專利名稱：熱電偶總成和制造工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的第一方面涉及的是用于連續(xù)測量熔化金屬溫度的熱電偶總成以及此類熱電偶的制造工藝，尤其是盛放在冶金容器(比如連續(xù)熔鑄的固定分配器)中的熔化金屬的溫度。熔化金屬可以是液體鋼等含鐵金屬或者是鋁等非含鐵金屬。在使用熱電偶總成時通常將其浸入冶金容器中。被測溫度取決于應用范圍和熔化金屬的性質。比如，液體鋼的被測溫度通常在1400至1600°C之間。
背景技術：
連續(xù)測量溫度，尤其對于持續(xù)熔鑄金屬的工序來說，是一項重要的工具，它可以使熔化金屬在冶金容器之間的轉移處于最佳狀態(tài)，尤其是能夠降低成本和提高熔鑄金屬的質量。通過US 4 984 904文件，我們了解了一種借助熱電偶連續(xù)測量熔化金屬溫度的設備，這種設備將熱電偶插入一個采用氧化鋁/石墨制造的保護外殼。由于熔化金屬的溫度很高，我們通常采用鉬_鉬/銠合金制造熱電偶。眾所周知， 如果被暴露在還原環(huán)境或者金屬、碳、硅或類似的蒸汽環(huán)境當中，鉬_鉬/銠合金熱電偶將很快損壞。鉬-鉬/銠合金與這些物質發(fā)生的反應會造成熱電偶提前失靈。硅成分主要來源于氧化鋁/石墨制造的保護外殼。根據(jù)US 4 984 904文件，還應當在熱電偶元件外圍采用另外的保護殼對熱電偶元件的電線進行保護，避免其受到有害環(huán)境的損傷，這種殼采用高氣密性陶瓷、尤其是富含氧化鋁的材料制造。并且，應當在氧化鋁/石墨制造的保護外殼與陶瓷質保護內殼之間放置電絕緣粉末，比如氧化鋁粉末。在此情況下，最好使用純凈度極高的粉末，以避免存在碳或硅等污染成分。粉末主要用于支撐或固定熱電偶元件，同時便于在使用之后將熱電偶元件抽出。US 4 984 904文件還敘述了一種測量溫度的設備，其制造特點在于熱電偶元件可方便的與保護外殼分離，以便于更換熱電偶或保護外殼，避免損壞熱電偶，并且可以重復使用熱電偶。我們發(fā)現(xiàn)，盡管密封外殼是采用富含氧化鋁的材料制造的，還是存在問題。常用的解決辦法是添加第二個或第三個采用富含氧化鋁材料的制造的密封外殼，有時還采用金屬、尤其是密封性極好的鉬制造的外殼。US 5 071 258文件涉及的此類熱電偶總成的組成如下-一對配備熱電偶接頭、置于封閉絕緣外殼內部的電線；-一個采用陶瓷材料制造的封閉外殼；-一個采用鉬制造的封閉外殼，以及-一個采用耐火材料、尤其是氧化鋁/石墨制造的外殼。絕緣外殼和陶瓷外殼均采用密封材料、尤其是富含氧化鋁的材料制造。US 5 071 258文件所述的熱電偶總成在設計時應當注意在鉬-鉬/銠合金的熱電偶元件周圍創(chuàng)造一個氧化環(huán)境，同時控制氧氣和鉬的接觸。 氧化環(huán)境的作用在于當有碳和硅存在時，避免發(fā)生以下反應 Si02+2C+xPt — PtxSi+2C0，此反應可能引起熱電偶損壞。必須避免氧氣和鉬的接觸，因為從理論上來說，氧氣可與鉬發(fā)生反應，產(chǎn)生對熔化金屬溫度造成極大影響的氣體，熔化金屬會因此變得濃稠，并且凝固在熱電偶的電線上，使得熱電偶的測量發(fā)生偏差。因此，在采用耐火材料制造的外殼與封閉內殼之間應當放置高純度的耐火粉末， 以便在避免大氣中的氧氣接觸鉬外殼的同時，使得大氣中的氧氣進入采用耐火材料制造的外殼當中和絕緣外殼當中。US 5 361 825文件涉及的是位于塞桿一端的隆起部分上的熱電偶。這種塞桿用于精確測量通過熔鑄孔離開冶金容器的熔化金屬的溫度。在實際操作當中，由于熱電偶的成本很高，通常在一個塞桿使用壽命結束后，會將熱電偶取下，安裝到一個新的塞桿上。這種操作非常精細，因為很容易使熱電偶損壞或失靈，并且極高的環(huán)境溫度對于操作人員也十分危險。通常來說，熱電偶總成因為組成復雜，并且采用的必要材料成本昂貴，其價格很高。熱電偶的密封性是借助富含氧化鋁的材料等高價材料制造的多個密封層所達到的，但是即使如此也有不足。