高炉是炼铁生产系统的主体, 在整个黑色冶金生产过程中占有重要地位。现代大型高炉对装料、高炉煤气、鼓风、炉体、热风炉、高炉气体等系统的生产热工过程都要进行自动调节, 在各调节系统中温度自动调节是关键环节之一, 而测温元件热电偶在温度自动调节中的应用最为广泛。

热电偶是一种感温元件, 是一次仪表, 它直接测量温度, 并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表 (二次仪表) 转换成被测介质的温度。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成, 而且不受大小和开头的限制、外有保护套管、构造简单, 使用起来非常方便。因其直接与被测对象接触, 不受中间介质的影响, 故测量精度高且测量范围非常广, 常用的热电偶从-50℃~1600℃均可连续测量, 某些特殊热电偶最低可测到-269℃ (如金铁镍铬) , 最高可达2800℃。

将两种不同成份的材质导体 (称为热电偶丝材或热电极) 组成闭合回路, 当接合点两端的温度不同, 存在温度梯度时, 回路中就会有电流通过, 此时两端之间就存在电动势EAB—热电动势 (见图1) , 这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极, 温度较高的一端为工作端 (也称为测量端) , 温度较低的一端为自由端 (也称为补偿端) , 自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表。分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的, 不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第3种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变, 即不受第3种金属接入回路中的影响。因此, 在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。热电偶实际上是一种能量转换器, 它将热能转换为电能, 用所产生的热电势测量温度。

对于热电偶的热电势, 应注意如下几个问题:

(1) 热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差, 而不是热电偶两端温度差的函数;

(2) 热电偶所产生的热电势的大小, 当热电偶的材料是均匀时, 与热电偶的长度和直径无关, 只与热电偶材料的成份和两端的温差有关;

(3) 当热电偶的两个偶丝材料成份确定后, 热电偶热电势的大小, 只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度保持一定, 这时热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

工业用热电偶作为温度测量仪表, 通常用来与显示仪、记录仪等配套使用, 以直接测量各种生产过程中从-200℃~1800℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度, 并指定S、B、E、K、J、R、T七种型号为热电偶统一标准化型号 (见表1) 。

根据实际要求热电偶可分为铠装、装配、薄膜型等。

(1) 铠装型热电偶

铠装型热电偶是由金属保护套管、绝缘材料和热电极3者组合在一起, 经多次一体拉制而成的特殊结构热电偶。一般不可拆解, 属于免维修、损坏即更换型热电偶。它是在薄金属套管 (金属铠) 内装入热电极, 套管内环空间充填无机绝缘物一氧化镁 (Mg O) 或三氧化二铝 (Al2O3) 的一种密封型热电偶。具有体形细长、热响应快、气密性好、机械强度高、耐震动、耐腐蚀、使用寿命长以及便于弯曲等优点, 尤其适宜安装在管线狭窄、弯曲和要求快速反应、微型化的特殊测温场合。其结构示意图见图2。

(2) 装配型热电偶

装配型热电偶主要用于气体、蒸汽和液体温度的测量, 其中包括棒形、角形、锥形等。从安装方式看, 有固定法兰式、活动法兰式、固定螺纹式、焊接固定式和其他固定式等几种。其结构示意图见图3。

(3) 薄膜热电偶

薄膜热电偶是采用真空蒸镀方法, 将两种不同热电极材料蒸镀到耐高温无机绝缘基板上制成的, 厚度极薄, 仅几微米。其主要特点是:热容量小、响应速度快, 便于敷贴在不适宜安装其他热电偶的狭小场合, 可测量微小面积的瞬变温度。其结构示意图见图4。

与其他温度计相比热电偶具有如下特点:

(1) 热电偶可将温度量转换成电量进行检测, 因此对温度的测量、控制, 以及对温度信号的放大、交换等都很方便;

(2) 结构简单、制造容易、价格便宜;

(3) 惰性较小, 测量准确, 测量范围广;

(4) 大多数热电偶性能相当稳定, 并有较好的互换性;

(5) 必须有参考端, 并且温度要保持恒定。

高炉使用的热电偶绝大多数都安装在环境复杂, 多滴水, 现场潮湿、高温的环境中, 工作条件非常恶劣, 且高炉的大修周期一般很长, 故热电偶除安装、维修、更换要求方便、快捷外, 还应具备如下性能:

(1) 耐高温:一般不低于800℃;

