工业炉用新型温度传感器的开发

摘要：探讨渗碳炉应铜、铝连轧生产过程中，在线检测用热电偶国产化问题。着重介绍了笔者研制的复合管型特种实体热电偶及铜水、铝洼连续测温用的热电偶的成功应用。指出自行开发的温度传感器不仅可替代进口设备中的温度传感器，还可进入国际市场。

美键词：温度传感器实体热电偶工业炉在线检测

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

我国工业炉的温度检测技术随着国民经济建设的腾飞，取得长足的发展。多年来，为指导生产、强化管理、节能降耗发挥了极其重要的作用。本文着重探讨了渗碳炉等高温气体，铁、铜、铝等高温熔体，流动粉体等实用测温技术及温度传感器国产化问题。

1新型温度传感器

1.1 热电偶保护营

热电偶保护管按其材质可分为金属、非金属、金属陶瓷三类，作者曾研制出三种钼基金属保护管，主要性能见表1。此外还开发出Al2O3-C质及陶瓷保护管(CPT型)、金属或合金保护管(MPT型)，以及采用等离子喷涂等手段研制出耐磨热电偶用表面改性保护管。

表 1 保护管的主要性能

1.2 黑体光纤红外辐射温度计(WFHT)

作者开发的在线式红外辐射温度计是将光纤技术、接触式与非接触式测温技术结合起来，即将套管、透镜及光纤组成一体，再与显示仪表连接，构成接触式辐射温度计，也称黑体传感器式辐射温度计。WFHT采用碳化硅等套管，插入热电偶测温的相应位置，形成黑体空腔，再用红外辐射高温计，通过光纤瞄准黑体空腔底部(靶面)，由于黑体空腔靶面近似于黑体辐射。因此本温度计可测得真实温度。

1.2.1特点

该测温仪是由黑体空腔(SiC管)、光纤及辐射温度计组成。其兼有接触式、非接触式两种温度计的优点。具有测量温度高、响应速度快、抗干扰能力强、安装使用方便等优点，适于加热炉的温度测量。如用于取代铂铑热电偶，可减少测温费用，具有节能、降耗等优点，现已在国内钢厂应用。

1.2.2技术指标

测温范围：600～1300℃，800～1600℃，

1000～2000℃；

标定精度：O.5%～l.0%；

响应时问：<0.5s；

检测波长：0.65-0.9μm；

黑体空腔材料：SiC、Al2O3及耐热合金管；

输出信号：I型4位数码显示：

Ⅱ型4位数码显示，并有4～20mA以

及1～5V标准信号输出；

光纤材质：多组分玻璃。

2工业炉窑测温技术

2.1 连续渗碳炉温度测量

2.1.1复合管型实体热电偶

由金属或陶瓷或金属陶瓷保护管、高性能热电偶及填充剂等构成的热电偶称复合管型实体热电偶[1]（以下简称实体热电偶）是一种专利产品[2]。由于结构紧密、残留的空气少而不流动，可使K型热电偶正极中铬的选择性氧化极大地减少，从而提高了廉金属热电偶的长期稳定性。

2.1.2实体热电偶在渗碳炉中的应用

瓦房店轴承厂引进的电辐射加热渗碳炉，用于车辆轴承渗碳。工艺温度为930±5℃，每台炉共分5个温区，用热电偶测量各部位的温度。热电偶安装在由炉盖上方垂直插入的10个测温孔内(见图1)。过去存在的问题是热电偶腐蚀严重，寿命短、偏差大，运行时间仅l～2间，远不能满足生产需要。自1994年6月1O日起，在渗碳炉内陆续安装10支实体热电偶。4年多的应用结果表明，平均使用寿命均达26个月，用户很满意。现在东北大学传感器厂已定型生产，并逐步推向汽车行业等，扩大其应用范围。

1-外套管；2-特种热电偶；3-炉壳(耐火砖)；4-炉门；5-料盘； 6-料盘滑道

图 1电辐射加热渗碳炉测温乐统示意图

2.2 高温熔体连续测温

2.2.1铝液及铝电解质连续测温

a.铝液连续测温

铝液连续测温用保护管有金属、Si3N4及Sialon等。金属管的强度高，但寿命短；Si3N4管耐腐蚀，但强度低；Sialon材料在性能上较理想，然而价格昂贵。作者研制的MPT-1型合金管、K型铠装热电偶构成的连续测温传感器，用于沈阳电缆厂引进的铝连轧生产线，连续使用寿命超过4个月，比引进设备中同类温度传感器的寿命提高2～3倍，而且，价格便宜，已在国内推广，具有广阔的前景。

b.铝电解质连续测温

铝电解槽内电解质温度的连续测温，对铝电解生产至关重要，但到目前为止，国内外尚未找到适合的耐蚀材料，美国研制的保护管，使用寿命只有72h。作者开发的MPT-2型合金管在抚铝、包铝进行工业实验，其寿命均超过400h，近期可望达到720h。

