真空炉专用热电偶及其选择

　　简述在特定真空度下温度测量专用热电偶：廉金属、贵金属与难熔金属热电偶的特点、选择与应用，详细探讨工业钨铼热电偶的分类、真空炉专用热电偶的结构与安装，简介真空炉测温准确度的影响因素，进口热电偶国产化研究，结果表明：国产真空炉专用热电偶完全可以替代价格昂贵的进口热电偶。

1、前言

　　真空炉的共同特点是，在某一特定真空度下的温度测量。如期望热电偶准确可靠、使用寿命长，必须深入探讨真空环境下影响测温准确度的因素：真空度、发射率、热导率及热电偶的插入深度等。因此真空炉专用热电偶的选择尤为重要。

2、真空炉专用热电偶

　　2.1、热电偶的分类

　　国际标准化组织(ASTME344-08)将热电偶分为3 类。

　　①标准化廉金属热电偶；②标准化贵金属热电偶；③难熔金属热电偶，难熔金属热电偶的定义为：热电偶的单极材料熔点高于1935 ℃，且热电偶的两极必须是难熔金属或合金。

　　2.2、标准化廉金属热电偶

　　标准化廉金属热电偶有，T、J、E、K 及N 型。当真空炉的工作温度低于1260 ℃时，可选用廉金属铠装热电偶，由于K 型热电偶高温稳定性欠佳，在1300 ℃以下推荐使用N 型铠装热电偶，可部分替代S 型热电偶。

　　1)镍铬硅- 镍硅镁热电偶(N 型)的特点

　　①高温抗氧化能力强，长期稳定性好；

　　②在250~500 ℃范围内短期热循环稳定性好，并抑制磁性转变，热电动势无明显变化；

　　③ 在400~1300 ℃范围内，N 型热电偶热电特性的线性度比K 型好。

　　2)N 型热电偶替代S 型热电偶

　　用N 型热电偶替代S 型热电偶，测量多用炉发热体的温度(1180 ℃)。自2008 年起5 年间，

　　我公司共为Ipsen 公司提供496 支N 型热电偶替代S 型热电偶，合计为该公司节约174 万元。以2012 年为例，该公司采用N 型热电偶49 支，S型热电偶仅4 支，说明用N 型热电偶替代S 型热电偶已超过90%，经济效益极其显著。

　　3)铠装热电偶的选择

　　耐用型热电偶分为装配式和铠装式两大类。从节约金属材料、使用方便和降低热损失考虑，尽可能采用铠装热电偶。热电偶铠材主要有如下几种：

　　①中高温区铠材

　　我国中温区铠材主要是304、321 或1Cr18Ni9Ti，而高温区有310S、Inconel600、NiCr 合金。实验表明：在1000~1200 ℃温度范围，随着套管材料不同， 漂移量大小各异， 其规律为：NiCr<Inconel600<310S 漂移量的比值为0.75∶1∶5。

　　②新型高温铠装热电偶材料Nicrobell

　　这种合金是在Nicrosil 化学特性的基础上加入镁与铌元素，提高了合金的抗氧化能力与耐高温强度，用Nicrobell 合金制成新型铠装热电偶。用于丰东股份公司1200 ℃以上温区，取得良好效果。

　　2.3、标准化贵金属热电偶

　　标准化贵金属热电偶有S、R 及B 型。在1260~1750 ℃范围内，可选用贵金属热电偶。

　　1)t<1260 ℃，不建议选用贵金属热电偶有些真空炉企业在此温度范围内选用S 型热电偶及GH30 或39 作保护管，虽然保护管的强度高，不易损坏，但是，高温下镍基合金将污染S型热电偶而引起误差。目前已逐渐改用特种高温铠装热电偶，既经济又实惠，颇受欢迎。

