聊一聊：真空炉专用热电偶分类、选择及进口热电偶的国产 ...

xubin · 发表于 2022-5-30 11:13:29

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　　随着科学技术的发展，真空冶金及热处理技术已广泛应用于生产及科研领域等许多部门。某些高技术设备，必须以真空技术作为手段，才能实现其高技术指标。许多传统的工业领域，只有依据真空技术，才有可能使产品性能大幅度提高。

　　为了实现真空冶金及热处理行业的精确生产及优质高效的整体战略目标，温度的准确测量及控制显得尤为重要。作为真空冶金及热处理的温度传感器，真空炉专用热电偶则成为关键部件。

　　真空炉专用热电偶的选择

　　● 热电偶材料应为热传导性能良好, 表面发射率高和高温真空下放气少的材料;

　　● 热电偶热响应时间快;

　　● 保证在真空系统中压升率满足≤0.4Pa/h要求;

　　● 严格密封,保证在真空下无渗漏,即使保护管断裂,也不会影响系统真空度;

　　● 对感应炉必须解决交变电磁场对测温的干扰:

　　● 法兰连接必须符合GB/T6071- 2003 和GB/T6070- 1995 超高真空、真空下法兰标准。

　　● 热电偶与炉体用管螺纹应选用一般密封管螺纹。

　　真空炉测温准确度的影响因素

　　● 真空度：在真空条件下，几乎无对流传热，主要依靠辐射传热。当真空度很高时，在线测温系统的结果往往偏低，即仪表显示的温度要低于真空炉内的实际温度，有时可达几十度。如向体系充Ar气加强对流传热，可减小此偏差。

　　● 发射率：当真空炉处于高温状态下，材料的发射率对测量结果的影响尤为显著。由于陶瓷管的发射率较金属保护管低，因此，测量结果将比在同等条件下的金属管测温偏低。而炉温均匀性测试多采用铠装热电偶，控制系统多采用陶瓷管保护的热电偶。两者测量结果受保护管发射率的影响是不可忽视的。

　　● 热导率：在低温状态下，材料的热导率对温度的测量结果影响较大。因此，采用金属或合金保护管的热电偶，因其热传导引起的热损失大，故比陶瓷保护管热电偶测温系统示值偏低。

　　● 热响应时间：当温度出现阶跃变化时，热电偶的输出变化相当于该阶跃变化的某个规定百分数所需的时间，为热响应时间。热响应时间的快慢主要取决于热电偶的结构与测量条件，差别极大，对于气体介质，尤其是静止气体，至少应保持30min以上才能达到热平衡。对于液态介质，最快也要5min以上。

　　● 热电偶插入深度：热电偶插入真空炉内，沿着保护管长度方向将产生热流，因此由热传导引起的误差与插入深度有关，而插入深度又与保护管材质有关：

　　① 金属保护管的导热性好，插入深度要深一些，应为保护管直径的15～20倍。

　　② 陶瓷保护管的绝热性好，插入深度可浅一些，应为保护管直径的10～15倍。

　　对于工程测温，其插入深度还与被测对象是静止或流动等状态有关。如流动的液体或高速气流的温度测量将不受上述限制。然而，对于真空体系，影响将更大一些。

　　● 补偿导线：热电偶补偿导线对测温系统的影响是不可忽视的。特别是当S型补偿导线参考端温度较高时，将引起很大误差。

　　真空炉专用热电偶的分类

　　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。

　　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。

　　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。t＜1260℃，不建议选用贵金属热电偶；当t＞1280℃的真空条件下，不建议用S型裸偶；当温度精度在±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。

　　? 复合管型真空炉专用热电偶

　　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。

　　真空炉专用热电偶的安装，主要采用法兰或螺纹连接或固定，真空防漏主要采用胶圈、密封螺纹、法兰及有机胶等。

　　? 热电偶结构与安装

　　真空炉用转接法兰的型式分为：①普通的板式平焊法兰是最常用的一种法兰，可以做到500mm大法兰；②KF快速连接器适用于低、中、高真空管路，其公称通径为10至40mm，用O型橡胶密封圈的夹紧型真空快卸法兰。③超高真空法兰（CF法兰），适用于超高真空系统中公称通径为16mm～250mm用铜垫密封的不锈钢法兰及铜密封垫。

