氧化鋯探頭加熱爐易損分析及新探頭研制

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

1 概述

1.1 氧化鋯氧量分析儀探頭及工作原理

氧化鋯氧量分析儀探頭(以下簡(jiǎn)稱探頭)由過(guò)濾器、氧化鋯陶瓷元件、加熱爐、探頭外管、信號(hào)引線、標(biāo)氣管、元件法蘭、K型熱電偶、安裝法蘭、接線盒組成，如圖1所示。

圖1 探頭結(jié)構(gòu)示意圖1.過(guò)濾器；2.氧化鋯陶瓷元件；3.加熱爐；4.探頭外管；5.信號(hào)引線；6.標(biāo)氣管；7.元件法蘭；8.K型熱電偶；9法蘭；10.接線盒

氧化鋯陶瓷元件是探頭的核心部件，由其產(chǎn)生電勢(shì)信號(hào)；加熱爐將氧化鋯陶瓷元件加熱到設(shè)定的工作溫度；熱電偶為溫度傳感器，用來(lái)測(cè)量加熱爐的溫度；信號(hào)引線將氧化鋯元件所產(chǎn)生的電勢(shì)信號(hào)輸送到氧量變送器。

在高溫下，當(dāng)氧化鋯陶瓷元件電極兩側(cè)的氧含量不相等時(shí)，氧化鋯陶瓷元件便構(gòu)成一個(gè)氧濃差電池，并產(chǎn)生相應(yīng)氧濃差電勢(shì)，電勢(shì)大小與氧濃度之間的關(guān)系符合(修正后的)能斯特公式：

E=0.0496TlgP0/Px+E0

式中E為電池氧濃差電動(dòng)勢(shì)；T為電池的工作溫度(一般為700～800℃)，P0為參比側(cè)氧含量(一般采用空氣作參比氣，氧含量20.95%)，Px待測(cè)氣體中的氧含量，E0為氧化鋯元件本底電勢(shì)。通過(guò)電池的電勢(shì)輸出信號(hào)就可以計(jì)算出待測(cè)氣體中的氧含量[1]。

1.2 加熱爐故障原因、分析及解決途徑

目前氧化鋯氧分析儀探頭用加熱爐多為圓柱體藕芯式陶瓷爐體結(jié)構(gòu)，圓柱體中央分布若干通孔，在其通孔(以下簡(jiǎn)稱芯管)中穿入彈簧合金加熱絲。這種加熱爐燒損現(xiàn)象嚴(yán)重，是直接導(dǎo)致探頭故障率高的重要因素[2]。由此，找出加熱爐易損原因及提出解決的方法，對(duì)減少探頭故障率具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[3]認(rèn)為在高溫下，接點(diǎn)易發(fā)生氧化，尤其在電壓變大接點(diǎn)溫度突然加大易造成爐絲燒斷；文獻(xiàn)[4]分析了影響電熱元件質(zhì)量和壽命的因素，特別指出“過(guò)熱點(diǎn)”是爐絲燒斷的主因。

本研究通過(guò)對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)使用后的故障探頭進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)加熱爐絲氧化嚴(yán)重，并有大量黑褐色灰塵狀物質(zhì)(揮發(fā)和升華冷凝物)充滿加熱爐芯管。對(duì)爐中的黑褐色物進(jìn)行化學(xué)分析，并與加熱爐采用的Cr20Ni80爐絲進(jìn)行了成分對(duì)比，結(jié)果見表1。

表1 加熱爐中黑褐色灰塵分析結(jié)果與Cr20Ni80鉻鎳爐絲組分比對(duì)表

表1結(jié)果表明爐中黑灰是爐絲成分揮發(fā)物所致，且爐絲成分中鉻的損失大于鎳，這將進(jìn)一步導(dǎo)致爐絲加速氧化反應(yīng)，從而縮短其壽命，同時(shí)冷凝升化固體粒落下接觸高溫爐絲，導(dǎo)致局部發(fā)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而這造成爐絲產(chǎn)生局部的單位電阻變化，誘發(fā)局部功率加大，導(dǎo)致過(guò)熱直至熔融斷裂，燒斷爐絲。

