非金属热电偶在高温探测中的应用研究

　　在冶金、钢铁、建筑材料、化工等众多行业中, 温度是确保顺利生产和质量控制的重要参数。温度测量直接关系到产品的质量与生产成本。因此, 准确地进行生产过程的温度测量, 对指导生产的正常进行意义重大。在热工生产中, 钢、铁在熔融状态下,温度达到1 200 ℃ 以上, 主要测量方法有接触式的铂铑金属热电偶温度计和非接触式的红外辐射温度计。红外辐射温度计是利用测量高温物体的热辐射获得温度值, 其温度采集主要利用光学方法, 通过光学准直系统采集和传送被测温区的辐射能, 通过亮度、色度比较方法确定被测物体的温度, 但测量精度不如接触测量。铂铑热电偶以其测温精度高、热电互换性好、材质抗氧化等优点获得了广泛应用, 其中B 型铂铑热电偶被选定为国际温标基准测温仪器。实践发现, 采用铂铑30/ 6 热电偶虽然可连续测量钢水温度3~ 4 h, 但测量时间受限于保护器材和装备的稳定性, 且不应在还原性气氛和含有金属及非金属蒸气的气氛中使用, 也不应在没有可靠保护时使用。由此可见, 铂铑热电偶的不足: ① 材质熔点低,不耐高温; ② 性能娇贵不耐腐蚀, 尤其在高温应用中, 热电偶保护套管经常损坏, 使昂贵的铂铑热电极很快被熔融金属、炉渣、酸、碱、盐液体及硅、硫、碳、氟、氯等腐蚀性较强气体腐蚀坏; ③ 不耐老化、易断、易丢失、使用范围小; ④ 资源短缺、成本昂贵。铂铑高纯材料是单一金属造价最高的物质, 高纯铂铑丝每克重达数百元, 我国用料多靠进口。根据市场需求分析, 目前, 钢水包内钢水、工频加热炉内铁水的温度测量仍用快速热电偶完成, 每次测温消耗一只, 每个炉子每年消耗10 万元以上的热电偶, 因此, 选用一种性能可靠、损耗小的测温仪是很有必要的[ 1] 。

　　石墨纤维热电偶以石墨纤维为敏感元件, 利用热电效应进行温度测量。它属于人工合成非金属热电偶, 呈线状黑亮体、柔软可挠、质轻不娇。原材料为聚丙烯腈碳纤维, 向正极中渗硼, 再经3 600 ℃高温石墨化烧成。在烧成过程中硼原子扩散到石墨晶格中, 取代碳原子质点形成替位式半导体结构, 使碳纤维高度石墨化, 微观结构发育完善, 晶格形状稳定。该电偶只要在低于烧成温度下测温, 热电性能十分稳定。与铂铑热电偶相比, 石墨纤维热电偶具有以下优点: ①耐高温。由于烧成温度高达3600℃ ,因此可以测量3 000 ℃以上高温。② 材质抗腐蚀性增强。尤其在高温应用中不怕熔融金属、熔渣、液体酸碱盐及硅、氯、硫、碳、氟等元素气体的强腐蚀作用。③ 原材料成本低。每克石墨纤维成本不足一元。④ 耐老化, 不易脆断, 灵敏度较高。鉴于以上分析, 选用石墨纤维热电偶进行钢水温度测量是完全可行的[ 2, 3] 。