如果采用金屬(比如鉬)制造密封層，會產(chǎn)生前文所述的缺陷。由于熱電偶總成的價格很高，因此都會設計盡可能長的使用壽命或者簡易的拆卸裝置，以實現(xiàn)一個或多個熱電偶總成元件的重復使用。因此，我們需要的是一種沒有前文所述的缺陷、并且成本較低的熱電偶總成，尤其是能夠保護熱電偶元件不受有害環(huán)境影響、并且在其外部耐火元件使用壽命到期時能夠報廢的熱電偶總成。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及的是用于測量熔化金屬溫度的熱電偶總成，它包括一個一端封閉的管套，一個包含一對伸入上述管套內部的電線以及配有熱電偶接頭、靠近套管封閉一端的電線的熱電偶，一個采用耐火材料制造、包含一塊挖空部分以便插入套管的外殼。本發(fā)明所述的總成的特征在于套管與外殼之間放置熔點或軟化點位于熱電偶總成的使用溫度范圍內、并且其數(shù)量足夠在熱作用下對氣體形成密封阻隔的材料所制成的粉末或熔塊。填料及其特性，尤其是其軟化點或熔點，均應當按照應用范圍和使用溫度進行選擇。比如，鋁熔鑄所需填料的熔點應當?shù)陀谝后w鋼連續(xù)熔鑄所需填料的熔點。熱電偶通常采用鉬_鉬/銠合金制造，可與被測熔化金屬溫度兼容。封閉管套最好采用陶瓷、尤其是富含氧化鋁的材料制造。制造管套的材料最好具有氣密性，材料密封性越好，熱電偶元件就越受保護。必要時，封閉管套外層可以刷上一層釉或水泥，以增強其密封性。封閉管套可以包含一個兩端開口的管套和一個封閉管套一端的塞子。也可以對封閉管套作其他設計。作為本發(fā)明的一個變種，對于一些復雜的應用范圍，可以在第一個封閉管套外部加上另一個封閉管套。也可以在管套的封閉一端下方放置一個采用鉬和銠制造的損耗元件，用于在發(fā)生系統(tǒng)失靈時，在熱電偶的電線之前先進行反應。外殼可以是一個耐火零件， 也可以是一個耐火零件的總成，它包含一塊挖空部分以便將熱電偶插入。
外殼應當采用導熱材料制造，以便在外殼浸入熔化金屬中時讀取熱電偶上的溫度。外殼采用耐火材料制造，最好是碳含量為25 %至55 %、石墨含量為20 %至40 %且最好為25%至35%的氧化鋁/石墨質材料。
能夠形成密封阻隔的填料可以為多種形式粉末、熔塊、乳膏、溶液甚至是泥漿。填料的成分應該能使熱電偶總成發(fā)生熱反應，填料應當能在外殼挖空部分的內壁與管套之間形成一個或多個密封層或玻璃質層，其層數(shù)應當足夠防止氣體接觸熱電偶，從而對氣體形成密封阻隔。重要的是應當至少在熱電偶接頭的區(qū)域形成這種阻隔。密封阻隔能夠避免 SiO(g)進入和穿過陶瓷外殼進行擴散，并且污染鉬-鉬/銠熱電偶元件。填料包含最低量的耐火材料(比如硅、氧化鎂、氧化鋯或氧化鋁)以及一種或多種助熔劑(比如三氧化二硼、超氧化鋰、氧化鈉)。耐火材料的數(shù)量應當至少為填料重量的 35%。實際上，如果耐火材料的數(shù)量太少，填料主要由助熔劑組成，則填料在熱電偶總成的使用溫度下將會太稀，無法形成有效的密封阻隔。并且，助燃劑可能對保護外殼本身造成腐蝕。耐火材料最好采用硅，因為硅可以很容易的與其他成分共同形成玻璃質層，并且價格不高。也可以采用氧化鎂等其他材料。但是，其他材料價格較高，并且由于他們耐火性強，因此助熔劑可能在與耐火材料反應的同時，更容易與氧化鋁質的外殼反應。本發(fā)明尤其適用于期望將熱電偶配備在塞桿上的情況。采用耐火材料制造的外殼包含一塊挖空部分以便插入套管，也就是塞桿本身。挖空部分可以位于塞桿的中軸線上，或者是塞桿偏心的(隆起)部分上。能夠在熱作用下形成密封阻隔的填料放置在包裹熱電偶的封閉套管與塞桿主體之間。在熱作用下，填料形成足夠的密封層或玻璃質層，以便對氣體產(chǎn)生密封阻隔。本發(fā)明所述的熱電偶總成的成本低于技術狀態(tài)的總成。在外殼使用壽命結束時， 可將熱電偶總成報廢。這種熱電偶總成尤其適合于總成/塞桿類產(chǎn)品，因為熔化金屬的連續(xù)熔鑄工序結束后或者塞桿的使用壽命結束后，可將總成報廢。