(2) 性能稳定、数据的均匀性好、不受高温和缺氧等特殊环境的影响、抗氧化性强;

(3) 热电偶的安装不应对高炉炉体造成损坏;

(4) 能应用于高炉本体、炉缸、高炉陶瓷杯等复杂场合;

(5) 热电偶寿命与高炉炉龄一致;

(6) 测量点数多;

(7) 同时实现高炉炉体内不同温场的测温。

根据实际情况, 高炉生产中多采用铠装热电偶来满足以上要求。根据高炉炉体不同的测温场合分别采用单点铠装热电偶和多点铠装热电偶。

高炉炉体按结构分为炉底、炉缸、炉腹、炉腰、炉身5个主要部分。其中高炉炉底和炉缸铠装热电偶是高炉本体测温系统中的核心部分, 是用于判断炉底和炉缸侵蚀的重要依据, 多采用多点铠装热电偶来进行检测。而炉腹、炉腰和炉身多采用单点铠装热电偶进行检测。

在进行铠装热电偶埋设时, 应严格按照设计标准进行施工, 对每一支热电偶的插入深度都要认真进行测量, 确保误差控制在5mm之内。同时, 在施工中要认真做好确认工作, 对安装的每一支热电偶的数据都要做详细记录并存档。安装注意事项如下:

(1) 在炉底找平层埋设热电偶时需加装保护管。因在炉底找平时需要夯实, 如不加装保护管, 在夯打的过程中, 容易损坏热电偶。

(2) 保护管的直径不易过大, 略大于热电偶外径即可。

(3) 在炭砖上开槽放置热电偶时, 开槽的宽度和深度应略大于热电偶外径。

(4) 在炉壁、冷却壁与炭砖之间需安装保护管, 以避免在振捣打料夯实两者之间的间隙时损坏热电偶。

(5) 24h跟踪。

高炉炉体的温度监测事关热工过程的自动调节和安全生产, 由于高炉恶劣环境的影响和特殊要求的制约, 使得置于炉身保护管或直接砌埋于炉基中的铠装热电偶在安装前需确定它的技术性能, 以避免早期失效, 提高工作寿命。

常规检定包括外观质量、热电势检定、绝缘电阻测试。

热电偶的表面质量检查可通过目测或借助低倍放大镜进行观察。

采用比较法进行检定, 范围0℃~1400℃。在热电势检定炉中, 分别在400℃、600℃、800℃三点测量被测热电偶的热电势和标准热电偶热电势, 两者相比较, 记录它们的差值。

用兆欧表一极接在偶丝上, 另一极接在铠装不锈钢护管上, 测试两者间绝缘电阻。

将铠装热电偶整体浸入80℃水中保温2d, 降至50℃, 从水中取出擦干, 在室温下放置1d后, 进行偶丝对外不锈钢护管的绝缘电阻测试, 考察铠装热电偶焊接和机械密封是否符合防水绝缘要求。绝缘电阻测试后, 直接放入热电偶检定炉进行热电势检定。

从热电势检定炉 (800℃) 中取出铠装热电偶, 直接用自来水冲刷, 快速冷却后擦去水珠。将铠装热电偶置入80℃恒温烘箱内干燥18h, 然后冷却到室温, 进行偶丝对外不锈钢护管的绝缘电阻测试, 考察铠装外护管、电偶合金丝冷热交换后的渗漏和金相组织特性, 然后再放入热电偶检定炉进行热电势检定。

(1) 是否符合工业用二级以上的标准。

(2) 渗漏试验和急冷干燥试验后表面应无开口缺陷及热处理塑形变形造成的韧性破裂。

(3) 热电势检定精度和绝缘电阻测试与渗漏试验和急冷干燥试验变化趋势上无明显关联, 说明热电偶耐湿热性能较好。

可更换和定期检定的铠装热电偶可用常规检定方法检定, 一次性长期使用的铠装热电偶应用渗漏试验和急冷干燥试验检定, 并在试验后用常规检定方法检测热电特性。

铠装热电偶热惯性较小、响应速度很快, 具有良好的可绕性和柔软性, 能应用于测量结构复杂的多个测量部位, 并且安装简单, 具有优秀的高温绝缘性能和一流的绝缘性, 也可以在高压及真空环境中使用。在实际应用中, 可以根据需要选定铠装热电偶的使用长度。铠装热电偶一般和显示仪表、记录仪表以及电子计算机等配套使用。