CN102156003B - 热电偶总成和制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是用于连续测量熔化金属温度的热电偶总成(10)以及此种热电偶总成的制造工艺。热电偶总成(10)当中的热电偶(5)放在封闭套管(2)当中，该封闭套管又插入采用耐火材料制造的外壳(4)的挖空部分当中。其特征在于：套管(2)与外壳(4)之间放置熔点或软化点位于热电偶总成(10)的使用温度范围内、并且其数量足够在热作用下对气体形成密封阻隔的材料所制成的粉末或熔块(11)。

Description

热电偶总成和制造工艺

技术领域

本发明的第一方面涉及的是用于连续测量熔化金属温度的热电偶总成以及此类热电偶的制造工艺，尤其是盛放在冶金容器(比如连续熔铸的固定分配器)中的熔化金属的温度。熔化金属可以是液体钢等含铁金属或者是铝等非含铁金属。在使用热电偶总成时通常将其浸入冶金容器中。被测温度取决于应用范围和熔化金属的性质。比如，液体钢的被测温度通常在1400至1600℃之间。

背景技术

连续测量温度，尤其对于持续熔铸金属的工序来说，是一项重要的工具，它可以使熔化金属在冶金容器之间的转移处于最佳状态，尤其是能够降低成本和提高熔铸金属的质量。

通过US 4984904文件，我们了解了一种借助热电偶连续测量熔化金属温度的设备，这种设备将热电偶插入一个采用氧化铝/石墨制造的保护外壳。

由于熔化金属的温度很高，我们通常采用铂-铂/铑合金制造热电偶。众所周知，如果被暴露在还原环境或者金属、碳、硅或类似的蒸汽环境当中，铂-铂/铑合金热电偶将很快损坏。铂-铂/铑合金与这些物质发生的反应会造成热电偶提前失灵。硅成分主要来源于氧化铝/石墨制造的保护外壳。

根据US 4984904文件，还应当在热电偶元件外围采用另外的保护壳对热电偶元件的电线进行保护，避免其受到有害环境的损伤，这种壳采用高气密性陶瓷、尤其是富含氧化铝的材料制造。并且，应当在氧化铝/石墨制造的保护外壳与陶瓷质保护内壳之间放置电绝缘粉末，比如氧化铝粉末。在此情况下，最好使用纯净度极高的粉末，以避免存在碳或硅等污染成分。粉末主要用于支撑或固定热电偶元件，同时便于在使用之后将热电偶元件抽出。

US 4984904文件还叙述了一种测量温度的设备，其制造特点在于：热电偶元件可方便的与保护外壳分离，以便于更换热电偶或保护外壳，避免损坏热电偶，并且可以重复使用热电偶。

我们发现，尽管密封外壳是采用富含氧化铝的材料制造的，还是存在问题。常用的解决办法是添加第二个或第三个采用富含氧化铝材料的制造的密封外壳，有时还采用金属、尤其是密封性极好的钼制造的外壳。

US 5071258文件涉及的此类热电偶总成的组成如下：

-一对配备热电偶接头、置于封闭绝缘外壳内部的电线；

-一个采用陶瓷材料制造的封闭外壳；

-一个采用钼制造的封闭外壳，以及

-一个采用耐火材料、尤其是氧化铝/石墨制造的外壳。

绝缘外壳和陶瓷外壳均采用密封材料、尤其是富含氧化铝的材料制造。

US 5071258文件所述的热电偶总成在设计时应当注意在铂-铂/铑合金的热电偶元件周围创造一个氧化环境，同时控制氧气和钼的接触。

氧化环境的作用在于当有碳和硅存在时，避免发生以下反应：SiO₂+2C+xPt→Pt_XSi+2CO，此反应可能引起热电偶损坏。必须避免氧气和钼的接触，因为从理论上来说，氧气可与钼发生反应，产生对熔化金属温度造成极大影响的气体，熔化金属会因此变得浓稠，并且凝固在热电偶的电线上，使得热电偶的测量发生偏差。

因此，在采用耐火材料制造的外壳与封闭内壳之间应当放置高纯度的耐火粉末，以便在避免大气中的氧气接触钼外壳的同时，使得大气中的氧气进入采用耐火材料制造的外壳当中和绝缘外壳当中。

US 5361825文件涉及的是位于塞杆一端的隆起部分上的热电偶。这种塞杆用于精确测量通过熔铸孔离开冶金容器的熔化金属的温度。在实际操作当中，由于热电偶的成本很高，通常在一个塞杆使用寿命结束后，会将热电偶取下，安装到一个新的塞杆上。这种操作非常精细，因为很容易使热电偶损坏或失灵，并且极高的环境温度对于操作人员也十分危险。

