气化炉热电偶及其热电偶保护套管的制作方法

摘要

本发明涉及一种气化炉热电偶及其热电偶保护套管的制作方法。气化炉热电偶包括热电偶及套在热电偶外的热电偶保护套管。热电偶保护套管包括中层的非金属保护管、内层的金属内保护管和外层的金属外保护管。非金属保护管采用亚微米碳化硅粉末无压烧结而成，金属内保护管、金属外保护管分别由合金冶炼而成，非金属保护管和金属外保护管、金属内保护管之间均有粘结层，金属外保护管的外表面设有一层保护层。热电偶保护套管的制作方法为，采用分层制作，使得非金属保护管外有金属外保护管保护，内有金属内保护管作为骨架支撑，具有耐高温、耐高压、耐高温熔渣腐蚀和耐高温熔渣冲刷的优良性能，既耐氧化性气体，又耐还原性气体，延长使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电偶，尤其涉及一种抗高温氧化还原、耐灰渣冲刷和耐熔渣腐蚀的气化炉热电偶及其热电偶保护套管的制作方法。 

背景技术

在石油、化工等工业生产过程中，特别是煤化工行业煤制油、煤制气产业发展迅速的时期，气化炉的应用越来越广泛。气化炉也是大型化肥工程中制取合成氨的关键设备，重油裂化气化炉也是以重油为原料生产合成氨原料气的关键设备。重油裂化气化炉工作压力为2.5～8.5Mpa，工作温度为1350℃～1500℃，炉内介质成分中含有高浓度的氧气和高压蒸汽，炉内正常状态属于交替的氧化——还原气体。特别是加压煤粉气化炉是以水煤浆为原材料制取合成氨的气体原料的关键设备，气化炉燃烧室不但高温、高压，并且含有多重复杂焰气工况。燃烧室工作温度1450℃～1600℃，工作压力为2.5～6.5Mpa。煤灰熔点为1310～1370℃之间。由于炉气氧化——还原作用、超高的工作温度、灰渣冲刷、熔渣腐蚀等联合作用，工作环境更加苛刻。贵金属热电偶是气化炉重要的测温设备，目前的热电偶保护套管受工作环境的影响很易在短时间内被严重腐蚀、磨穿而产生开裂或断裂，使用寿命一般为15天～3个月，没有定期，需要经常更换，因此生产成本很高。这个问题到目前始终没有能够得到很好的解决。 

发明内容

本发明主要解决原有热电偶由于热电偶保护套管受工作环境的影响很易在短时间内被严重腐蚀、磨穿而产生开裂或断裂，使用寿命较短，需要经常更换，生产成本较高的技术问题；提供一种气化炉热电偶及其热电偶保护套管的制作方法，其热电偶保护套管耐高温、耐高压，既耐氧化性气体，又耐还原性气体，既抗高温熔渣腐蚀，又不会结焦，具有很好的抗热冲击性能，在炉温强烈波动时不开裂、不断裂，在高温、高压下有足够强的机械强度和耐高温熔渣冲刷能力，因此大大延长了热电偶保护套管及气化炉热电偶的使用寿命，减少更换频率，从而降低生产成本。

本发明另一目的是提供一种气化炉热电偶，其既伸缩可调，又有较好的堵漏功能，在工况特别恶劣的情况下，即使生产期间热电偶保护套管发生开裂或断裂，被测介质也不会往设备外泄漏，达到既抗震又堵漏的双重效果，安全性能高。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的气化炉热电偶，包括热电偶及套在热电偶外的热电偶保护套管，所述的热电偶保护套管包括一端封闭的非金属保护管和包围在非金属保护管外侧面的金属外保护管，非金属保护管和金属外保护管之间设有第一粘结层，所述的金属外保护管的外表面设有一层保护层。热电偶保护套管由多层构成，由分层制作而成。测温时，非金属保护管与气化炉中介质直接接触，能在高温、高压下可靠使用，硬度高。但非金属保护管毕竟不是金属材料，长度越长，其抗蠕变和抗应力断裂性能就越差，又无法与金属材料轻易焊接。因此，在非金属保护管的外侧面包裹有一段金属外保护管，从而增强抗蠕变和抗应力断裂性能，还便于与金属材料进行焊接，便于安装。非金属保护管和金属外保护管之间用高温粘结剂进行粘结，在1500℃左右时，金属外保护管与高温粘结剂会形成复合状态，进一步提高热电偶保护套管的强度及抗蠕变和抗应力断裂性能。保护层的设置，提高金属抗氧化和抗还原性能。因此，本发明的热电偶保护套管，耐高温、耐高压，既耐氧化性气体，又耐还原性气体，既抗高温熔渣腐蚀，又不会结焦，具有很好的抗热冲击性能，在炉温强烈波动时不开裂、不断裂，在高温、高压下有足够强的机械强度和耐高温熔渣冲刷能力，大大延长了热电偶保护套管及气化炉热电偶的使用寿命，减少更换频率，从而降低用户生产成本。