如果期望對熱電偶總成進行再利用，則形成密封阻隔的填料還有另一項優(yōu)勢密封層或玻璃質層在冷卻和凝固時可以起到將熱電偶固定在管套上的作用，由此而避免熱電偶的損壞或破碎。在這兩種情況下，無需對熱電偶進行任何操作。另一項發(fā)明是前文所述熱電偶總成的制造工藝。這項制造工藝涉及的熱電偶總成用于測量熔化金屬的溫度，它包括一個一端封閉的管套，一個包含一對伸入上述管套內部的電線以及配有熱電偶接頭、靠近套管封閉一端的電線的熱電偶，一個采用耐火材料制造、 包含一塊挖空部分以便插入套管的外殼，其特征在于套管與外殼之間放置熔點或軟化點位于熱電偶總成的使用溫度范圍內、并且其數(shù)量足夠在熱作用下對氣體形成密封阻隔的材料所制成的粉末或熔塊。然后對熱電偶總成進行熱處理，以便對氣體形成密封阻隔。熱處理的溫度至少等于上述填料的軟化點或熔點溫度。熱處理的時間和溫度取決于應用范圍、 使用溫度和上述填料的性質。熱處理可以在總成投入使用之前進行。不過最好是在熱電偶總成預熱或者總成投入使用時進行。預熱可以在浸入總成的冶金容器旁邊進行，也可以在容器預熱的同時在容器中進行。


本發(fā)明的其他特點和優(yōu)勢參見下文的詳細說明和附圖圖1示出了技術狀態(tài)的熱電偶總成；圖2示出了技術狀態(tài)的熱電偶和封閉絕緣外殼內部的詳細情況；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明制造的熱電偶總成的內部情況；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明制造、并且采用了第二個封閉套管的熱電偶總成的內部情況；

圖5示出了本發(fā)明中耐火外殼為塞桿的制造方法；
具體實施例方式圖1示出了技術狀態(tài)的熱電偶總成(1)。熱電偶在圖中沒有畫出，它位于采用富含氧化鋁的耐火材料制造的絕緣管套(2)當中，管套外面是鉬質外殼(3)，鉬質外殼外面是采用氧化鋁/石墨質防火材料制造的外殼(4)。圖2示出了鉬-鉬/銠熱電偶(5)和絕緣管套⑵。熱電偶包含一對伸入絕緣管套(2)內部的電線(6)，以及配有熱電偶接頭(7)、靠近套管(2)封閉一端的電線(6)。絕緣套管(2)由兩端開口的套管(8)以及封閉套管下端的塞子(9)組成。圖3示出了本發(fā)明所述的熱電偶總成(10)。鉬-鉬/銠熱電偶(5)位于采用富含氧化鋁的材料制造的封閉套管(2)內部，整個套管位于采用氧化鋁/石墨質耐火材料制造的外殼⑷當中。封閉套管⑵和外殼⑷之間放置能夠形成密封阻隔的填料(11)。圖4示出了本發(fā)明所述的另一種熱電偶總成(10)，這種總成在第一個套管(2)外面加了第二個封閉套管(12)，適用于期望實現(xiàn)總成(10)再利用的復雜的應用范圍或者是期望獲得較長的熱電偶(5)使用壽命的情況?？梢詫⒉捎勉f和銠制造的耗損元件(13)放在套管(2、12)封閉一端的下方。圖5示出了塞桿元件(14)。作為外殼⑷的塞桿元件(14)通常采用氧化鋁/石墨制造。封閉套管⑵和熱電偶(5)插入塞桿⑷隆起部位的挖空部分當中。塞桿(14) 挖空部分的內壁與套管⑵之間放置能夠對氣體形成封閉阻隔的填料(11)。實施例1我們采用一個用氧化鋁/石墨質耐火材料(石墨的重量約占30% )制造的、包含一塊挖空部分的外殼。鉬-鉬/銠熱電偶的電線位于采用富含氧化鋁的材料制造的絕緣套管當中。我們將套管的一端連接在熱電偶接頭上，并用一個同樣為富含氧化鋁的材料制造的塞子封閉套管。我們將外部套有套管的熱電偶放入采用耐火材料制造的外殼當中，在外殼和套管之間放置混合硅和氧化鐵的粉末。該混合粉末的成分和特征如下二氧化硅占重量的66%至70%三氧化二鐵占重量的29%至32%三氧化二鋁占重量的0.3%至0.7%火損耗占重量的0.2%至0.4%根據(jù)粒度測定，粉末中占重量95 %的顆粒的平均直徑小于0. 5毫米，最多占重量 2%的顆粒的平均直徑大于1. 0毫米。這樣制造的總成將在零件預熱和使用時進行1200°C的熱處理，在此期間，粉末開始熔化，并且形成氣密性玻璃質層。粉末迅速轉化成為漿糊，占據(jù)外殼挖空部分的內壁與套管之間的空間。這種漿糊對氣體形成密封阻隔，避免外殼中的氣體在使用熱電偶總成時接觸熱電偶。在使用之后，填料冷卻，但保持漿糊的形態(tài)并形成玻璃質層。套管被固定在外殼上，以方便操作，避免對總成造成損壞，并且總成可被再利用。實施例2我們將實施例1中的熱電偶和套插入氧化鋁/石墨質塞桿的挖空部分當中，在塞桿和套管之間放置成分如下的熔塊