通常来说，热电偶总成因为组成复杂，并且采用的必要材料成本昂贵，其价格很高。热电偶的密封性是借助富含氧化铝的材料等高价材料制造的多个密封层所达到的，但是即使如此也有不足。如果采用金属(比如钼)制造密封层，会产生前文所述的缺陷。由于热电偶总成的价格很高，因此都会设计尽可能长的使用寿命或者简易的拆卸装置，以实现一个或多个热电偶总成元件的重复使用。

因此，我们需要的是一种没有前文所述的缺陷、并且成本较低的热电偶总成，尤其是能够保护热电偶元件不受有害环境影响、并且在其外部耐火元件使用寿命到期时能够报废的热电偶总成。

发明内容

本发明涉及的是用于测量熔化金属温度的热电偶总成，它包括一个一端封闭的套管，一个包含一对伸入上述套管内部的电线以及配有热电偶接头、靠近套管封闭一端的电线的热电偶，一个采用耐火材料制造、包含一块挖空部分以便插入套管的外壳。本发明所述的总成的特征在于：套管与外壳之间放置熔点或软化点位于热电偶总成的使用温度范围内、并且其数量足够在热作用下对气体形成密封阻隔的材料所制成的粉末或熔块。

填料及其特性，尤其是其软化点或熔点，均应当按照应用范围和使用温度进行选择。比如，铝熔铸所需填料的熔点应当低于液体钢连续熔铸所需填料的熔点。

热电偶通常采用铂-铂/铑合金制造，可与被测熔化金属温度兼容。

封闭套管最好采用陶瓷、尤其是富含氧化铝的材料制造。制造套管的材料最好具有气密性，材料密封性越好，热电偶元件就越受保护。必要时，封闭套管外层可以刷上一层釉或水泥，以增强其密封性。封闭套管可以包含一个两端开口的套管和一个封闭套管一端的塞子。也可以对封闭套管作其他设计。

作为本发明的一个变种，对于一些复杂的应用范围，可以在第一个封闭套管外部加上另一个封闭套管。也可以在套管的封闭一端下方放置一个采用铂和铑制造的损耗元件，用于在发生系统失灵时，在热电偶的电线之前先进行反应。外壳可以是一个耐火零件，也可以是一个耐火零件的总成，它包含一块挖空部分以便将热电偶插入。

外壳应当采用导热材料制造，以便在外壳浸入熔化金属中时读取热电偶上的温度。外壳采用耐火材料制造，最好是碳含量为25％至55％、石墨含量为20％至40％且最好为25％至35％的氧化铝/石墨质材料。

能够形成密封阻隔的填料可以为多种形式：粉末、熔块、乳膏、溶液甚至是泥浆。填料的成分应该能使热电偶总成发生热反应，填料应当能在外壳挖空部分的内壁与套管之间形成一个或多个密封层或玻璃质层，其层数应当足够防止气体接触热电偶，从而对气体形成密封阻隔。重要的是应当至少在热电偶接头的区域形成这种阻隔。密封阻隔能够避免SiO(g)进入和穿过陶瓷外壳进行扩散，并且污染铂-铂/铑热电偶元件。

填料包含最低量的耐火材料(比如硅、氧化镁、氧化锆或氧化铝)以及一种或多种助熔剂(比如三氧化二硼、超氧化锂、氧化钠)。耐火材料的数量应当至少为填料重量的35％。实际上，如果耐火材料的数量太少，填料主要由助熔剂组成，则填料在热电偶总成的使用温度下将会太稀，无法形成有效的密封阻隔。并且，助燃剂可能对保护外壳本身造成腐蚀。耐火材料最好采用硅，因为硅可以很容易的与其他成分共同形成玻璃质层，并且价格不高。也可以采用氧化镁等其他材料。但是，其他材料价格较高，并且由于他们耐火性强，因此助熔剂可能在与耐火材料反应的同时，更容易与氧化铝质的外壳反应。

本发明尤其适用于期望将热电偶配备在塞杆上的情况。采用耐火材料制造的外壳包含一块挖空部分以便插入套管，也就是塞杆本身。挖空部分可以位于塞杆的中轴线上，或者是塞杆偏心的(隆起)部分上。能够在热作用下形成密封阻隔的填料放置在包裹热电偶的封闭套管与塞杆主体之间。在热作用下，填料形成足够的密封层或玻璃质层，以便对气体产生密封阻隔。