　　? 左：KF法兰，右：CF法兰

　　真空炉用转接法兰密封方式有四种：

　　■ 焊接：用铠装电缆与法兰焊接（简单实用）；

　　■ 用有机胶固化密封（一般不单独应用）；

　　■ 可拆解式氟胶圈密封（实用性）；

　　■ 利用已有的真空插件连接过渡（较贵）。

　　? 由东大传感生产的真空炉用转接法兰

　　进口热电偶国产化

　　行业对于热电偶的需求，促使国内出现了一些热电偶制造商，走在不断研发与产品创新的道路上，实现进口热电偶的国产化。沈阳东大传感技术有限公司就是在引进、消化吸收发达国家真空炉专用热电偶的基础上，研制出多种真空炉专用热电偶：

　　■ 真空冶金过程中钢水温度测量：采用MCPT-3型金属陶瓷保护的真空炉专用热电偶。

　　■ 超高真空专用密封式热电偶：采用单层或双层实体化结构的钨铼热电偶，并严格密封。可满足中科院科学仪器中心超高真空度（10-5pa）的要求，其单价仅为铂铑热电偶的1/5，进口真空炉专用热电偶的1/4。

　　? 超高真空专用密封式热电偶

　　■ 超高压烧结炉与气淬炉专用热电偶：目前超高压烧结炉的压力已增至15Mpa，该设备所用热电偶以前主要靠进口，不仅价格昂贵，而且周期长，急需国产化。沈阳东大传感技术有限公司相继解决了保护管的开发，螺纹焊接，钨铼热电偶分散性及密封等关键技术。10-15Mpa的超高压用热电偶已批量生产，成功代替进口。

　　? 超高压烧结炉专用热电偶

　　由王魁汉团队开发的国产防氧化钨铼热电偶经鉴定测量精度达到了国际水平，先后在沈阳真空技术研究所及塞尔公司等真空炉应用。

　　■ 带有校准孔的廉金属热电偶：该种热电偶既可用于对炉温的测量与控制，又可在需要进行校准时，提供校温孔。而且，标准与被校热电偶的测量端间距离小于5mm。现已在Ipsen工业炉、丰东股份等诸多单位应用。

　　? 带有校准孔的廉金属热电偶

　　? 不可拆卸的贵金属热电偶

　　随着真空冶金及热处理技术的快速发展，国内对真空炉专用热电偶的需求量也逐年增加。与此同时，真空炉制造企业及用户不断追求产品的高性能、高质量，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。

　　国产真空炉专用热电偶的测量精度已达到国际标准，部分热电偶的使用寿命与进口产品相当，但价格仅为进口的一半甚至更多。在保证温度量值准确可靠的前提下，使用国产热电偶可降低生产成本，有利于我国冶金制造行业的快速健康发展。

　　东大传感简介

　　沈阳东大传感技术有限公司，创始人是国家温度传感器领域资深专家王魁汉教授，多次参与国家标准、行业标准编制。公司以热力学、传热学及物理化学理论作指导，结合教授40多年的实际工作经验，为航天航空、大院大所及真空企业量身专属定制高端温度传感器及其测温系统。目前拥有7项发明专利、24项实用新型专利。

　　[1] 《真空炉专用热电偶及其选择》，来源：《真空》Vol. 51，No. 6，作者：王魁汉，黄明旭；

　　[2] 《真空冶金用新型温度传感器及测温系统的校准》，来源：《真空》Vol．41，No．3，作者：王魁汉，褚嘉宜，吴玉锋；

　　[3] 《真空系统专用温度传感器的开发与应用》，作者：王魁汉。

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