權利要求
1.用于測量熔化金屬溫度的熱電偶總成(10)，組成如下一個一端封閉的管套O)；一個熱電偶(5)，它包括一對伸入上述管套⑵內部的電線(6)，以及配備熱電偶接頭 (7)、靠近套管封閉一端的電線，一個外殼，采用耐火材料制造，包含一塊挖空部分，以便插入套管，其特征在于套管(2)與外殼(4)之間放置熔點或軟化點位于熱電偶總成(10)的使用溫度范圍內、并且其數(shù)量足夠在熱作用下對氣體形成密封阻隔的材料所制成的粉末或熔塊 (11)。
2.權利要求1所述的熱電偶總成(10)，其特征在于填料(11)中包含超過30%的耐火材料和至少一種助熔劑。
3.權利要求2所述的熱電偶總成(10)，其特征在于耐火材料采用的是硅。
4.權利要求1至3中任意一條所述的熱電偶總成(10)，其特征在于總成(10)至少包含包裹第一個封閉套管O)的另一個套管(12)。
5.權利要求1至4中任意一條所述的熱電偶總成(10)，其特征在于套管O、12)采用富含氧化鋁的材料制造。
6.權利要求1至5中任意一條所述的熱電偶總成(10)，其特征在于外殼(4)采用石墨重量占20 %至40 %，最好是25 %至35 %的材料制造。
7.權利要求1至6中任意一條所述的熱電偶總成(10)，其特征在于封閉套管(2)包括一個兩端開口的套管(8)和一個用于封閉套管一端的塞子(9)。
8.按照權利要求1至7中任意一條所述的總成(10)制造的熱電偶總成(10)，在熱作用下，其特征在于氣體的密封阻隔處于外殼的挖空部分和套管(2)之間、至少與熱電偶接頭(7)平齊的位置。
9.權利要求8所述的熱電偶總成(10)，其特征在于氣體的密封阻隔由多個玻璃質層組成。
10.權利要求1至9中任意一條所述的熱電偶總成(10)，其特征在于總成是一個塞桿 (14)。
11.根據(jù)權利要求1至10中任意一條所述的熱電偶總成的制造工藝，所述熱電偶總成用于測量熔化金屬的溫度，它的組成如下一個一端封閉的管套O)；一個熱電偶(5)，它包括一對伸入上述管套⑵內部的電線(6)，以及配備熱電偶接頭 (7)、靠近套管(2)封閉一端的電線，一個外殼G)，采用耐火材料制造，包含一塊挖空部分，以便插入套管0)，其特征在于套管⑵與外殼⑷之間放置熔點或軟化點位于熱電偶總成(10)的使用溫度范圍內、 并且其數(shù)量足夠在熱作用下對氣體形成密封阻隔的材料所制成的粉末或熔塊(11)，并且熱電偶總成(10)經(jīng)過熱處理，其溫度至少等于對氣體形成密封阻隔的上述粉末或熔塊(11)的軟化點或熔點溫度。
12.權利要求11所述的制造工藝，其特征在于在熱電偶總成(10)預熱時進行熱處理。
13.權利要求11所述的制造工藝，其特征在于在熱電偶總成(10)投入使用時進行熱處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是用于連續(xù)測量熔化金屬溫度的熱電偶總成(10)以及此種熱電偶總成的制造工藝。熱電偶總成(10)當中的熱電偶(5)放在封閉套管(2)當中，該封閉套管又插入采用耐火材料制造的外殼(4)的挖空部分當中。其特征在于套管(2)與外殼(4)之間放置熔點或軟化點位于熱電偶總成(10)的使用溫度范圍內、并且其數(shù)量足夠在熱作用下對氣體形成密封阻隔的材料所制成的粉末或熔塊(11)。
文檔編號G01K7/02GK102156003SQ20111005148
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權日2011年2月25日
發(fā)明者易獻勛, 菲利普·拉瓦爾 申請人:武漢武鋼維蘇威高級陶瓷有限公司