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最廣泛的感溫元件。
在其測溫過程中，熱電偶保護管發揮著重要作用。熱電偶保護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。
高溫保護套管材料的性能
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。
高溫保護套管材料的分類
1、金屬材料
金屬熱電偶保護管材料的特點是機械強度高、韌性好及抗渣性好；但耐高溫性卻不夠良好，易受腐蝕。常用的金屬材料保護套管如表1所示。
表1 常用金屬熱電偶保護管材料
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。
表2 常用非金屬熱電偶保護管材料
3、復合材料
①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。
表3 常用金屬陶瓷熱電偶保護管
4、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、磨損問題是目前國際上的流行趨勢。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。
采用熱噴涂的方法在保護套管表面形成金屬間化合物涂層、梯度功能涂層、納米陶瓷涂層等，獲得比較良好的耐熱、耐蝕和抗磨性，取得了很好的效果。金屬間化合物是一類新型的高溫材料，具有一系列的優異性能，尤其值得一提的是其耐熱性能特別突出。采用等離子噴涂Ni-Al、Fe-Al金屬間化合物于保護套管表面，使其具有了全新的性能。進一步將金屬間化合物和精細陶瓷結合成梯度功能涂層材料應用到熱電偶已獲得圓滿成功。
高溫熱電偶熱點和難題及研究現狀
1、高溫熔體的溫度測量
熱電偶測量高溫熔體時，必將熱電偶插入到高溫熔體中。這樣，熱電偶既要承受熔體的熱沖擊，又要同時受到介質的物理化學腐蝕，極易損壞，這是在溫度測量領域最棘手的難題之一，也是重點攻關的對象。
2、鋼水連續測溫
眾所周知，煉鋼過程中鋼水溫度是重要參數之一，直接影響產品冶煉和澆注的質量，是冶金操作的重要依據。合理的溫度規范和準確的溫度測量對提高產品質量、產量、擴大品種、降低各種消耗、改善各項技術經濟指標以及實現冶金過程自動化有積極作用。為了使熱電偶能長期工作在攪動的鋼水中，要求保護套管的抗熱震性好，耐高溫，抗渣、抗氧化性好，能經受鋼水的沖刷。鋼水連續測溫技術一直是冶金領域的難題之一。這種技術對于鋼水溫度控制自動化、提高鋼材質量、降低事故率、提高連鑄效率，具有重要的現實意義。
鋼水測溫熱電偶的技術關鍵是熱電偶保護套管。為了解決該難題，國內外科技人員研制了很多保護套管材料，如ZrB2、Al2O3-Cr、Al2O3-Fe、ZrO2-Mo、MgO-Mo-Cr等，取得了一定的效果。但這些材料由于抗熱震性不好，抗鋼水侵蝕能力不夠想，壽命有限，價格高，至今未能在鋼廠實際大面積推廣應用。近來，國內有研究機構通過測量端采用特種金屬陶瓷管，內襯剛玉管，中間為填充劑，形成復合管型實體化結構，制作成熱電偶保護套管取得了一定的效果。
3、玻璃熔液測溫
當前玻璃窯爐的測溫通常采用輻射法或者用以剛玉為保護套管的熱電偶。輻射法不能實現溫度自動記錄和自動調節，而且人眼觀察判斷容易產生誤差；剛玉熱電偶保護套管在高溫玻璃液中易受侵蝕。因此，熱電偶不能直接插入玻璃熔池里，而只能測量玻璃熔池上部空間的溫度，因此存在測溫滯后的問題。
為了直接連續測量玻璃熔池內的溫度必須使用能抗高溫玻璃液侵蝕的熱電偶保護套管。加多種促燒劑的氧化錫陶瓷粉制成的保護套管耐高溫玻璃液侵蝕，可做玻璃熔池測溫用的熱電偶保護套管。
鈦酸鋁陶瓷材料具有較高的熔點、較低的熱膨脹系數，并具有優良的抗熱震性。另外，它具有與許多金屬熔體及玻璃熔液不潤濕的特性。因此，鈦酸鋁陶瓷可廣泛應用于耐高溫、抗熱震、耐腐蝕等條件苛刻的環境中。該熱電偶保護套管主要用于測量各種工業窯爐、熔池溫度熱電偶的保護，特別是適用于測量有色金屬熔體和玻璃熔液。它可反復地出入于被測金屬熔體和玻璃熔液而不被腐蝕、炸裂，并且不與它們潤濕。從而保證了由它保護的熱電偶具有正常的溫度敏感性及較長的使用壽命。
4、高溫流動
粉體測溫對于輸煤系統、流化床、水泥熟料及耐火材料等流動粉體的溫度測量，尤其是增壓流化床（PFB）的床溫測量，由于高溫流動粉體對保護套管磨損及腐蝕均很嚴重，因此一直是高溫測試領域中富于挑戰性課題之一。
循環流化床鍋爐溫度測量在該領域最具有代表性。國外首先研發循環流化床鍋爐測溫專用熱電偶，如美國的德太克和威戈，日本的三木等。美國德太克公司，在國際上處于領先地位。其特種工藝MVD處理技術，提高了保護套管的耐磨、耐高溫、耐腐蝕性，延長了循環流化床鍋爐測溫熱電偶的使用壽命。關鍵問題是其價格比較昂貴。
MVD(MechanicalVaporDiffusion)處理過程是在金屬表面產生一種金屬化合反應，通過高壓電脈沖產生局部超高溫把基材金屬和鎢碳化合物同時熔化、汽化；然后迅速將兩者融合、冷卻，整個過程在1/10000s內完成，所生成的新合金層面有極強的硬度(HRC76)。
國內研制的新型高溫、高強、耐磨合金HR1230，是專門針對高溫耐磨環境開發的全新型Ni-Cr-W-Mo-Al高溫高強耐磨合金，并具有優良的抗氧化性能，還具有很好的高溫穩定性及難得的良好加工性能。其高溫強度基本達到國外高強合金哈氏合金的水平。
近年來，用于流化床取得很好效果，其應用范圍正在逐步擴大。最近，國內有單位研制的雙層結構的高溫耐磨熱電偶復合套管，管體外層為耐高溫耐磨復合金屬保護層，耐高溫耐磨復合金屬保護層澆鑄復合在內層的合金鋼管上，使用效果也很好，幾乎可與美國的德太克相媲美。高鉻鑄鐵具有高耐磨性和抗氧化性，價格相對便宜，亦是比較理想的保護套管材料。通過合理調整成分、工藝使其達到最佳的耐磨抗蝕性，必將使其在高溫流動粉體測溫中發揮更大的優勢。
高溫環境下的腐蝕磨損給熱電偶測溫帶來了困難，經過科研人員的不懈努力，取得了一定的成績。隨著現代工業的不斷進步，工業環境也變得越來越惡劣，這就要求我們不斷改進工藝、研發新材料，從而全面提高熱電偶的性能。
作者：泰山鋼鐵集團有限公司 陳坤
