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    不同退火工藝對貴金屬熱電偶熱電性能的影響

    來源:www.jz82524.com作者:成艾霖、薛麗倩、 李 鳳、肖雨辰、胡曉峰,吳勇軍,蔡 翱發表時間:2021-01-20

            摘 要:熱電偶的熱處理狀態對其測溫及檢定至關重要。依照國家標準,偶絲在測量前需進行通電退火來保證其測溫準確性,而工業生產上常采用箱式爐退火成半硬態產品或按照客戶需求出廠未退火的硬態產品。本文以同名極比較法分別測量了通電退火、箱式爐退火及未退火狀態下的S型、R型和B型熱電偶的熱電動勢,對比研究了不同退火工藝對貴金屬熱電偶熱電性能的影響。結果表明,經通電退火的熱電偶的熱電動勢在允差范圍內時,采用箱式爐退火后退火不充分,導致S型和R型熱電偶的熱電動勢偏低,而B型熱電偶的熱電動勢偏高。

     
    1 引言
           貴金屬熱電偶具有測溫準確度高、穩定性好、測溫溫區寬、使用壽命長等優點,廣泛應用于鋼鐵、冶金、石油化工、玻璃纖維、電子電工、航空航天等領域[1-6]。在目前國際電工委員會(IEC)頒布的貴金屬熱電偶型號中,最常用的是S型(PtRh10/Pt)、R型 (PtRh13/Pt)、B型(PtRh30/PtRh6)3種貴金屬熱電偶,負極為鉑絲的S型和R型熱電偶被稱為單鉑銠熱電偶,正負極均為鉑銠合金絲的B型熱電偶被稱為雙鉑銠熱電偶[6-7]。
     
           依據JJG141-2013《工作用貴金屬熱電偶》檢定規程,測量前的退火無論對于新制的或使用中的熱電偶都是必須進行的過程[8],是為了讓偶絲重組在拉拔過程中被破壞的晶粒結構、消除其加工應力產生的晶格畸變、揮發表面雜質、使成分均勻擴散、改善金相組織達到穩定狀態,以免熱電偶在使用過程中因金相組織發生變化而影響穩定性和精度[9]。然而大批量生產的熱電偶絲在出廠前,沒有足夠條件對所有產品都進行懸掛通電退火,而是通過箱式退火爐將整卷熱電偶絲退火成半硬態,有時也需按照客戶要求直接出廠未退火的硬態產品。為研究不同退火工藝對不同型號貴金屬熱電偶熱電性能的影響,為貴金屬偶絲的出廠及使用狀態提供指導,本文以同名極比較法進行了系統的對比性實驗,分別測量通電退火、箱式爐退火及未退火狀態下S型、R型和B型熱電偶的熱電動勢。
     
    2 實驗
    2.1 樣品制備
           試驗所采用貴金屬熱電偶絲均由重慶材料研究院有限公司提供,其采用純度99.95%的海綿鉑、99.95%銠粉通過配料、真空熔煉、鍛造、扎條、拉拔等工序制備得到?0.5mm的試驗樣品。選取S型(PtRh10/Pt)、R型(PtRh13/Pt)、和B 型(PtRh30/PtRh6)熱電偶各3支,將6支樣品分為兩組分別以通電退火(編號為S-1、R-1、B-1)和箱式爐退火(S-2、R-2、B-2)進行處理,并與3支未退火的樣品(S-3、R-3、B-3)進行對比。
     
    2.2 退火方式
           在對貴金屬熱電偶進行熱電動勢測量之前,需進行通電退火處理。將清洗后的熱電偶絲懸掛在退火架上,調節電流使其在1100℃~1400℃持續退火1.5~3h,不同型號熱電偶的正負極熱電偶絲(φ0.5mm)的具體退火溫度和時間見國家標準GB/T 16701-2010《貴金屬、廉金屬熱電偶絲熱電動勢測量方法》[10]。而箱式爐退火處理控制在750℃~1100℃持續0.5h,與通電退火相比,其退火溫度更低、退火時間更短。
     
    2.3 對比實驗
           將不同處理方式的S型熱電偶(S-1、S-2、S-3) 和R型熱電偶(R-1、R-2、R-3)通過同名極比較法在419.527℃、660.323℃、1084.62℃進行熱電動勢檢測;對B型熱電偶(B-1、B-2、B-3)通過同名極比較法在1100℃、1300℃、1500℃進行熱電動勢檢測。
     
    3 結果與討論
    3.1 S型熱電偶的結果分析
           三組不同處理方式的S型熱電偶樣品的配對熱電動勢和溫度偏差、以及對應溫度點Ⅰ級和Ⅱ級熱電動勢范圍要求[11],如表1所示。
    不同處理方式下S型熱電偶樣品的熱電動勢及溫度偏差
           由表1可得,隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火,其配對熱電動勢越來越低,溫度偏差也越來越低。對照熱電動勢范圍可知,經通電退火的S型熱電偶,測得其熱電動勢在Ⅰ級范圍內且偏上;當僅進行箱式爐退火時,其熱電動勢值在Ⅰ級范圍下限邊緣;當不進行退火處理時,其熱電動勢值遠低于Ⅱ級范圍下限。 S型同名極的相對熱電動勢(以懸掛退火的樣品為參考)數據及變化趨勢如圖1所示。
     S型同名極的相對熱電動勢/μV
           由圖1可得,隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火,正極SP(PtRh10)相對熱電動勢負向移動,而負極SN(Pt)的相對熱電動勢正向移動,因而其S型熱電偶的配對熱電動勢(由正極-負極得到)呈更大負向移動的趨勢。溫度越高趨勢越明顯,且退火對負極Pt的影響大于對正極鉑銠10的影響。
     
