鎢錸熱電偶在連鑄中間包鋼水連續(xù)測溫中的應用

摘要：闡述了鎢-錸型(WRe3-WRe25)熱電偶用于煉鋼連鑄中間包鋼水連續(xù)測溫的實驗。采用外保護管與熱電偶分體組裝方式測溫.結果表明鎢錸偶采用填充固體細粉制成實芯偶，其壽命可達30h以上,外保護管壽命達8~10h,熱電偶壽命范圍內測量精度1%T.響應時間τ0.9≤90s.
0引言
　　連鑄中間包鋼水溫度測量是控制鑄機拉速，提高澆成率的-項重要監(jiān)測指標。在采用了中包等離子體加熱技術后，傳統(tǒng)的快偶點測方式已無法勝任，連續(xù)測溫勢在必行。鋼水連續(xù)測溫通常采用熱電偶作為溫度傳感器。由于直接接觸高溫鋼水。對熱電偶的外保護管性能、偶絲材質性能要求很高。因此連續(xù)測溫在鋼鐵行業(yè)一直屬于高投人高成本技術。
　　鎢錸型(WRc3-WRe25)熱電偶目前主要應用在1200~1400℃的各類窯爐測溫方面".按鎢錸偶的測溫特性,其熱電勢與溫度的線性范圍可延伸至2300℃,且在1500℃附近其熱電勢變化高于其他類型熱電偶。應用于鋼水測溫應是其優(yōu)勢所在,困難的是鎢錸絲必須工作在真空或還原性氣氛下以防氧化。通常將絲密封于氣密性良好的剛玉管內。而剛玉接觸鋼水則炸裂,故其外還必須用外保護管以隔絕鋼水。這樣多層套管封裝勢必大大延緩熱電偶溫度響應時間(τ0.63≥180s),用作中包測溫顯得時間過長，因此必須對現行鎢錸偶加以改進。
1鎢錸偶改進與外保護管研制
　　中包等離子體加熱技術可根據測溫信號調整加熱功率將鋼溫控制在士5℃以內。這要求溫度響應時間越短越好.國外已可作到τ0.9~120s內。同時，連測工作時間必須不少于8h,熱電偶耐急冷急熱次數不少于6次.本項研究工作主要圍繞這三項指標進行。
1.1鎢錸偶改進
　　現行鎢錸偶為抗氧化多采用真空封裝叫。這種方法以犧牲溫度響應時間τ來換取使用壽命的延長(50h~20個月以上)。分析表明，用填充細粉方式取代真空封裝可明顯改善導熱性能、縮短τ值.雖然熱電偶壽命會縮短，但只要超過30h,其成本是可以接受的。改進后的實測表明,在其他條件不變的情況下,實芯偶的τ值比真空偶減少近一半(圖1),而且通過優(yōu)化外保護管設計.τ值可控制在90s以內。

　　對不同的粉末對比實驗表明,粉末種類對τ值影響不大,對壽命影響亦不明顯，因此可選用低廉的AL2O3粉末作填充物.粉末的顆粒度對壽命有影響。顆粒過大,粒間殘留氣體較多，高溫下將使鎢錸絲過快氧化。實驗還表明,通過更換外保護管,鎢錸偶實際累計工作時間已超過30h,這證明填充細粉封裝是可行的.
1.2外保護管研制
　　外保護管的作用是隔絕鋼水對熱電偶及其內保護管的影響。它應在1500~1600℃高溫下能經受鋼水的沖擊和熔渣的侵蝕，因此必須具有良好的抗渣性能、抗熱震性能和導熱性能。耐火材料的抗熱震性能由熱震穩(wěn)定性表征，定義為由“1100℃/950℃=室溫流動水/強制對流空氣"循環(huán)若于次后熱端面積損失狀況或殘余抗折強度.數值上可由下式估算:

