钢厂热风炉热电偶铂铑10-铂偶丝脆断原因分析
2026年09月11日 17:42:11
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重庆工学院材料科学与工程学院黄福祥、张津和杜长华工程师利用电子探针显微分析仪（EPMA）对早期断裂的钢厂热风炉铂铑10-铂偶丝进行了分析。结果表明，钢厂热风炉热电偶保护管密封不严，使用时环境气氛与钢厂热风炉热电偶偶丝直接接触，磷杂质污染偶丝并在偶丝晶界上形成富Pt-P脆性相，造成沿晶脆性断裂，是引起钢厂热风炉热电偶失效主要原因。 铂铑10-铂热电偶是的、精度很高的热电偶，它除用作标准内插件外，也用作—温度标准和二等标准温度传递，还常用于航空、航天中的一般温度测量。其长期使用温度为1000-1300℃，短期可在1600℃下用。使用环境为氧化或中性气氛，也可在真空下使用。某钢厂热风炉热电偶为铂铑10-铂（PtRh10-Pt）贵金属热电偶，丝径为Φ0.5mm，保护陶瓷为氧化铝，保护管为3YC52高温合金管（采用可耐1300℃的新合金制造）。热风炉热电偶用于炼钢用热风炉中，使用温度约1200℃，在使用仅约40小时后，发现其显示温度异常，于是卸下热电偶，拆开后发现其已断成数节，呈脆化状态。为避免类似事故的发生，对该热风炉热电偶偶丝进行了失效分析。1、试验方法 将断裂的铂铑10-铂偶丝用酒精并经超声波清洗后，用JCXA-733型电子探针显微分析仪对偶丝断口及外表面进行二次电子形貌观察、微区定性定量分析及面、线扫描分析，EPMA使用条件为加速电压29kV，电流2.0×10-8A。 2、钢厂热风炉热电偶铂铑10-铂偶丝脆断原因分析试验结果 2.1 宏观分析 该热电偶由铂铑10和纯铂丝所组成，其中纯铂偶丝比铂铑10受损严重，已断成7段，铂铑10只断成3段，靠近热端的偶丝破坏更为严重，这与热端使用温度高有关系。用肉眼观察，纯铂偶丝断口反光性较强，在强光下转动时可见到闪闪发光的特征。由于偶丝直径只有Φ0.5mm，因此将受损严重的靠近热端使用的纯铂丝进行清洗后，置入JCXA-733型电子探针显微分析仪中进行表面形貌和断口分析。 2.2 热电偶丝表面分析 Pt偶丝表面二次电子形貌纯铂偶丝外表面的典型二次电子形貌像（Second-ary Electron Image,SEI）见图1a和图1b。由图1a和图1b可见，虽然铂铑10-铂偶丝没有采用晶界腐蚀技术显示其晶粒，但其晶界却清晰可见，而且晶界比基体低，凹陷下去，此种现象表明偶丝在使用过程中其晶界已经受损。 对图1b中的基体和晶界物相进行定性和定量分析，其结果见表1。由表1可以看出，晶界物相的P含量已高达3.51%-5.14%。根据Pt-P相图可知，P与Pt形成Pt20P7相中的P含量为5.26%，因此晶界物相可能是Pt20P7相。 图1c为放大的三角晶界形貌，可以观察到，其晶界可能已形成新的物相，并且有裂纹存在，表现出脆性特征。对其进行面扫描分析，发现P元素在晶界处发生偏聚，图1d即为P元素在其上的分布图，可以看出P元素有明显的偏聚。 2.3 热电偶纯铂丝断口分析 偶丝断口典型的二次电子形貌见图2，断口呈冰糖状，断口上基本没有塑性变形痕迹，为典型的沿晶断口形貌。将图2中上方的断口进行更高放大倍数的二次电子形貌观察，可以清楚观察到在三角晶界处有衬度明显黑于周围晶粒的其它物相存在，形状呈似流动状，富集在晶界，见图3。经EPMA7定性分析，断口晶界处有较多的P元素偏聚。 Pt偶丝断口二次电子形貌 Pt偶丝断口三角晶界处二次电子形貌 偶丝断口三角晶界处二次电子形貌 对图4所示的晶界进行了EPMA线分析。图4中晶界也存在细小颗粒状物质富集，由于断口形状的影响，左下角晶粒表面呈白色，右小角晶粒呈深黑色，而上面晶粒则呈灰色。虽然此三角晶界处比周围晶粒位置低，但经线扫描分析，也可以看出，P元素在晶界有明显的峰值，表明P元素在晶界确有偏析，这与偶丝表面分析结果一致。 3、钢厂热风炉热电偶铂铑10-铂偶丝脆断分析与讨论 钢厂热风炉是冶金企业应用很普遍的设备，以煤炭、煤气或天燃气为燃料，通常使用温度在1200℃左右，采用铂铑10-铂热电偶测温，炉内是较典型的还原气氛，主要有CO2、CO、O2及N2等。 铂铑10-铂热电偶在还原性气氛中发生脆断失效，通常主要有以下几种原因:①高温下氢原子能渗透到铂金属内部，因氢脆而引起断裂；②高温下碳能溶解在铂中，冷却后呈石墨状从铂中析出，使铂变得易脆断；③高温下铂和铂铑合金在还原性气氛中和含有SiO2耐火材料接触，产生硅化铂，引起脆断。 由以上试验结果可知，偶丝并不是以上几种原因所造成，而是受到P元素的侵害，并且在偶丝晶界上发生偏聚，其晶界物相的P含量已高达3.51%-5.14%。根据Pt-P相图可知，P与Pt可形成Pt20P7相，其P含量为5.26%，因此该偶丝晶界处的P含量足以形成Pt20P7相，该相与Pt易形成共晶，其共晶温度仅为588℃。而在使用温度的1200℃时，从图5的相图可知，金属Pt-与含有P的熔液Pt%共存，当温度降下来后，就保留了熔液流动的痕迹，这点可以从图3的晶界看出，并形Pt20P7相，同时该相还较脆，易形成裂纹，见图1c所示，最终造成偶丝沿晶断裂。因此可以认为P元素是造成偶丝断裂的主要原因。 Pt-P二元相图 虽然在偶丝表面及内部发现有较多的P元素存在，但不可能是偶丝制造过程中形成的。因为偶丝作为热电偶使用，已进行过多次热电势的测试检验，符合要求，并且在使用初期，测试的温度显示也正常。因此可以认为P元素是外来的，这在偶丝表面发现有较多的P元素得到证实。而在炼钢过程中，通常采用P元素作为脱氧剂，因此P元素很可能是炼钢过程中的气氛中含有的，并与偶丝发生了接触，这说明热电偶高温密封存在问题，才造成炉气与偶丝发生了直接接触，最终造成偶丝断裂失效。 5、钢厂热风炉热电偶铂铑10-铂偶丝脆断结论及建议 热风炉热电偶用铂铑10-铂偶丝脆断是由于P元素在偶丝晶界偏聚形成Pt-P脆性相所造成的沿晶断裂。建议生产厂加强密封措施，以防热风炉热电偶偶丝裸露使用。
昌晖仪表制造有限公司生产的热风炉热电偶
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