本发明所述的热电偶总成的成本低于技术状态的总成。在外壳使用寿命结束时，可将热电偶总成报废。这种热电偶总成尤其适合于总成/塞杆类产品，因为熔化金属的连续熔铸工序结束后或者塞杆的使用寿命结束后，可将总成报废。

如果期望对热电偶总成进行再利用，则形成密封阻隔的填料还有另一项优势：密封层或玻璃质层在冷却和凝固时可以起到将热电偶固定在套管上的作用，由此而避免热电偶的损坏或破碎。在这两种情况下，无需对热电偶进行任何操作。

另一项发明是前文所述热电偶总成的制造工艺。这项制造工艺涉及的热电偶总成用于测量熔化金属的温度，它包括一个一端封闭的套管，一个包含一对伸入上述套管内部的电线以及配有热电偶接头、靠近套管封闭一端的电线的热电偶，一个采用耐火材料制造、包含一块挖空部分以便插入套管的外壳，其特征在于：套管与外壳之间放置熔点或软化点位于热电偶总成的使用温度范围内、并且其数量足够在热作用下对气体形成密封阻隔的材料所制成的粉末或熔块。然后对热电偶总成进行热处理，以便对气体形成密封阻隔。热处理的温度至少等于上述填料的软化点或熔点温度。热处理的时间和温度取决于应用范围、使用温度和上述填料的性质。

热处理可以在总成投入使用之前进行。不过最好是在热电偶总成预热或者总成投入使用时进行。预热可以在浸入总成的冶金容器旁边进行，也可以在容器预热的同时在容器中进行。

附图说明

本发明的其他特点和优势参见下文的详细说明和附图：

图1示出了技术状态的热电偶总成；

图2示出了技术状态的热电偶和封闭绝缘外壳内部的详细情况；

图3示出了根据本发明制造的热电偶总成的内部情况；

图4示出了根据本发明制造、并且采用了第二个封闭套管的热电偶总成的内部情况；

图5示出了本发明中耐火外壳为塞杆的制造方法；

具体实施方式

图1示出了技术状态的热电偶总成(1)。热电偶在图中没有画出，它位于采用富含氧化铝的耐火材料制造的绝缘套管(2)当中，套管外面是钼质外壳(3)，钼质外壳外面是采用氧化铝/石墨质防火材料制造的外壳(4)。

图2示出了铂-铂/铑热电偶(5)和绝缘套管(2)。热电偶包含一对伸入绝缘套管(2)内部的电线(6)，以及热电偶接头(7)，热电偶接头(7)配备在电线(6)靠近套管(2)封闭一端的一端上。绝缘套管(2)由两端开口的套管(8)以及封闭套管下端的塞子(9)组成。

图3示出了本发明所述的热电偶总成(10)。铂-铂/铑热电偶(5)位于采用富含氧化铝的材料制造的封闭套管(2)内部，整个套管位于采用氧化铝/石墨质耐火材料制造的外壳(4)当中。封闭套管(2)和外壳(4)之间放置能够形成密封阻隔的填料(11)。

图4示出了本发明所述的另一种热电偶总成(10)，这种总成在第一个套管(2)外面加了第二个封闭套管(12)，适用于期望实现总成(10)再利用的复杂的应用范围或者是期望获得较长的热电偶(5)使用寿命的情况。可以将采用铂和铑制造的耗损元件(13)放在套管(2、12)封闭一端的下方。

图5示出了塞杆元件(14)。作为外壳(4)的塞杆元件(14)通常采用氧化铝/石墨制造。封闭套管(2)和热电偶(5)插入塞杆(4)隆起部位的挖空部分当中。塞杆(14)挖空部分的内壁与套管(2)之间放置能够对气体形成封闭阻隔的填料(11)。

实施例1

我们采用一个用氧化铝/石墨质耐火材料(石墨的重量约占30％)制造的、包含一块挖空部分的外壳。铂-铂/铑热电偶的电线位于采用富含氧化铝的材料制造的绝缘套管当中。我们将套管的一端连接在热电偶接头上，并用一个同样为富含氧化铝的材料制造的塞子封闭套管。我们将外部套有套管的热电偶放入采用耐火材料制造的外壳当中，在外壳和套管之间放置混合硅和氧化铁的粉末。该混合粉末的成分和特征如下：

