熱電偶絲在氮?dú)?、高溫含碳環(huán)境中的穩(wěn)定性研究尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)失效的鎢錸熱電偶進(jìn)行分析，討論在氮?dú)?、高溫含碳環(huán)境中，鎢錸熱電偶失效的原因，具有明顯的理論意義與實(shí)用價(jià)值。
鎢錸熱電偶失效實(shí)驗(yàn)
本試樣中的鎢錸熱電偶主要用于鋼鐵廠含釩鈦鋼渣的熔煉爐中，熔液偏堿性，鎢錸熱電偶長(zhǎng)期使用溫度1600-1700℃，短期使用溫度1800℃。鎢錸熱電偶結(jié)構(gòu)如圖1所示，鎢錸熱電偶絲穿入兩孔的剛玉絕緣管中，剛玉絕緣管與剛玉保護(hù)管中間填充石英砂，最外層用石墨作保護(hù)管?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，鎢錸熱電偶工作一段時(shí)間后，顯示儀表溫度顯示出現(xiàn)異常，爐子處于明顯升溫狀態(tài)時(shí)，顯示儀表溫度恒定、下降或斷路。取出此熱電偶后其外層的石墨保護(hù)管沒(méi)有破損，敲碎保護(hù)管，在鎢錸熱熱電偶絲的工作部位取樣，其形貌如圖2所示。把樣品制備成金相試驗(yàn)，進(jìn)行SEM-EDS分析。
圖1 鎢錸熱電偶結(jié)構(gòu) 圖2 失效后的鎢錸合金絲
經(jīng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析表明(本文省去了復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和分析過(guò)程，直接給出試驗(yàn)結(jié)果)，在鎢錸熱電偶的裝配過(guò)程中，如果石英砂或者鎢：錸合金絲表面被石墨污染，石英砂漏入進(jìn)絕緣管中污染鎢錸合金絲，當(dāng)熱電偶在1600-1800℃溫度工作時(shí)，由于石墨和剛玉管生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，在高溫時(shí)其材質(zhì)不致密，氮?dú)鈺?huì)通過(guò)石墨管和剛玉管，在其中進(jìn)行流通，SiO2、C和N2就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成的SiC和Si3N4會(huì)牢牢地附著在鎢錸合金絲表面，阻礙鎢錸合金絲的自由伸縮。情況嚴(yán)重時(shí)，當(dāng)溫度降低，鎢錸合金絲收縮時(shí)，鎢錸合金絲就會(huì)被拉斷，使鎢錸熱電偶失效，顯示儀表溫度顯示為斷路狀態(tài)，而原本充當(dāng)保護(hù)氣氛的氮?dú)?，在反?yīng)中卻起到了促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行的作用。
鎢在室溫條件下化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，與硫酸、鹽酸、硝酸、苛性堿、惰性氣體、氮?dú)?、氫氣都不發(fā)生反應(yīng)，但溫度＞100℃，鎢將與酸堿發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)溫度＞1200℃碳與W發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)溫度＞900℃硅與W發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)溫度＞1300℃碳化硅與W發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)溫度＞700℃水蒸氣與W發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)溫度＞300℃空氣與W發(fā)生反應(yīng)；應(yīng)避免這些物質(zhì)與鎢接觸。
經(jīng)多次試驗(yàn)論證后，重慶材料研究院有限公司通過(guò)試驗(yàn)得到以下結(jié)論，供生產(chǎn)鎢錸熱電偶廠家和鎢錸熱電偶使用者參考借鑒：
①當(dāng)溫度＞1544℃時(shí)，SiO2、C和N2就會(huì)發(fā)生明顯反應(yīng)，生成的SiC、Si3N4會(huì)牢牢地附著在鎢錸合金絲表面，阻礙鎢錸合金絲的白由伸縮。
②SiC室溫下能與W發(fā)生反應(yīng)，生成硅化鎢和碳化鎢，高溫時(shí)反應(yīng)變得比較明顯。不宜用SiC做鎢錸熱電偶的絕緣管材料。
③當(dāng)溫度在1600-1800℃時(shí)，SiC和WSi2可能分解，生成氣態(tài)Si向鎢錸合金絲的內(nèi)部擴(kuò)散，影響鎢錸熱電偶的機(jī)械性能和熱電性能。
④在鎢錸熱電偶的裝配過(guò)程中，特別是用石墨作外保護(hù)管，石英砂作為中間填充物，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛時(shí)，盡量避免石墨、石英砂、鎢錸合金絲之間的交叉污染。
作者：重慶材料研究院有限公司 陽(yáng)浩、陳德茂、劉奇、辛學(xué)軍、楊曉亮、於舟