作为优选，所述的金属外保护管的顶端和所述的非金属保护管的开放端齐平，金属外保护管的长度大于二分之一的非金属保护管的长度。金属外保护管基本包裹非金属保护管的整个外侧面，金属外保护管和气化炉炉膛部分环境接触，非金属保护管只有包括封闭端的一小段裸露在金属外保护管外，与气化炉内需要测温的介质直接接触，确保测温的准确性。

作为优选，所述的非金属保护管采用亚微米碳化硅粉末无压烧结而成，所述的金属外保护管采用合金冶炼而成，所述的合金包括重量比为65%～70%的铬、5%～7％的钼、2%～4％的铌、1%～2％的钇和其余的铁，所述的第一粘结层采用重量比为45%～55%的氮化硅微粉、25%～35%的云母和其余的水及粘胶制成的混合粘结剂，所述的保护层为涂在金属外保护管的外表面的一层三氧化铝、钼、钴、镊和铁的混合熔液层，该混合熔液层的外面还设有一层经激光重熔复合的改性处理的陶瓷层。碳化硅材料硬度高，是仅次于金刚石的最硬的材料之一，室温下碳化硅的硬度为2800Kg/mm2，也能在高温1900℃中可靠地使用，实际使用在气化炉中高达1650℃的环境温度中，具有超高的强度及抗蠕变和抗应力断裂性能。抗弯强度（4点）380Mpa，断裂韧性4.6Mpa/√m，弹性模量（室温）410Gpa。与不锈钢材料的导热性相当，导热性是氧化铝的5倍，比重是大多数金属合金的一半，是钢的40％，与铝大致相同。采用亚微米碳化硅粉末无压烧结制成的非金属保护管，具有高硬度和超高的强度，耐高温、耐高压，抗蠕变和抗应力断裂性能强。保护层也可只设在金属外保护管的高温区段的表面，保护层具有耐腐蚀、耐磨损的性能，提高热电偶保护套管的抗氧化、抗还原性能。

作为优选，所述的非金属保护管内设有一端封闭的金属内保护管，金属内保护管的外表面设有铝熔液复合层，金属内保护管和非金属保护管之间设有第二粘结层。金属内保护管一般用难熔金属制成，耐高温、耐腐蚀，金属内保护管作为非金属保护管内的骨架，用铝熔液热涂于金属内保护管外表面，再用激光重熔形成铝熔液复合层，金属内保护管和非金属保护管的内孔用高温粘结剂粘合。使得非金属保护管外有耐高温的金属外保护管保护，内有耐高温的金属内保护管作为骨架支撑，因此，即使在一定时间内非金属保护管发生开裂或断裂，气化炉介质中的有害气体也无法直接侵蚀由贵金属铂铑丝制成的热电偶，不影响热电偶继续进行测温工作。

作为优选，所述的金属内保护管采用重量比为18%～22%的钽、55%～62%的钨、11%～13%的铌和5%～7%的钼冶炼而成的合金材质，所述的第二粘结层采用重量比为45%～55%的氮化硅微粉、25%～35%的云母和其余的水及粘胶制成的混合粘结剂。钽、钨、铌和钼为难熔金属，耐高温、耐腐蚀，氮化硅微粉和云母的混合粘结剂耐1700℃高温，在1500℃左右时，金属内保护管与高温粘结剂会形成复合状态，进一步提高热电偶保护套管的强度及抗蠕变和抗应力断裂性能。

作为优选，所述的非金属保护管的封闭端头外套有一个石墨套管，石墨套管一端封闭、另一端开放，其开放端设有内螺纹，所述的金属外保护管的底端设有和所述的内螺纹匹配的外螺纹，所述的石墨套管和金属外保护管的底端通过螺纹相连。石墨套管拆装方便。不工作时，石墨套管套在上面，需要测温时，再将其拆下。防止运输、安装、烘炉、运行等情况下发生意外而伤害到非金属保护管，石墨套管对非金属保护管的裸露端头起到很好的保护作用。

作为优选，所述的金属外保护管上连接有设备安装法兰，设备安装法兰上设有卡套固定座和活动卡套，卡套固定座设有外螺纹，卡套固定座的内孔顶端设有一圈台肩，台肩上设有密封圈，所述的活动卡套内设有相连的大通孔和小通孔，大通孔和小通孔的连接处形成一圈下压台肩，大通孔设有内螺纹，大通孔和卡套固定座相匹配，所述的活动卡套和卡套固定座通过螺纹相连，所述的下压台肩压在所述的卡套固定座及密封圈的顶面上；所述的金属外保护管的顶端连接有下法兰，下法兰上连接有上法兰，上法兰和下法兰之间设有金属缠绕石墨垫片。

本发明的气化炉热电偶的热电偶保护套管的制作方法，包括如下步骤：

①. 用亚微米碳化硅粉末经无压烧结制成所述的非金属保护管；

②. 用重量比为65%～70%的铬、5%～7％的钼、2%～4％的铌、1%～2％的钇和其余的铁组成的合金经合金冶炼制成所述的金属外保护管；

③.将所述的金属外保护管套在所述的非金属保护管外，并且两者之间用重量比为45%～55%的氮化硅微粉、25%～35%的云母和其余的水及粘胶制成的粘结剂粘结；

④.在所述的金属外保护管的外表面先涂覆重量比为78%～82%的三氧化铝、5%～9%的钼、3%～7%的钴、2%～4%的镊及其余的铁的混合熔液，再经激光重熔复合上改性处理的陶瓷层，制成所述的保护层。

作为优选，所述的步骤①和步骤②之间或者步骤③和步骤④之间，还有如下步骤：

a．用重量比为为18%～22%的钽、55%～62%的钨、11%～13%的铌和5%～7%的钼组成的合金经合金冶炼制成金属内保护管；

b．用铝熔液热涂在金属内保护管的外表面，再用激光重熔复合，制成铝熔液复合层；

c．将金属内保护管插入到所述的非金属保护管中，并且两者之间用重量比为45%～55%的氮化硅微粉、25%～35%的云母和其余的水及粘胶制成的粘结剂粘结。

作为优选，所述的热电偶保护套管的制作方法还包括步骤⑤：在所述的非金属保护管的封闭端头外套上一个一端封闭、另一端开放的石墨套管，石墨套管的开放端设有内螺纹，所述的金属外保护管的底端设有外螺纹，通过螺纹连接将石墨套管旋紧在金属外保护管的底端上。

本发明的有益效果是：热电偶保护套管经过分层制作，具有耐高温、耐高压、耐高温熔渣腐蚀和耐高温熔渣冲刷的优良性能，既耐氧化性气体，又耐还原性气体，具有很好的抗热冲击性能，在炉温强烈波动时不开裂、不断裂，在高温、高压下有足够强的机械强度，因此大大延长了热电偶保护套管及气化炉热电偶的使用寿命，使用寿命达一年以上，从而减少更换频率，降低用户生产成本。另外，本发明的气化炉热电偶，既伸缩可调，又有较好的堵漏功能，在工况特别恶劣的情况下，即使生产期间热电偶保护套管发生开裂或断裂，被测介质也不会往设备外泄漏，达到既抗震又堵漏的双重效果，提高安全性能。

附图说明

图1是本发明气化炉热电偶的一种轴向剖视结构示意图。

图2是本发明中热电偶保护套管的一种局部轴向剖视结构的放大示意图。

图3是本发明气化炉热电偶中卡套固定座、密封圈和活动卡套的立体分解结构示意图。

图中1.热电偶，2.非金属保护管，3.金属外保护管，4.第一粘结层，5.保护层，6.金属内保护管，7.第二粘结层，8.石墨套管，9.设备安装法兰，10.卡套固定座，11.活动卡套，12.台肩，13.密封圈，14.大通孔，15.小通孔，16.下压台肩，17.下法兰，18.上法兰，19.金属缠绕石墨垫片，20.接线盒。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的气化炉热电偶，如图1所示，包括和接线盒20相连的热电偶1及套在热电偶1外的热电偶保护套管。热电偶保护套管包括一端封闭的非金属保护管2、一端封闭的金属内保护管6和包围在非金属保护管外侧面的金属外保护管3。如图2所示，非金属保护管2采用亚微米碳化硅粉末无压烧结而成，金属内保护管6插入在非金属保护管2的内孔中，金属内保护管6采用重量比为20%的钽、60%的钨、13%的铌和7%的钼经合金冶炼而成，金属内保护管6的外表面热涂有一层铝熔液，再经激光重熔形成一层铝熔液复合层，金属内保护管6和非金属保护管2的内孔之间用重量比为50%的氮化硅微粉、30%的云母和其余的水及粘胶制成的混合粘结剂进行粘结，形成第二粘结层7。金属外保护管3的顶端和非金属保护管2的开放端齐平，金属外保护管3的长度略小于非金属保护管2的长度，使非金属保护管只有包括封闭端的一小段裸露在金属外保护管外，金属外保护管3采用合金冶炼而成，该合金包括重量比为70%的铬、5%的钼、3％的铌、2％的钇和其余的铁，非金属保护管2的外侧面和金属外保护管3的内孔之间用重量比为50%的氮化硅微粉、30%的云母和其余的水及粘胶制成的混合粘结剂进行粘结，形成第一粘结层4，金属外保护管3的外表面还有一层保护层5，该保护层5为涂在金属外保护管3的外表面的一层三氧化铝、钼、钴、镊和铁的混合熔液层，该混合熔液层的外面还有一层经激光重熔复合的改性处理的陶瓷层。如图1所示，非金属保护管2裸露在金属外保护管外的部分上套有一个石墨套管8，石墨套管8一端封闭、另一端开放，其开放端部有内螺纹，金属外保护管3的底端有相匹配的外螺纹，石墨套管8和金属外保护管3的底端通过螺纹相连。金属外保护管3上连接有设备安装法兰9，设备安装法兰9的顶面上焊接有一个卡套固定座10，如图3所示，卡套固定座10有外螺纹，卡套固定座10的内孔顶端有一圈台肩12，台肩12上安装有一个密封圈13。卡套固定座10上螺纹连接有一个活动卡套11，活动卡套11内有相连的大通孔14和小通孔15，大通孔14和小通孔15的连接处形成一圈下压台肩16，大通孔14有内螺纹，大通孔14和卡套固定座10相匹配，实现和卡套固定座的螺纹连接，下压台肩16压在卡套固定座10及密封圈13的顶面上。金属外保护管3的顶端焊接有下法兰17，下法兰17上连接有上法兰18，上法兰18和下法兰17之间垫有金属缠绕石墨垫片19。

上述气化炉热电偶的热电偶保护套管的制作方法，包括如下步骤：

①.用亚微米碳化硅粉末经无压烧结制成非金属保护管2；

②.用重量比为20%的钽、60%的钨、13%的铌和7%的钼组成的合金经合金冶炼制成金属内保护管6；

③.用铝熔液热涂在金属内保护管6的外表面，再用激光重熔复合，制成铝熔液复合层；

④.将金属内保护管6插入到非金属保护管2中，并且两者之间用重量比为50%的氮化硅微粉、30%的云母和其余的水及粘胶制成的粘结剂粘结；

⑤.用重量比为70%的铬、5%的钼、3％的铌、2％的钇和其余的铁组成的合金经合金冶炼制成金属外保护管3；

⑥.将金属外保护管3套在非金属保护管2外，使非金属保护管只有包括封闭端的一小段裸露在外，两者之间用重量比为50%的氮化硅微粉、30%的云母和其余的水及粘胶制成的粘结剂粘结；

⑦.在金属外保护管3的外表面先涂覆重量比为80%的三氧化铝、7%的钼、5%的钴、3%的镊及其余的铁的混合熔液，再经激光重熔复合上改性处理的陶瓷层，制成保护层5；

⑧.在非金属保护管2的裸露段外套上一个一端封闭、另一端开放的石墨套管8，通过螺纹连接将石墨套管8旋紧在金属外保护管3的底端上。