簡述在特定真空度下溫度測量專用熱電偶：廉金屬、貴金屬與難熔金屬熱電偶的特點、選擇與應用，詳細探討工業(yè)鎢錸熱電偶的分類、真空爐專用熱電偶的結構與安裝，簡介真空爐測溫準確度的影響因素，進口熱電偶國產(chǎn)化研究，結果表明：國產(chǎn)真空爐專用熱電偶完全可以替代價格昂貴的進口熱電偶。

1、前言

　　真空爐的共同特點是，在某一特定真空度下的溫度測量。如期望熱電偶準確可靠、使用壽命長，必須深入探討真空環(huán)境下影響測溫準確度的因素：真空度、發(fā)射率、熱導率及熱電偶的插入深度等。因此真空爐專用熱電偶的選擇尤為重要。

2、真空爐專用熱電偶

　　2.1、熱電偶的分類

　　國際標準化組織(ASTME344-08)將熱電偶分為3 類。

　　①標準化廉金屬熱電偶；②標準化貴金屬熱電偶；③難熔金屬熱電偶，難熔金屬熱電偶的定義為：熱電偶的單極材料熔點高于1935 ℃，且熱電偶的兩極必須是難熔金屬或合金。

　　2.2、標準化廉金屬熱電偶

　　標準化廉金屬熱電偶有，T、J、E、K 及N 型。當真空爐的工作溫度低于1260 ℃時，可選用廉金屬鎧裝熱電偶，由于K 型熱電偶高溫穩(wěn)定性欠佳，在1300 ℃以下推薦使用N 型鎧裝熱電偶，可部分替代S 型熱電偶。

　　1)鎳鉻硅- 鎳硅鎂熱電偶(N 型)的特點

　　①高溫抗氧化能力強，長期穩(wěn)定性好；

　　②在250~500 ℃范圍內(nèi)短期熱循環(huán)穩(wěn)定性好，并抑制磁性轉變，熱電動勢無明顯變化；

　　③ 在400~1300 ℃范圍內(nèi)，N 型熱電偶熱電特性的線性度比K 型好。

　　2)N 型熱電偶替代S 型熱電偶

　　用N 型熱電偶替代S 型熱電偶，測量多用爐發(fā)熱體的溫度(1180 ℃)。自2008 年起5 年間，

　　我公司共為Ipsen 公司提供496 支N 型熱電偶替代S 型熱電偶，合計為該公司節(jié)約174 萬元。以2012 年為例，該公司采用N 型熱電偶49 支，S型熱電偶僅4 支，說明用N 型熱電偶替代S 型熱電偶已超過90%，經(jīng)濟效益極其顯著。

　　3)鎧裝熱電偶的選擇

　　耐用型熱電偶分為裝配式和鎧裝式兩大類。從節(jié)約金屬材料、使用方便和降低熱損失考慮，盡可能采用鎧裝熱電偶。熱電偶鎧材主要有如下幾種：

　　①中高溫區(qū)鎧材

　　我國中溫區(qū)鎧材主要是304、321 或1Cr18Ni9Ti，而高溫區(qū)有310S、Inconel600、NiCr 合金。實驗表明：在1000~1200 ℃溫度范圍，隨著套管材料不同， 漂移量大小各異， 其規(guī)律為：NiCr<Inconel600<310S 漂移量的比值為0.75∶1∶5。

　　②新型高溫鎧裝熱電偶材料Nicrobell

　　這種合金是在Nicrosil 化學特性的基礎上加入鎂與鈮元素，提高了合金的抗氧化能力與耐高溫強度，用Nicrobell 合金制成新型鎧裝熱電偶。用于豐東股份公司1200 ℃以上溫區(qū)，取得良好效果。

　　2.3、標準化貴金屬熱電偶

　　標準化貴金屬熱電偶有S、R 及B 型。在1260~1750 ℃范圍內(nèi)，可選用貴金屬熱電偶。

　　1)t<1260 ℃，不建議選用貴金屬熱電偶有些真空爐企業(yè)在此溫度范圍內(nèi)選用S 型熱電偶及GH30 或39 作保護管，雖然保護管的強度高，不易損壞，但是，高溫下鎳基合金將污染S型熱電偶而引起誤差。目前已逐漸改用特種高溫鎧裝熱電偶，既經(jīng)濟又實惠，頗受歡迎。