    3.2 R型熱電偶的結果分析
           三組不同處理方式的R型熱電偶樣品的配對熱電動勢和溫度偏差、以及對應溫度點Ⅰ級和Ⅱ級熱電動勢范圍要求[11],如表2所示。
    不同處理方式下R型熱電偶樣品的熱電動勢及溫度偏差
     
           由表2可得,隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火,其配對熱電動勢越來越低,溫度偏差也越來越低。對照熱電動勢范圍可知,經通電退火的R型熱電偶,測得其熱電動勢在Ⅰ級范圍內;當僅進行箱式爐退火時,其熱電動勢值只能滿足Ⅱ級范圍;當不進行退火處理時,其熱電動勢值遠低于Ⅱ級范圍下限。 R型同名極的相對熱電動勢數據及變化趨勢如圖2所示。
     S型同名極的相對熱電動勢/μV
           由圖2得知,隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火,正極RP(PtRh13)相對熱電動勢負向移動,而負極RN(Pt)的相對熱電動勢正向移動,因而其R型熱電偶的配對熱電動勢呈更大負向移動的趨勢。溫度越高趨勢越明顯,且退火對負極Pt的影響大于對正極鉑銠13的影響。
     
    3.3 B型熱電偶的結果分析
           三組不同處理方式的B型熱電偶樣品的配對熱電動勢和溫度偏差、以及對應溫度點Ⅱ級和Ⅲ級熱電動勢范圍要求[11],如表3所示。
    不同處理方式下B型熱電偶樣品的熱電動勢及溫度偏差
           由表3可得,隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火,其配對熱電動勢越來越高,溫度偏差也越來越高。對照熱電動勢范圍可知,經通電退火的B型熱電偶,測得其熱電動勢在Ⅱ級范圍內;當進行箱式爐退火或不進行退火處理時,其熱電動勢值也能滿足Ⅱ級范圍。 B型同名極的相對熱電動勢數據及變化趨勢如圖3所示。
    不同處理方式下R型熱電偶樣品的熱電動勢及溫度偏差
           由圖3得,隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火,正極BP(PtRh30)相對熱電動勢正向移動,而負極BN(PtRh6)的相對熱電動勢負向移動,因而其B型熱電偶的配對熱電動勢呈整體正向移動的趨勢。溫度越高趨勢越明顯,且退火對負極鉑銠6的影響大于對正極鉑銠30的影響。
     
    3.4 退火對貴金屬熱電偶熱電性能的影響
           S型、R型和B型熱電偶在不同處理方式下,從偶絲狀態上來看,通電退火為軟態,箱式爐退火為半硬態,未退火為硬態。而在銅點(1084.62℃)的同名極相對熱電動勢、配對熱電動勢和溫度偏差匯總如表4所示(以懸掛通電完全退火的樣品為參考)。
    退火處理對不同型號熱電偶熱電性能的影響
           由表4可知,以通電退火為參考基準,箱式爐退火和未退火處理都會使Pt的相對熱電動勢偏高,使PtRh10/PtRh13/PtRh6偏低,但對PtRh30影響不太大。從而導致S型和R型熱電偶配對熱電動勢偏低(正極偏低、負極偏高),產生負的溫度偏差;導致B型熱電偶配對熱電動勢偏高(正極稍微偏高、負極明顯偏低),產生正的溫度偏差。從熱電動勢的偏差程度上看,未退火比箱式爐退火偏差程度更明顯,但總體偏差趨勢一致,證明箱式爐退火起了一定的作用但仍然退火不夠充分。退火處理對于鉑極的熱電性能影響較大,主要是因為純鉑在冷加工時會產生形變強化效應,而在退火或高溫服役下該效應會消失,純鉑退火發生再結晶后各晶面擇優取向隨退火溫度的升高逐漸趨于穩定[12]。
     
    4 結論
           (1)熱電偶絲經箱式爐退火會導致退火不夠充分,S型熱電偶在銅點(1084.62℃)的熱電動勢值偏低20μV,溫度偏差約為-2℃;R型熱電偶在銅點(1084.62℃)的熱電動勢值偏低22μV,溫度偏差約為-2℃;B型熱電偶在1500℃的熱電動勢值偏高約19μV,溫度偏差約為+1.6℃。
     
           (2)對于未退火處理的熱電偶絲,S型熱電偶在銅點(1084.62℃)的熱電動勢值偏低60μV,溫度偏差約為-5℃;R型熱電偶在銅點(1084.62℃)的熱電動勢值偏低63μV,溫度偏差約為-5℃;B型熱電偶在1500℃的熱電動勢值偏高約23μV,溫度偏差約為+2.0℃。
     
           (3)對于熱電偶單極,退火不充分使鉑極Pt的相對熱電動勢偏高,使鉑銠合金絲PtRh10、PtRh13、和PtRh6偏低,對鉑銠合金絲PtRh30影響不明顯。對于熱電偶雙極,退火不充分使S型和R型熱電偶配對熱電動勢偏低,使B型熱電偶配對熱電動勢偏高。 
     
           (4)熱電偶的退火處理對其測溫及檢定都至關重要,因此各型號貴金屬熱電偶在測試和使用前都應該嚴格執行國家標準規定的退火條件,進行充分退火處理從而保證其測溫準確性。
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