二氧化硅占重量的66％至70％

三氧化二铁占重量的29％至32％

三氧化二铝占重量的0.3％至0.7％

火损耗占重量的0.2％至0.4％

根据粒度测定，粉末中占重量95％的颗粒的平均直径小于0.5毫米，最多占重量2％的颗粒的平均直径大于1.0毫米。

这样制造的总成将在零件预热和使用时进行1200℃的热处理，在此期间，粉末开始熔化，并且形成气密性玻璃质层。粉末迅速转化成为浆糊，占据外壳挖空部分的内壁与套管之间的空间。这种浆糊对气体形成密封阻隔，避免外壳中的气体在使用热电偶总成时接触热电偶。

在使用之后，填料冷却，但保持浆糊的形态并形成玻璃质层。套管被固定在外壳上，以方便操作，避免对总成造成损坏，并且总成可被再利用。

实施例2

我们将实施例1中的热电偶和套插入氧化铝/石墨质塞杆的挖空部分当中，在塞杆和套管之间放置成分如下的熔块：

在塞杆预热时，粉末转化成为气密性的浆糊，以保护热电偶不受化学腐蚀。

附注

1技术状态的热电偶总成

2封闭套管

3钼管

4外壳

5热电偶

6铂线，铂铑合金线

7热电偶接头

8开口套管

9塞子

10本发明涉及的热电偶总成

11粉末

12另外的封闭套管

13耗损元件

14塞杆

Claims (13)

1.用于测量熔化金属温度的热电偶总成(10)，组成如下：

一个一端封闭的第一套管(2)；

一个热电偶(5)，它包括一对伸入上述套管(2)内部的电线(6)，以及热电偶接头(7)，热电偶接头(7)配备在电线(6)的靠近第一套管(2)封闭一端的一端上，

一个外壳(4)，采用耐火材料制造，包含一块挖空部分，以便插入第一套管，

其特征在于：所述第一套管(2)与外壳(4)之间放置熔点或软化点位于热电偶总成(10)的使用温度范围内、并且其数量足够在热作用下对气体形成密封阻隔的材料所制成的填料(11)，所述填料(11)中包含超过30％的耐火材料和至少一种助熔剂。

2.权利要求1所述的热电偶总成(10)，其特征在于：所述填料(11)中的耐火材料是硅。

3.权利要求1所述的热电偶总成(10)，其特征在于：总成(10)至少包含包裹所述第一套管(2)的第二套管(12)。

4.权利要求3所述的热电偶总成(10)，其特征在于：所述第一和第二套管(2、12)采用富含氧化铝的材料制造。

5.权利要求1所述的热电偶总成(10)，其特征在于：外壳(4)采用石墨重量占20％至40％的材料制造。

6.权利要求5所述的热电偶总成(10)，其特征在于：外壳(4)采用石墨重量占25％至35％的材料制造。

7.权利要求1所述的热电偶总成(10)，其特征在于：所述第一套管(2)包括一个两端开口的套管(8)和一个用于封闭所述套管(8)一端的塞子(9)。

8.权利要求1所述的热电偶总成(10)，其特征在于：在热作用下，气体的密封阻隔处于外壳(4)的挖空部分和所述第一套管(2)之间、至少与热电偶接头(7)平齐的位置。

9.权利要求8所述的热电偶总成(10)，其特征在于：气体的密封阻隔由多个玻璃质层组成。

10.权利要求1所述的热电偶总成(10)，其特征在于：总成(10)是一个塞杆(14)。

11.根据权利要求1至10中任意一条所述的热电偶总成的制造工艺，所述热电偶总成用于测量熔化金属的温度，它的组成如下：

一个一端封闭的所述第一套管(2)；

一个热电偶(5)，它包括一对伸入上述所述第一套管(2)内部的电线(6)，以及热电偶接头(7)，热电偶接头(7)配备在电线(6)靠近第一套管(2)封闭一端的一端上，

一个外壳(4)，采用耐火材料制造，包含一块挖空部分，以便插入所述第一套管(2)，

其特征在于：

所述第一套管(2)与外壳(4)之间放置熔点或软化点位于热电偶总成(10)的使用温度范围内、并且其数量足够在热作用下对气体形成密封阻隔的材料所制成的填料(11)，并且

热电偶总成(10)经过热处理，其温度至少等于对气体形成密封阻隔的上述填料(11)的软化点或熔点温度。

12.权利要求11所述的制造工艺，其特征在于：在热电偶总成(10)预热时进行热处理。

13.权利要求11所述的制造工艺，其特征在于：在热电偶总成(10)投入使用时进行热处理。

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