專利名稱:碳化硅再結(jié)晶熱電偶保護管的制作方法
本實用新型涉及一種用于熱電偶測溫時起保護作用的外套管。
傳統(tǒng)的熱電偶保護管一般有氧化物(如氧化鋁)質(zhì)、陶瓷質(zhì)和粘土結(jié)合的碳化硅質(zhì)套管。套管的一端封閉，另一端有供熱電偶插入的開孔。這類保護管自美國在50～70年代首先采用，之后又有蘇聯(lián)、日本、西歐等許多國家廣泛使用，我國亦有不少廠家在使用。近年來，在有色、稀土、黑色冶金以及建材、化工等工業(yè)領(lǐng)域，各種新型高溫窯爐相繼出現(xiàn)。由于高溫窯爐的工作條件惡劣，溫度高、腐蝕性強、內(nèi)部火焰及煙塵的沖刷大，因而便對熱電偶保護管提出了更高的要求，它必須具備耐高溫、抗氧化、抗腐蝕并具備有高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，尤其是優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能(耐急冷急熱性)等。
氧化鋁(Al2O3)質(zhì)保護管具有很高的耐火度和高溫結(jié)構(gòu)強度，能夠在1600℃高溫下使用，但由于該制品中存有雜質(zhì)相，系統(tǒng)內(nèi)熱膨脹系數(shù)不均勻，影響導(dǎo)熱性能，導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性差，故在高溫惡劣環(huán)境中不能單獨使用。
添加入粘土結(jié)合劑的碳化硅套管做為一種致密材料，其熱穩(wěn)定性能較氧化鋁制品優(yōu)異，且具有較高的抗氧化能力，但它有一個致命的弱點，從性能上講，它只適合使用在1250℃以下的溫區(qū)，當(dāng)該產(chǎn)品在1300℃以上的溫區(qū)使用時，產(chǎn)品中的粘土成份與碳化硅發(fā)生分解反應(yīng)。反應(yīng)方程
反應(yīng)結(jié)果，由固相粘土(Al2O3·2SiO2)和碳化硅物質(zhì)生成兩種氣相物質(zhì)一氧化硅和一氧化碳及一種固相物質(zhì)氧化鋁。所以其耐高溫性能和高溫結(jié)構(gòu)強度等都受到嚴(yán)重影響。雖然產(chǎn)生了新的氧化鋁相，但由于反應(yīng)過程中兩種氣相物質(zhì)逸出作用的結(jié)果，導(dǎo)致氧化鋁疏松的組織結(jié)構(gòu)；這種組織狀況高溫度強度較差。所以分解后的產(chǎn)品既經(jīng)不起強大氣流的沖擊，也耐不了急冷急熱變化的破壞作用，因此上述反應(yīng)的必然結(jié)果是導(dǎo)致粘土結(jié)合的碳化硅熱電偶保護管的壽命大幅度縮短。另外粘土結(jié)合的碳化硅材料還有一個無法克服的弱點，就是高溫下粘土中的二氧化硅(SiO2)與碳化硅反應(yīng)生成硅和碳，這些殘留碳是引起制品黑芯的根源。黑芯的制品熱穩(wěn)定性能降低，又是粘土結(jié)合的碳化硅質(zhì)保護管性能低劣的另一個原因。
申請人:曾對一些使用傳統(tǒng)熱電偶保護管的單位進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于熱電偶保護管材料不得當(dāng)，致使雙鉑銠熱電偶損壞的數(shù)量相當(dāng)之大，且造成的經(jīng)濟損失也是相當(dāng)驚人的。如長治鋼鐵廠一軋、中型分廠使用剛玉管、高鋁管等材料制作的保護管，在幾天甚至幾小時內(nèi)便被燒壞，僅一個測溫點每年的浪費就逾萬元。白銀有色金屬公司前幾年使用粘土結(jié)合的碳化硅保護管，使用壽命最長的只有四天，該公司每年多用于熱電偶的使用費用達(dá)15～20萬元。這樣，就上述類型的有色和黑色冶金工業(yè)推算，由于熱電偶保護管問題未能很好解決所造成的經(jīng)濟損失就達(dá)2300萬元以上，若再加上其它行業(yè)的消耗，損失數(shù)字就更驚人。
本實用新型的任務(wù)是對已有技術(shù)在材料上加以改進(jìn)，進(jìn)一步提高保護管的耐高溫性和熱穩(wěn)定性等諸項性能指標(biāo)，以適合做高溫窯爐惡劣環(huán)境中的熱電偶保護，達(dá)到延長測溫?zé)犭娕际褂脡勖哪康摹?br>本實用新型的技術(shù)解決方案是這樣的采用再結(jié)晶的碳化硅質(zhì)材料做為熱電偶保護管的制造材料。它是以碳化硅為主要原料，加入適量的有機結(jié)合劑如聚乙稀醇、糊精、酚醛樹脂等，經(jīng)高溫擠壓成型，并經(jīng)預(yù)燒、燒成、涂敷及特殊熱處理等再結(jié)晶工藝方法制成的成份含量為97±2％的純碳化硅材料，碳化硅成份的晶型為α型碳化硅(α－SiC)約88～98％，β型碳化硅(β－SiC)約2～12％。