2.2.2铝液与铝电解质问断测温——便携式浸人型测温仪

铝液与铝电解质问断测温从40年代起已广泛应用浸入式测温仪。可是，以前的测温仪具有如下缺点：①不断地更换保护管及插头；②频繁地切断偶丝，制作新的测量端。

作者与抚顺铝厂联合开发的浸入型测温仪完全克服上述不足。它是由热电偶、保护管及数字显示仪表构成的。已成功地用于铝冶金及加工行业中氟化物电解质及铝液温度测量。该种测温仪博得用户好评，已在国内铝厂推广应用。

a.特点

① 测枪与显示仪表一体化，同普通热电偶相比，体轻且响应速度快(1～2min)；

② 复合型保护管耐腐蚀、更换方便，使用寿命长(100～500次)，测温费用低；

③ 温度数码显示，直观且准确，并有峰值保持功能(特殊需要可增加记忆存储功能)；

④ 简化操作，单人即可测量。

b.技术指标

① 3位半数码显示；

② 准确度1.O％；

③ 使用温度范围0～1200℃；

④ 重量约1kg；

⑤ 电池供电；

⑥ 测枪长度：1000～3000mm。

c.结构

① Ⅱ型热电偶、显示仪表与测枪形成一体，保护管可更换；

② Ⅲ型热电偶、保护符、枪体采用分解组合式，热电偶及保护管均可更换。

2.2.3铜液连续测温

关于铜冶炼过程中熔体连续测温用传感器，目前仍在研究。对于铜加工行业中铜液连续测温，作者采用金属陶瓷保护管，内插高性能热电偶(K型)，制成实体热电偶。自1985年以来，经现场使用证明具有如F优点：耐高温，使用寿命长(在1000h以上)；热电性能稳定；响应速度快；安全可靠。

沈阳电缆厂引进的铜连轧生产线，原设备所带的铜水连续测温用热电偶为R型，采用耐热合金作保护管，其寿命仅一周左右。作者开发的热电偶保护管，是在耐热合金管的外部增加保护涂层。该种新型热电偶安装位置如图2。两年来的实践结果表明，新型热电偶的使用寿命可大于1年，较引进设备的热电偶，其寿命提高50倍。

1-热点偶接线盒；2-固定件；3-保护管；4-炉体；5-铜水；6-耐高温材料

图 2 铜水连续测温用热电偶安装示意图

3流动粉体温度测量

对于输煤系统、流化床、水泥熟料及耐火材料等流动粉体的温度测量，尤其是对增压流化床(PFB)的床温测量。由于流动粉体对保护管磨损及腐蚀均很严重，因此一直是高温测试领域中富于挑战性课题之一。

对于使用温度低于500℃的流动粉体，可采用高强钢或表面改性技术，喷涂WC或Ni-Cr-B，其硬度可达到60～70(HRe)[3]。如果常用温度在1000℃左右，可采用钴基合金保护管(商品名为 UMC050)，该种保护管具有优异的耐热冲击、耐磨性能及高温强度，对硫化物及钒具有良好的耐蚀性能4，但价格昂贵。为降低成本，有的研制者采用双金属复合管型结构用于PFB现场。结果表明：在温度为l000℃的情况下，使用寿命≮l000h[5]。除此之外，还有人在保护管的形状上下工夫，有助于延长使用寿命。

4结束语

为了解决引进设备中温度传感器国产化问题，东北大学的教师与现场工程技术人员结合，研究开发出复合管型特种实体热电偶、铝液与铜水连续测温用热电偶，在引进的连续渗碳炉、铝铜连轧生产线上应用，取得良好效果，其使用寿命提高50倍，博得用户好评。几年来的实践表明，作者开发的新型温度传感器，不仅可以替代进口设备中的温度传感器，节约大量外汇；还可以走向世界，进入国际市场。