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铂铑热电偶细丝断丝现象分析和对策

采用铂佬热电偶细丝制造的快速测温热电偶,具有测温精度高、复现性好、响应速度快等诸多优点,因此,在钢铁冶金工业中,广泛用于准确测量炼钢过程中钢液的温度、氧活度、碳含量等关键指标。近年来铂、佬等贵金属原材料价格暴涨,为了节约成本、降低消耗,各快速测温热电偶生产厂家采用的铂热电偶细丝直径逐年减小。细丝直径已经从0.07mm、0.08mm减小至0.05mm、0.04mm、甚至40.03mm。直径减小化的结果造成生产过程断丝现象愈发突出、成品率显著降低,严重影响了生产的正常进行和生产规模的扩大。作者对铂佬热电偶细丝断丝现象进行了分析,并提出了解决问题的办法。

1、非金属夹杂物导致的断丝
采用扫描电镜对该类型断丝的断口进行形貌观察和分析,微观形貌见图1。从图1可以看出,断口处呈现有不同缩颈状态,在断口面伴有2次裂纹,局部是清楚的韧性断裂区,截面处是非金属夹杂物引起的碎裂区,可以看到明显的孔洞和孔洞中的夹杂物。经电子探针微区分析,这些夹杂物主要是Al?03、Zr02,是在熔炼工序引入的。作者采用石英砂打结坩锅熔炼铂锗合金时,如果坩锅烧结不充分或升温速度过快,就会在熔炼过程中损坏,导致耐火材料脱落。采用真空中频炉熔炼铂铭合金时,会产生强烈的电磁搅拌作用,造成熔融金属对坩锅强烈的机械冲刷,也易导致耐火材料脱落。由于夹杂物与周围基体之间的物理性质和变形性能存在着较大的差异,在以后的加工过程中,基体的均匀、连续性受到破坏,引起应力集中,成为材料的薄弱环节,导致材料局部强度和韧性降低。在拉拔细丝过程中的拉应力作用下,夹杂物聚集区域首先开裂产生裂纹源,并进一步扩展形成孔洞,这些孔洞的形成和长大又推进夹杂物和周围基体的进一步分离,形成较大的裂纹。当裂纹达到临界尺寸时,迅速扩展,出现解理断裂,导致断丝现象发生。

为了防止该类型断丝现象发生,熔炼前须充分烧结坩锅;熔炼时应缓慢升温,防止坩锅因升温速度过快发生炸裂现象;熔炼时间不宜太长,以避免熔融金属对锅过度的机械冲刷。

2.2气孔导致的断丝
采用扫描电镜对该类型断丝的断口进行形貌观察和分析,发现断口面有明显的孔洞,孔洞内壁呈光滑的自由表面,看不到夹杂物(图2)。该类型断丝的原因是由于熔炼时气体未能全部排出熔融金属,凝固时,气体被保存在铸锭内部。当后绩拉丝至一定尺寸时,气孔所在处强度和韧性急剧降低,出现解理断裂,导致断丝现象发生。气体主要来源于:①原料带入,铂、轻是海绵状或粉状,多孔的原料吸附了大量气体,熔化时熔解在金属熔体中。②铂、锗在熔炼过程中吸气,随着含佬量的增加,吸气现象越发严重。

为了防止该类型断丝现象发生,须减少铸键中的气体含量,在熔炼时采取必要的除气措施。常用的除气措施有:

①海绵铂在配料前预熔成锭,以.减少原料带入的气体。

②真空除气。在一定温度下,每100g金属所能溶解气体的体积(标准状态)V与气体和金属接触界面的分压力p的平方根成正比,即:V=A师,k是平衡常数,表示标准状态时金属中气体的平衡溶解度。由公式可以看出,随着真空度的提高,p减少,V也减少。因此,熔炼铂锗合金应采用真空熔炼工艺,以减少铸键中的气体含量。
③冷凝除气。气体在室温的固体金属中的溶解度很小,随着温度的升高其溶解度缓慢增加,接近熔点时,溶解度急剧增加,继续提高温度,气体的溶解度加大至大值后开始下降。当熔融金属缓慢凝固时,未析出的气体将集中在残余的熔融金属中,这些残余熔融金属完全凝固时,过量的气体排入气相;再升温熔化已凝固的金属,反复多次,同时利用中频感应电炉强烈的搅拌作用,让气体充分地从液面扩散逸出,快速升温熔化浇铸,可使铸锭中的气体含量减少。在实际工作中,作者等人将上述措施结合起来已取得了很好的效果。


为了防止该类型断丝现象发生,作者等对铂细丝加工工艺中的配料、熔炼、热开坯锻打、轧制、中间退火处理、丝材拉拔各工序进行调整。采用改进后工艺生产的铂细丝的破断力见表2。从表2可看出,采用改进后工艺生产的2种规格铂细丝其硬态或是退火态的破断力均有明显提高,拉拔铂细丝时断丝现象明显减少,取得了比较满意的结果。

3结论
(1)铂铭热电偶细丝断丝现象分为5种类型:
非金属夹杂物导致的断丝、气孔导致的断丝、铸锭缩孔导致的断丝、应力积累导致的断丝、丝材本身破断力低导致的断丝。
(2)非金属夹杂物导致的断丝是由熔炼过程中坩场破裂引起的,可通过充分烧结坩塌、缓慢升温、缩短熔炼时间等措施解决。
(3)气孔导致的断丝是由于丝材内部存在气孔,可在熔炼浇铸过程中采取必要的除气措施解决。
(4)铸键缩孔导致的断丝是由于铸锭存在缩孔,应在浇铸时严格控制浇铸温度和浇铸速度。
(5)应力积累导致的断丝是由于丝材内部的应力积累过多,可在拉拔细丝过程中采取合适的退火处理工艺和拉拔工艺解决。
(6)丝材本身破断力低导致的断丝是由于铂细丝本身的破断力低,可通过对整个加工工序采取改进措施解决。


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