　　2) 當t>1280 ℃的真空條件下，不建議用S型裸偶

　　①軍工或航空認證企業(yè)，對爐溫均勻性測試精度要求很高當t>1280 ℃時多采用S 型裸偶，但貴金屬裸絲強度很低，為此作者研制出彌散強化S 型熱電偶。經(jīng)北京航空材料院用于t>1300 ℃的真空熱處理爐溫均勻性測試，結果表明：使用壽命在5 爐以上，而普通S 型裸偶的使用壽僅一爐，壽命顯著提高。

　　②在真空條件下用S 型裸偶的弊端

　　在真空條件下采用S 型裸偶絲將被污染，其次，在真空環(huán)境中，S 型裸偶正極中的銠揮發(fā)至負極。將原來的單鉑銠變成雙鉑銠熱電偶，產(chǎn)生較大的負偏差。作者曾對1 支在真空條件下使用后的S 型裸偶進行校準，結果表明：在1200 ℃偏低90 ℃(檢測結果如圖1 所示)，由圖可以看出，隨著溫度升高誤差也相應增大，幾乎呈一直線。說明合金成分已經(jīng)改變。

圖1 S 型裸偶在真空條件下使用后的檢測結果

　　③建議將S 型改成B 型裸偶

　　在真空條件下，正極的銠必然要揮發(fā)，當銠沉積在S 型負極純鉑上，則變成鉑銠合金熱電偶，將產(chǎn)生如上所述的負偏差。如果改用B 型裸偶，雖然高溫下銠仍然要揮發(fā)，但銠沉積在B 型熱電偶的負極為含Rh6%的Pt-Rh 合金，對負極成分的影響可忽略。其使用壽命要遠大于S 型熱電偶。

　　④t>1260 ℃，貴金屬熱電偶應選用陶瓷管

　　為了防止金屬或合金對對貴金屬熱電偶的沾污。建議選用剛玉保護管，尤其是B 型熱電偶的使用溫度高，更應注意選用純度高，清潔的剛玉管。為了提高熱電偶的強度，防止陶瓷保護管破損，可采用金屬與陶瓷復合管，即有意延長熱電偶夾持管的長度。該種結構的熱電偶兼有陶瓷與金屬保護管兩者的優(yōu)點。其結構看起來簡單，如果機械模仿肯定失敗。原因是密封不嚴而漏氣，不能用于真空爐。作者研發(fā)的此種復合管型真空爐專用熱電偶，經(jīng)沈陽黎明公司使用證明完全可以替代進口熱電偶(圖2)。

圖2 復合管型真空爐專用熱電偶

　　3)在1260～1750℃范圍

　　①精度要求高，選用貴金屬熱電偶在此溫度范圍內(nèi)，如果測溫精度高(0.5%t以上) 或要求穩(wěn)定可靠，則應選擇貴金屬熱電偶，如果工作溫度達1800 ℃，應選用非標準化鉑銠40- 鉑銠20 熱電偶。在此溫度范圍內(nèi)，如果熱電偶是垂直安裝是可行的。但是，當t≥1600 ℃時，如果熱電偶水平安裝，在高溫下，將因懸臂重量作用而發(fā)生彎曲。如采用難熔金屬與剛玉復合管結構，可有效防止高溫下保護管彎曲變形。

　　②當測溫精度在±1%t 或t>1800 ℃時，選用鎢錸熱電偶，其特點是：

　　△熱電極熔點高(3300 ℃)，強度大，使用溫度高達2500 ℃；

　　△熱電動勢大、靈敏度高、熱電動勢為B 型熱電偶的三倍；

　　△極易氧化；

　　△價格便宜，僅為S 型熱電偶的1/5。

　　隨著航空、航天、核能等尖端科技領域的發(fā)展以及替代貴金屬熱電偶，降低成本的剛性要求，鎢錸熱電偶的應用前景極其誘人。

5、結語

　　在市場經(jīng)濟條件下，真空爐制造企業(yè)及用戶，不斷地追求產(chǎn)品的高性能、高質(zhì)量。因此，對真空爐內(nèi)溫度的精準測量的要求也越來越高，期望熱電偶的使用壽命越來越長，因此，除儀表廠提高產(chǎn)品質(zhì)量外，用戶能夠依據(jù)使用環(huán)境、氣氛、溫度、安裝方式等，合理選擇真空爐專用熱電偶，也是絕不可忽視的重要方面。為此，總結自身40多年經(jīng)驗，供讀者選擇參考。實踐證明，擁有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)真空爐專用熱電偶，完全可以替代價格昂貴的進口熱電偶。