在高温环境中钨铼热电偶失效的原因

重庆材料研究院有限公司采用热力学计算和实验检测(EDS)相结合的方法，探讨了钨铼热电偶在氮气、高温含碳环境中可能发生的反应以及反应进行的条件。研究表明，在高温时，氮气、石墨、石英砂、钨铼之间发生的复杂的化学反应是导致钨铼热电偶失效的主要原因；在生产装配钨铼热电偶过程中不宜用SiC做钨铼热电偶的绝缘材料，应避免石墨、石荚砂、钨铼之间的交叉污染。

钨铼热电偶作为一种性能优良的高温测量用传感器，最高使用温度可以达到2800℃，是目前可测得1800℃以上的较好的接触式工业热电偶，被广泛应用于航空发动机的尾焰探测、石油化工的重油裂解炉、煤气化炉、冶金气氛炉、核电反应堆堆芯温度的测量等。

钨铼热电偶丝在惰性气和干燥的氢气中热电性能稳定，但在氧化气氛下极易氧化，在不同的氧分压下呈线性氧化规律，当某一极完全氧化而导致材料性质发生质变时，就会引发其热电性质的根本改变。为了能使钨铼偶丝应用于氧化气氛中，国内外学者进行了大量的研究，采用各种防氧化技术使其能应用于氧化气氛，例如，涂层保护法、抽空密封保护法、抽空充气密封保护法、填充密封保护法(昌晖仪表生产的钨铼热电偶就是使用这种方法)等等。但是关于钨铼热电偶丝在氮气、高温含碳环境中的稳定性研究尚未见报导，本文通过对现场失效的钨铼热电偶进行分析，讨论在氮气、高温含碳环境中，钨铼热电偶失效的原因，具有明显的理论意义与实用价值。

钨铼热电偶失效实验

本试样中的钨铼热电偶主要用于钢铁厂含钒钛钢渣的熔炼炉中，熔液偏碱性，钨铼热电偶长期使用温度1600-1700℃，短期使用温度1800℃。钨铼热电偶结构如图1所示，钨铼热电偶丝穿入两孔的刚玉绝缘管中，刚玉绝缘管与刚玉保护管中间填充石英砂，最外层用石墨作保护管。现场实验表明，钨铼热电偶工作一段时间后，显示仪表温度显示出现异常，炉子处于明显升温状态时，显示仪表温度恒定、下降或断路。取出此热电偶后其外层的石墨保护管没有破损，敲碎保护管，在钨铼热热电偶丝的工作部位取样，其形貌如图2所示。把样品制备成金相试验，进行SEM-EDS分析。

图1   钨铼热电偶结构                            

图2  失效后的钨铼合金丝

经试验和数据分析表明(本文省去了复杂的数据处理和分析过程，直接给出试验结果)，在钨铼热电偶的装配过程中，如果石英砂或者钨：铼合金丝表面被石墨污染，石英砂漏入进绝缘管中污染钨铼合金丝，当热电偶在1600-1800℃温度工作时，由于石墨和刚玉管生产工艺的特点，在高温时其材质不致密，氮气会通过石墨管和刚玉管，在其中进行流通，SiO2、C和N2就会发生反应，生成的SiC和Si3N4会牢牢地附着在钨铼合金丝表面，阻碍钨铼合金丝的自由伸缩。情况严重时，当温度降低，钨铼合金丝收缩时，钨铼合金丝就会被拉断，使钨铼热电偶失效，显示仪表温度显示为断路状态，而原本充当保护气氛的氮气，在反应中却起到了促进反应进行的作用。

钨在室温条件下化学性质比较稳定，与硫酸、盐酸、硝酸、苛性碱、惰性气体、氮气、氢气都不发生反应，但温度＞100℃，钨将与酸碱发生反应；当温度＞1200℃碳与W发生反应；当温度＞900℃硅与W发生反应；当温度＞1300℃碳化硅与W发生反应；当温度＞700℃水蒸气与W发生反应；当温度＞300℃空气与W发生反应；应避免这些物质与钨接触。

经多次试验论证后，重庆材料研究院有限公司通过试验得到以下结论，供生产钨铼热电偶厂家和钨铼热电偶使用者参考借鉴：

①当温度＞1544℃时，SiO2、C和N2就会发生明显反应，生成的SiC、Si3N4会牢牢地附着在钨铼合金丝表面，阻碍钨铼合金丝的白由伸缩。

②SiC室温下能与W发生反应，生成硅化钨和碳化钨，高温时反应变得比较明显。不宜用SiC做钨铼热电偶的绝缘管材料。

③当温度在1600-1800℃时，SiC和WSi2可能分解，生成气态Si向钨铼合金丝的内部扩散，影响钨铼热电偶的机械性能和热电性能。

④在钨铼热电偶的装配过程中，特别是用石墨作外保护管，石英砂作为中间填充物，氮气作为保护气氛时，尽量避免石墨、石英砂、钨铼合金丝之间的交叉污染。
原文：在高温环境中钨铼热电偶失效的原因 http://yunrun.com.cn/tech/2263.html