碳化硅再结晶热电偶保护管的制作方法

专利名称:碳化硅再结晶热电偶保护管的制作方法
本实用新型涉及一种用于热电偶测温时起保护作用的外套管。
传统的热电偶保护管一般有氧化物(如氧化铝)质、陶瓷质和粘土结合的碳化硅质套管。套管的一端封闭，另一端有供热电偶插入的开孔。这类保护管自美国在50～70年代首先采用，之后又有苏联、日本、西欧等许多国家广泛使用，我国亦有不少厂家在使用。近年来，在有色、稀土、黑色冶金以及建材、化工等工业领域，各种新型高温窑炉相继出现。由于高温窑炉的工作条件恶劣，温度高、腐蚀性强、内部火焰及烟尘的冲刷大，因而便对热电偶保护管提出了更高的要求，它必须具备耐高温、抗氧化、抗腐蚀并具备有高的热传导系数，尤其是优异的热稳定性能(耐急冷急热性)等。
氧化铝(Al2O3)质保护管具有很高的耐火度和高温结构强度，能够在1600℃高温下使用，但由于该制品中存有杂质相，系统内热膨胀系数不均匀，影响导热性能，导致其热稳定性差，故在高温恶劣环境中不能单独使用。
添加入粘土结合剂的碳化硅套管做为一种致密材料，其热稳定性能较氧化铝制品优异，且具有较高的抗氧化能力，但它有一个致命的弱点，从性能上讲，它只适合使用在1250℃以下的温区，当该产品在1300℃以上的温区使用时，产品中的粘土成份与碳化硅发生分解反应。反应方程
反应结果，由固相粘土(Al2O3·2SiO2)和碳化硅物质生成两种气相物质一氧化硅和一氧化碳及一种固相物质氧化铝。所以其耐高温性能和高温结构强度等都受到严重影响。虽然产生了新的氧化铝相，但由于反应过程中两种气相物质逸出作用的结果，导致氧化铝疏松的组织结构；这种组织状况高温度强度较差。所以分解后的产品既经不起强大气流的冲击，也耐不了急冷急热变化的破坏作用，因此上述反应的必然结果是导致粘土结合的碳化硅热电偶保护管的寿命大幅度缩短。另外粘土结合的碳化硅材料还有一个无法克服的弱点，就是高温下粘土中的二氧化硅(SiO2)与碳化硅反应生成硅和碳，这些残留碳是引起制品黑芯的根源。黑芯的制品热稳定性能降低，又是粘土结合的碳化硅质保护管性能低劣的另一个原因。
申请人:曾对一些使用传统热电偶保护管的单位进行调查，结果发现由于热电偶保护管材料不得当，致使双铂铑热电偶损坏的数量相当之大，且造成的经济损失也是相当惊人的。如长治钢铁厂一轧、中型分厂使用刚玉管、高铝管等材料制作的保护管，在几天甚至几小时内便被烧坏，仅一个测温点每年的浪费就逾万元。白银有色金属公司前几年使用粘土结合的碳化硅保护管，使用寿命最长的只有四天，该公司每年多用于热电偶的使用费用达15～20万元。这样，就上述类型的有色和黑色冶金工业推算，由于热电偶保护管问题未能很好解决所造成的经济损失就达2300万元以上，若再加上其它行业的消耗，损失数字就更惊人。
本实用新型的任务是对已有技术在材料上加以改进，进一步提高保护管的耐高温性和热稳定性等诸项性能指标，以适合做高温窑炉恶劣环境中的热电偶保护，达到延长测温热电偶使用寿命的目的。
本实用新型的技术解决方案是这样的采用再结晶的碳化硅质材料做为热电偶保护管的制造材料。它是以碳化硅为主要原料，加入适量的有机结合剂如聚乙稀醇、糊精、酚醛树脂等，经高温挤压成型，并经预烧、烧成、涂敷及特殊热处理等再结晶工艺方法制成的成份含量为97±2％的纯碳化硅材料，碳化硅成份的晶型为α型碳化硅(α－SiC)约88～98％，β型碳化硅(β－SiC)约2～12％。