　　式中:σ為材料力學強度測定值，與加載速率σ有關;a為材料熱脹系數;v為材料泊松比;E為材料彈性模量,可由E=E0e^-ap計算;其中:p為汽孔率;E0為材料無缺陷時E值;a為常數.
　　鑒于實際應用情形，將熱震穩(wěn)定性規(guī)定為進出中包鋼水的次數.理論和實踐均表明,耐火材料制品的性能主要取決于其導熱系數λ.熱脹系數ɑ、E0和p(定義如前述).λ,p大,ɑ,E0小則熱震穩(wěn)定性好,但p大會使制品導熱性能、抗渣性下降。經綜合比較可知,石墨的綜合性能優(yōu)越,但純石墨制品在高溫鋼水中易被燒蝕;其次是SiC,其表面在高溫下可生成SiO2保護層阻止氧化向深層發(fā)展但SiC的E值較大,制品易碎;電熔剛玉的導熱性能雖低，但其抗渣性和熱震穩(wěn)定性均較優(yōu);ZrO2抗渣性最高，但導熱性最差,只可作為制品渣線部位復合材料。將前三種質料按比例配制成制品基料,經等靜壓成型后制成外保護管,經實驗其性能可滿足實用要求.在鋼水中累積浸泡時間最少可達8h,無裂紋，高的可達10h仍可使用;熱震穩(wěn)定性達10次以上.試驗還表明，外保護管壽命主要取決于渣線部位的侵蝕程度.當液面穩(wěn)定.澆鑄后期中包內熔渣較厚時，侵蝕變得嚴重,8h可深達7mm,通過在制品渣線部位復合ZrO2可延緩侵蝕過程.但ZrO2材質昂貴，且復合部位由于材料熱脹性能差別較大,高溫下易斷裂.一個簡單可行的辦法是改變插人深度，使侵蝕均布于一段范圍內,這在鋼液面波動較.大的場合尤為可行。
2實驗結果及分析
　　熱電偶與外保護管的組裝、測溫機構安排和測溫點選擇分別見圖2~圖4.測溫點取距包
底100mm,相當于正常液面下350~400mm。熱電偶冷端加罩以防止熱輻射造成冷端溫度過高，引起測量誤差.補償導線采用耐高溫型，精度士0.08mV.測溫儀表選用冶金部自動化院儀表所生產的智能型調節(jié)儀.上述測溫單元在馬鞍山第二煉鋼廠2#連鑄機上進行實測試驗,結果見圖5.


(1)連續(xù)測溫與現場點測溫度符合得較好,但前者更能細致地反映鋼水溫度的實時變化，如曲線上55~70min一段(CD段).
(2)液面波動對連續(xù)測溫影響較大.上述CD段實際上不僅包含了鋼液的自然溫降,而且也包含著由于液面降低帶來的測量誤差.文獻[2]給出測溫深度應不少于測溫棒直徑的10倍.在本試驗中相當于深度不少于350mm,否則熱電偶棒的縱向傳熱會導致測量端達不到平衡溫度，引起誤差.多次試驗表明:插人深度在300mm以上不影響測溫;在250~300mm之間,τ值增大,但仍可達到平衡溫度;深度不足250mm,則會引起測量誤差。2#連鑄機正常拉鋼時，中包鋼液面控制在距包底350~500mm之間，滿足測溫條件.但換大包之際，經常遇到新;包開包時間過長幾到十幾分鐘，中包內鋼水接續(xù)不上造成液面過低的情況,這時必然會造成鋼溫示值急劇下降的虛假現象.如果以此來調節(jié)等離子體加熱功率則會造成事故。因此,在應用等離子體加熱場合，穩(wěn)定液面與溫度測量一樣重要.二者具有相關性。
3結論
(1)填充式鎢錸熱電偶用于中包連續(xù)測溫是可行的.實測熱電偶系統(tǒng)的T值τ0.9≈90 s,測溫精度正常情況下主要由偶絲絲材精度決定,為1% T.
(2)外保護管使用壽命8~ 10 h,熱震穩(wěn)定性大于10次.
(3)連續(xù)測溫要求中包液面穩(wěn)定.