　　2) 当t>1280 ℃的真空条件下，不建议用S型裸偶

　　①军工或航空认证企业，对炉温均匀性测试精度要求很高当t>1280 ℃时多采用S 型裸偶，但贵金属裸丝强度很低，为此作者研制出弥散强化S 型热电偶。经北京航空材料院用于t>1300 ℃的真空热处理炉温均匀性测试，结果表明：使用寿命在5 炉以上，而普通S 型裸偶的使用寿仅一炉，寿命显著提高。

　　②在真空条件下用S 型裸偶的弊端

　　在真空条件下采用S 型裸偶丝将被污染，其次，在真空环境中，S 型裸偶正极中的铑挥发至负极。将原来的单铂铑变成双铂铑热电偶，产生较大的负偏差。作者曾对1 支在真空条件下使用后的S 型裸偶进行校准，结果表明：在1200 ℃偏低90 ℃(检测结果如图1 所示)，由图可以看出，随着温度升高误差也相应增大，几乎呈一直线。说明合金成分已经改变。

图1 S 型裸偶在真空条件下使用后的检测结果

　　③建议将S 型改成B 型裸偶

　　在真空条件下，正极的铑必然要挥发，当铑沉积在S 型负极纯铂上，则变成铂铑合金热电偶，将产生如上所述的负偏差。如果改用B 型裸偶，虽然高温下铑仍然要挥发，但铑沉积在B 型热电偶的负极为含Rh6%的Pt-Rh 合金，对负极成分的影响可忽略。其使用寿命要远大于S 型热电偶。

　　④t>1260 ℃，贵金属热电偶应选用陶瓷管

　　为了防止金属或合金对对贵金属热电偶的沾污。建议选用刚玉保护管，尤其是B 型热电偶的使用温度高，更应注意选用纯度高，清洁的刚玉管。为了提高热电偶的强度，防止陶瓷保护管破损，可采用金属与陶瓷复合管，即有意延长热电偶夹持管的长度。该种结构的热电偶兼有陶瓷与金属保护管两者的优点。其结构看起来简单，如果机械模仿肯定失败。原因是密封不严而漏气，不能用于真空炉。作者研发的此种复合管型真空炉专用热电偶，经沈阳黎明公司使用证明完全可以替代进口热电偶(图2)。

图2 复合管型真空炉专用热电偶

　　3)在1260～1750℃范围

　　①精度要求高，选用贵金属热电偶在此温度范围内，如果测温精度高(0.5%t以上) 或要求稳定可靠，则应选择贵金属热电偶，如果工作温度达1800 ℃，应选用非标准化铂铑40- 铂铑20 热电偶。在此温度范围内，如果热电偶是垂直安装是可行的。但是，当t≥1600 ℃时，如果热电偶水平安装，在高温下，将因悬臂重量作用而发生弯曲。如采用难熔金属与刚玉复合管结构，可有效防止高温下保护管弯曲变形。

　　②当测温精度在±1%t 或t>1800 ℃时，选用钨铼热电偶，其特点是：

　　△热电极熔点高(3300 ℃)，强度大，使用温度高达2500 ℃；

　　△热电动势大、灵敏度高、热电动势为B 型热电偶的三倍；

　　△极易氧化；

　　△价格便宜，仅为S 型热电偶的1/5。

　　随着航空、航天、核能等尖端科技领域的发展以及替代贵金属热电偶，降低成本的刚性要求，钨铼热电偶的应用前景极其诱人。

5、结语

　　在市场经济条件下，真空炉制造企业及用户，不断地追求产品的高性能、高质量。因此，对真空炉内温度的精准测量的要求也越来越高，期望热电偶的使用寿命越来越长，因此，除仪表厂提高产品质量外，用户能够依据使用环境、气氛、温度、安装方式等，合理选择真空炉专用热电偶，也是绝不可忽视的重要方面。为此，总结自身40多年经验，供读者选择参考。实践证明，拥有自主知识产权的国产真空炉专用热电偶，完全可以替代价格昂贵的进口热电偶。