由于坯體內(nèi)部的高純度性并且不含無定形相，所以再結(jié)晶碳化硅原材料的導(dǎo)熱性能特別好。其熱導(dǎo)系數(shù)是氧化鋁材料和剛玉質(zhì)材料2～4倍。這種材料具有很低的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)做較粗略的計算時，其平均熱膨脹系數(shù)在25～1400℃溫區(qū)范圍內(nèi)可以取4.4×106／℃(同溫區(qū)內(nèi)剛玉的系數(shù)為7～8×106／℃)。正是因為再結(jié)晶碳化硅質(zhì)材料所具備的高的導(dǎo)熱性和小而均勻的熱膨脹系數(shù)的緣故，使其制品在加熱和冷卻過程中受到的熱應(yīng)力小。這也就是該保護管耐高溫性和熱穩(wěn)定性優(yōu)異的根源，除此之外，它還以高的強度，其中包括熱態(tài)時的強度著稱。
再結(jié)晶碳化硅質(zhì)材料的抗氧化性能，比起其它性能略有遜色。例如，在比較低的溫度下(約1000℃)就與氧反應(yīng)生成二氧化硅。一般講，溫度越高，氧化就越強烈，但也正是因為碳化硅氧化作用，在其晶粒上生成了一層二氧化硅薄膜，又防止了進(jìn)一步氧化。這一現(xiàn)象也使碳化硅材料的抗氧化性能得到一定限量的彌補。為了提高再結(jié)晶碳化硅熱電偶保護管的抗氧化能力，可以采取配方中增加細(xì)顆粒，提高成型壓力以及在配方中增加某些抗氧化材料(如硅鐵和氫氧化鋇)等措施予以彌補，同時還可以用高溫涂層方法對抗氧化性能加以補償?shù)取?br>此外，碳化硅是一種共價健化合物，這就決定了其化學(xué)穩(wěn)定性高。加之再結(jié)晶碳化硅的表面為二氧化硅薄膜所包圍，所以其高溫抗腐蝕性能強，特別在酸性介質(zhì)中更為突出。
據(jù)本實用新型申請人對該材料質(zhì)樣品所做的測試，其性能指標(biāo)為1.耐高溫性能長期使用溫度1300～1600℃(連續(xù)使用)，最高使用溫度(短期)1800℃。
2.耐急冷急熱性能1400℃至水冷三次不裂。
3.使用壽命1300～1500℃溫區(qū)內(nèi)連續(xù)使用不低于300小時。
以上性能皆優(yōu)于已有技術(shù)制品，說明用再結(jié)晶方法制得的碳化硅熱電偶保護管完全具備了在冶金、化工及硅酸鹽等行業(yè)高溫窯爐的惡劣環(huán)境下使用的條件。應(yīng)用該材料質(zhì)制品的意義不僅僅在于節(jié)約費用、減少浪費、降低成本，更重要的是使加熱爐的連續(xù)測溫能力得以延長，從而為自動控制和微機應(yīng)用等奠定了良好基礎(chǔ)。
附圖1為該保護管的縱向剖面圖，圖中1為套管，2為開孔端，3為封閉端。
權(quán)利要求
1.一種用于熱電偶測溫時起保護作用的外套管，管的一端封閉，另一端開口供熱電偶插入，其特征在于該管由再結(jié)晶的碳化硅(SiC)質(zhì)材料組成，其中碳化硅成份含量97±2%，其余為聚乙烯醇、糊精、酚醛樹脂等有機結(jié)合劑。
2.如權(quán)利要求
1所述的用于熱電偶測溫時起保護作用的外套管，其特征在于所述材料中碳化硅成份的晶型為α型碳化硅(α－SiC)約88～98％，β型碳化硅(β－SiC)約2～12％。
專利摘要
本實用新型涉及一種用于熱電偶測溫時起保護作用的外套管。由再結(jié)晶的碳化硅(SiC)質(zhì)材料組成，其中碳化硅成分含量97±2％，晶型為α型碳化硅(α—SiC)約88～98％，β型碳化硅( —SiC)約2～12％。具有耐高溫、耐腐蝕、熱傳導(dǎo)系數(shù)高和熱穩(wěn)定性能好等優(yōu)點，適于冶金、化工、硅酸鹽等行業(yè)高溫窯爐的惡劣環(huán)境下使用。
文檔編號G01K1/08GK87206878SQ87206878
公開日1988年1月20日 申請日期1987年4月23日
發(fā)明者國興杰, 劉琨 申請人:第五砂輪廠導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan