鋼廠熱風爐熱電偶鉑銠10-鉑偶絲脆斷原因分析
2023年02月02日 09:14:29
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重慶工學院材料科學與工程學院黃福祥、張津和杜長華工程師利用電子探針顯微分析儀（EPMA）對早期斷裂的鋼廠熱風爐鉑銠10-鉑偶絲進行了分析。結果表明，鋼廠熱風爐熱電偶保護管密封不嚴，使用時環境氣氛與鋼廠熱風爐熱電偶偶絲直接接觸，磷雜質污染偶絲并在偶絲晶界上形成富Pt-P脆性相，造成沿晶脆性斷裂，是引起鋼廠熱風爐熱電偶失效主要原因。 鉑銠10-鉑熱電偶是的、精度很高的熱電偶，它除用作標準內插件外，也用作—溫度標準和二等標準溫度傳遞，還常用于航空、航天中的一般溫度測量。其長期使用溫度為1000-1300℃，短期可在1600℃下用。使用環境為氧化或中性氣氛，也可在真空下使用。某鋼廠熱風爐熱電偶為鉑銠10-鉑（PtRh10-Pt）貴金屬熱電偶，絲徑為Φ0.5mm，保護陶瓷為氧化鋁，保護管為3YC52高溫合金管（采用可耐1300℃的新合金制造）。熱風爐熱電偶用于煉鋼用熱風爐中，使用溫度約1200℃，在使用僅約40小時后，發現其顯示溫度異常，于是卸下熱電偶，拆開后發現其已斷成數節，呈脆化狀態。為避免類似事故的發生，對該熱風爐熱電偶偶絲進行了失效分析。1、試驗方法 將斷裂的鉑銠10-鉑偶絲用酒精并經超聲波清洗后，用JCXA-733型電子探針顯微分析儀對偶絲斷口及外表面進行二次電子形貌觀察、微區定性定量分析及面、線掃描分析，EPMA使用條件為加速電壓29kV，電流2.0×10-8A。 2、鋼廠熱風爐熱電偶鉑銠10-鉑偶絲脆斷原因分析試驗結果 2.1 宏觀分析 該熱電偶由鉑銠10和純鉑絲所組成，其中純鉑偶絲比鉑銠10受損嚴重，已斷成7段，鉑銠10只斷成3段，靠近熱端的偶絲破壞更為嚴重，這與熱端使用溫度高有關系。用肉眼觀察，純鉑偶絲斷口反光性較強，在強光下轉動時可見到閃閃發光的特征。由于偶絲直徑只有Φ0.5mm，因此將受損嚴重的靠近熱端使用的純鉑絲進行清洗后，置入JCXA-733型電子探針顯微分析儀中進行表面形貌和斷口分析。 2.2 熱電偶絲表面分析 Pt偶絲表面二次電子形貌純鉑偶絲外表面的典型二次電子形貌像（Second-ary Electron Image,SEI）見圖1a和圖1b。由圖1a和圖1b可見，雖然鉑銠10-鉑偶絲沒有采用晶界腐蝕技術顯示其晶粒，但其晶界卻清晰可見，而且晶界比基體低，凹陷下去，此種現象表明偶絲在使用過程中其晶界已經受損。 對圖1b中的基體和晶界物相進行定性和定量分析，其結果見表1。由表1可以看出，晶界物相的P含量已高達3.51%-5.14%。根據Pt-P相圖可知，P與Pt形成Pt20P7相中的P含量為5.26%，因此晶界物相可能是Pt20P7相。 圖1c為放大的三角晶界形貌，可以觀察到，其晶界可能已形成新的物相，并且有裂紋存在，表現出脆性特征。對其進行面掃描分析，發現P元素在晶界處發生偏聚，圖1d即為P元素在其上的分布圖，可以看出P元素有明顯的偏聚。 2.3 熱電偶純鉑絲斷口分析 偶絲斷口典型的二次電子形貌見圖2，斷口呈冰糖狀，斷口上基本沒有塑性變形痕跡，為典型的沿晶斷口形貌。將圖2中上方的斷口進行更高放大倍數的二次電子形貌觀察，可以清楚觀察到在三角晶界處有襯度明顯黑于周圍晶粒的其它物相存在，形狀呈似流動狀，富集在晶界，見圖3。經EPMA7定性分析，斷口晶界處有較多的P元素偏聚。 Pt偶絲斷口二次電子形貌 Pt偶絲斷口三角晶界處二次電子形貌 偶絲斷口三角晶界處二次電子形貌 對圖4所示的晶界進行了EPMA線分析。圖4中晶界也存在細小顆粒狀物質富集，由于斷口形狀的影響，左下角晶粒表面呈白色，右小角晶粒呈深黑色，而上面晶粒則呈灰色。雖然此三角晶界處比周圍晶粒位置低，但經線掃描分析，也可以看出，P元素在晶界有明顯的峰值，表明P元素在晶界確有偏析，這與偶絲表面分析結果一致。 3、鋼廠熱風爐熱電偶鉑銠10-鉑偶絲脆斷分析與討論 鋼廠熱風爐是冶金企業應用很普遍的設備，以煤炭、煤氣或天燃氣為燃料，通常使用溫度在1200℃左右，采用鉑銠10-鉑熱電偶測溫，爐內是較典型的還原氣氛，主要有CO2、CO、O2及N2等。 鉑銠10-鉑熱電偶在還原性氣氛中發生脆斷失效，通常主要有以下幾種原因:①高溫下氫原子能滲透到鉑金屬內部，因氫脆而引起斷裂；②高溫下碳能溶解在鉑中，冷卻后呈石墨狀從鉑中析出，使鉑變得易脆斷；③高溫下鉑和鉑銠合金在還原性氣氛中和含有SiO2耐火材料接觸，產生硅化鉑，引起脆斷。 由以上試驗結果可知，偶絲并不是以上幾種原因所造成，而是受到P元素的侵害，并且在偶絲晶界上發生偏聚，其晶界物相的P含量已高達3.51%-5.14%。根據Pt-P相圖可知，P與Pt可形成Pt20P7相，其P含量為5.26%，因此該偶絲晶界處的P含量足以形成Pt20P7相，該相與Pt易形成共晶，其共晶溫度僅為588℃。而在使用溫度的1200℃時，從圖5的相圖可知，金屬Pt-與含有P的熔液Pt%共存，當溫度降下來后，就保留了熔液流動的痕跡，這點可以從圖3的晶界看出，并形Pt20P7相，同時該相還較脆，易形成裂紋，見圖1c所示，最終造成偶絲沿晶斷裂。因此可以認為P元素是造成偶絲斷裂的主要原因。 Pt-P二元相圖 雖然在偶絲表面及內部發現有較多的P元素存在，但不可能是偶絲制造過程中形成的。因為偶絲作為熱電偶使用，已進行過多次熱電勢的測試檢驗，符合要求，并且在使用初期，測試的溫度顯示也正常。因此可以認為P元素是外來的，這在偶絲表面發現有較多的P元素得到證實。而在煉鋼過程中，通常采用P元素作為脫氧劑，因此P元素很可能是煉鋼過程中的氣氛中含有的，并與偶絲發生了接觸，這說明熱電偶高溫密封存在問題，才造成爐氣與偶絲發生了直接接觸，最終造成偶絲斷裂失效。 5、鋼廠熱風爐熱電偶鉑銠10-鉑偶絲脆斷結論及建議 熱風爐熱電偶用鉑銠10-鉑偶絲脆斷是由于P元素在偶絲晶界偏聚形成Pt-P脆性相所造成的沿晶斷裂。建議生產廠加強密封措施，以防熱風爐熱電偶偶絲裸露使用。
昌暉儀表制造有限公司生產的熱風爐熱電偶
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