基于上述分析：避免爐絲氧化和升華固體物落入是要解決加熱爐絲燒斷的關(guān)鍵。

目前市面上避免加熱爐管爐絲氧化的辦法主要是通過(guò)隔絕空氣實(shí)現(xiàn)，采用不銹鋼外空心管穿彈簧爐絲裝固體粉末再收口的方式封閉爐管[6]。但該法存在電熱絲偏心、產(chǎn)生固體粉塵等隱憂，同時(shí)工序繁鎖，且需要使用專業(yè)設(shè)備。本研究采用的水性絕緣材料“灌膠封端”法，用于加熱爐制作及氧化鋯氧分析儀探頭研制未見報(bào)道。

2．實(shí)驗(yàn)方法

2.1 一體化密封新加熱爐的研制方法

(1)將不同配比的“高溫水性絕緣涂料”[7]和水性娟云母粉在高速攪拌下混勻制作密封膏和密封劑；

(2)將繞制好的彈簧絲型0.4mmCr20Ni80爐絲分成10段穿入藕型陶瓷爐膛管；

(3)將自制高溫水性絕緣密封膏對(duì)藕芯式陶瓷爐膛管端實(shí)施封堵；用高溫水性絕緣密封劑灌注藕芯式陶瓷爐膛管，加工成一體化的密封加熱爐，具體制作流程如圖2。

2.2 探頭研制

本研究所開發(fā)的新探頭，除采用新研制的一體化加熱爐作為加熱器件外，其他結(jié)構(gòu)與常規(guī)探頭相似(參見圖2)

圖2 一體化密封加熱爐制作流程

3 結(jié)果與討論

3.1 試制的加熱爐的性能比較(表2)

表2 一體化密封新加熱爐與普通爐性能比較

續(xù)表2

由表2可知，一體化密封新加熱爐子從測(cè)試指標(biāo)可以代替普通爐，用于氧化鋯氧分析儀探頭使用。

3.2 新探頭的測(cè)試結(jié)果

對(duì)研制的新加熱爐探頭進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見表3。

表3 使用新加熱爐的試制探頭測(cè)試結(jié)果

由表3可知，使用新爐子試制的探頭，其測(cè)量準(zhǔn)確度完全滿足其測(cè)量要求。

4 新探頭現(xiàn)場(chǎng)使用情況分析

對(duì)采用新加熱爐制作探頭和采用常規(guī)加熱爐制作探頭，在使用時(shí)間相等的情況下，加熱爐故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示。

表4 新加熱爐探頭和常規(guī)加熱爐探頭加熱爐故障率統(tǒng)計(jì)

由表4可知，采用新加熱爐制作探頭故障返修率僅為采用常規(guī)加熱爐制作探頭術(shù)的三十一分之一，故障返修率僅為0.3%；說(shuō)明針對(duì)爐絲毀損的分析和采取的措施，解決了目前市場(chǎng)多數(shù)氧分析儀存在的加熱爐子燒損現(xiàn)象嚴(yán)重，故障返修率高這一問(wèn)題。

5 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)氧化鋯探頭加熱爐易損原因進(jìn)行分析，首次提出用水性絕緣材料“灌膠封端”的方法，避免加熱爐爐絲氧化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用該加熱爐生產(chǎn)的新探頭，完全滿足氧分析儀測(cè)量的要求，并且因爐絲毀損而返修的探頭比例下降了30倍左右，解決了目前市場(chǎng)多數(shù)氧分析儀存在加熱爐子燒損嚴(yán)重，故障返修率高的問(wèn)題，提升了產(chǎn)品品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，取得了較好的效果。