由于坯体内部的高纯度性并且不含无定形相，所以再结晶碳化硅原材料的导热性能特别好。其热导系数是氧化铝材料和刚玉质材料2～4倍。这种材料具有很低的热膨胀系数，当做较粗略的计算时，其平均热膨胀系数在25～1400℃温区范围内可以取4.4×106／℃(同温区内刚玉的系数为7～8×106／℃)。正是因为再结晶碳化硅质材料所具备的高的导热性和小而均匀的热膨胀系数的缘故，使其制品在加热和冷却过程中受到的热应力小。这也就是该保护管耐高温性和热稳定性优异的根源，除此之外，它还以高的强度，其中包括热态时的强度著称。
再结晶碳化硅质材料的抗氧化性能，比起其它性能略有逊色。例如，在比较低的温度下(约1000℃)就与氧反应生成二氧化硅。一般讲，温度越高，氧化就越强烈，但也正是因为碳化硅氧化作用，在其晶粒上生成了一层二氧化硅薄膜，又防止了进一步氧化。这一现象也使碳化硅材料的抗氧化性能得到一定限量的弥补。为了提高再结晶碳化硅热电偶保护管的抗氧化能力，可以采取配方中增加细颗粒，提高成型压力以及在配方中增加某些抗氧化材料(如硅铁和氢氧化钡)等措施予以弥补，同时还可以用高温涂层方法对抗氧化性能加以补偿等。
此外，碳化硅是一种共价健化合物，这就决定了其化学稳定性高。加之再结晶碳化硅的表面为二氧化硅薄膜所包围，所以其高温抗腐蚀性能强，特别在酸性介质中更为突出。
据本实用新型申请人对该材料质样品所做的测试，其性能指标为1.耐高温性能长期使用温度1300～1600℃(连续使用)，最高使用温度(短期)1800℃。
2.耐急冷急热性能1400℃至水冷三次不裂。
3.使用寿命1300～1500℃温区内连续使用不低于300小时。
以上性能皆优于已有技术制品，说明用再结晶方法制得的碳化硅热电偶保护管完全具备了在冶金、化工及硅酸盐等行业高温窑炉的恶劣环境下使用的条件。应用该材料质制品的意义不仅仅在于节约费用、减少浪费、降低成本，更重要的是使加热炉的连续测温能力得以延长，从而为自动控制和微机应用等奠定了良好基础。
附图1为该保护管的纵向剖面图，图中1为套管，2为开孔端，3为封闭端。
权利要求
1.一种用于热电偶测温时起保护作用的外套管，管的一端封闭，另一端开口供热电偶插入，其特征在于该管由再结晶的碳化硅(SiC)质材料组成，其中碳化硅成份含量97±2%，其余为聚乙烯醇、糊精、酚醛树脂等有机结合剂。
2.如权利要求
1所述的用于热电偶测温时起保护作用的外套管，其特征在于所述材料中碳化硅成份的晶型为α型碳化硅(α－SiC)约88～98％，β型碳化硅(β－SiC)约2～12％。
专利摘要
本实用新型涉及一种用于热电偶测温时起保护作用的外套管。由再结晶的碳化硅(SiC)质材料组成，其中碳化硅成分含量97±2％，晶型为α型碳化硅(α—SiC)约88～98％，β型碳化硅( —SiC)约2～12％。具有耐高温、耐腐蚀、热传导系数高和热稳定性能好等优点，适于冶金、化工、硅酸盐等行业高温窑炉的恶劣环境下使用。
文档编号G01K1/08GK87206878SQ87206878
公开日1988年1月20日 申请日期1987年4月23日
发明者国兴杰, 刘琨 申请人:第五砂轮厂导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan