熱電偶保護套管材料種類及特點

熱電偶在工業生產和科學研究等領域中已成為應用廣泛的感溫元件。熱電偶保護套管材料的性能影響熱電偶長期穩定性、使用壽命等各項性能指標。在高溫下工作的熱電偶，對其套管材料的要求更加嚴格。

產生背景

隨著科技的進步，溫度測量技術得到迅速發展，已形成從點到線、由線到面;由表及里;從有線到無線的發展趨勢。在接觸式與非接觸式兩大類產品中，量大面廣的接觸式熱電偶在現代技術發展中得到了快速的發展。熱電偶因其性能穩定、準確可靠、結構簡單、使用方便、測溫范圍廣、信號可遠傳等優點，在工業生產和科學研究等領域中已成為應用廣泛的感溫元件。在其測溫過程中，熱電偶保護套管發揮著重要作用。套管材料性能影響熱電偶的長期穩定性和使用壽命等各項性能指標。特別是在高溫下工作的熱電偶，對其材料有更高的要求。比如鋼水連續測溫，熱電偶保護套管不但要承受高溫，還要受到熾熱鋼水的腐蝕和沖擊。而在循環流化床鍋爐中測溫時，不但有高溫氧化和高溫腐蝕，還有流動性粉體的高溫沖蝕磨損。如此惡劣的工作環境對保護套管材料是嚴峻的考驗，也給工程技術人員出了一道難題--如何經濟實用的解決高溫環境下的熱電偶保護套管的失效問題。

性能要求

制作高溫條件下應用的熱電偶保護套管，材料除具備普通熱電偶要求的氣密性、機械強度、穩定性及導熱性外，還要求:

(1)耐高溫:在熱電偶溫度測量上限使用，不產生變質和變形，在高溫下抗氧化性能好。

(2)熱強性:在熱電偶使用溫度下不軟化。

(3)耐蝕性:當熱電偶保護套管必須浸入熔融金屬、玻璃、熔鹽及腐蝕性氣體中時，應具有對這些介

質的耐蝕性。

(4)一定的耐溫度劇變的性能，抗熱震的綜合性能，熱導高，熱膨脹小。

材料分類

1 金屬材料

該類材料的特點是機械強度高、韌性好及抗渣性好;但耐高溫性卻不夠好，易受腐蝕。常用的金屬材料保護套管如表 1 所示。

2 非金屬材料

該類材料的特點是:耐高溫、抗氧化，但不抗沖擊，比較脆易碎，導熱性不理想，熱響應敏感性差。因此，一般要求管壁比較薄，因而帶來一系列問題。常用的非金屬保護套管材料如表 2 所示。

鋼鐵行業的熱風爐主要用于給冶煉過程提供熱風，拱頂測溫熱電偶保護套管長期運行于 1200~1280℃高溫，使用溫度達 1300℃以上，并且在運行過程中伴隨高速氣流強振動及燃燒中產生的硫、磷等化合物顆粒;在煤化工領域的氣化爐的測溫保護套管則長期運行在 1400℃以上，這類工業環境都對保護管材料的高溫性能提出了極為苛刻要求。

SiC 高溫陶瓷因具有良好耐高溫性能、導熱性能、高強度、高硬度、低密度、較小熱膨脹系數和良好的抗氧化、耐磨損等性能，使其成為在 1400℃以上測溫保護套管。然而普通SiC由于氣孔率高，造成高溫強度低、脆性較大等原因，使用中容易導致脆斷，造成熱電偶絲的污染，嚴重影響了熱電偶的可靠性。因此，作為測溫保護套管使用的 SiC材料，應具備耐高溫、抗氧化、高強度、高硬度、抗沖刷、耐腐蝕及耐溫度劇變性能等一系列的優點，才能保證確保熱電偶在 1400℃左右的高溫環境下長期穩定使用，滿足冶金、煤化工領域的工業生產需求。

3 復合材料

金屬陶瓷

金屬陶瓷是由一種金屬或合金與另一種或者幾種陶瓷采用粉末冶金的方法組成的復合材料。其特點是綜合了陶瓷材料的耐磨、耐高溫、抗氧化，又有金屬材料的高強度，但熱沖擊性能差。一般適合在液態金屬中使用，如鐵水、鋼液、有色金屬熔體等。另外對表 2 常用非金屬保護套管材料于一些用高溫耐磨材料制造的保護套管，適合于在沸騰爐、循環流化床鍋爐、水泥回轉窯窯尾煙室測溫熱電偶，球磨機、風扇磨、磨煤機等出口及管道測溫的地方使用。常用的金屬陶瓷保護套管材料如表 3 所示。

復合涂層

表面涂層技術能賦予零件表面耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等多種特殊性能，是提高產品質量、節約能源和資源、獲得顯著經濟效益的一種新的表面技術。采用材料表面涂層技術解決工件的高溫腐蝕、磨損問題是目前上的流行趨勢。該類技術發揮了表面技術的優勢，不是將不同的材料混合起來制作復合材料，而是將不同的材料組合起來發揮各自的特點，獲得優異的性能。