氧化鋯探頭加熱爐易損分析及新探頭研制

(中國原子能科學研究院，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(以下簡稱探頭)由過濾器、氧化鋯陶瓷元件、加熱爐、探頭外管、信號引線、標氣管、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 探頭結構示意圖1.過濾器；2.氧化鋯陶瓷元件；3.加熱爐；4.探頭外管；5.信號引線；6.標氣管；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，由其產生電勢信號；加熱爐將氧化鋯陶瓷元件加熱到設定的工作溫度；熱電偶為溫度傳感器，用來測量加熱爐的溫度；信號引線將氧化鋯元件所產生的電勢信號輸送到氧量變送器。

在高溫下，當氧化鋯陶瓷元件電極兩側的氧含量不相等時，氧化鋯陶瓷元件便構成一個氧濃差電池，并產生相應氧濃差電勢，電勢大小與氧濃度之間的關系符合(修正后的)能斯特公式：

E=0.0496TlgP0/Px+E0

式中E為電池氧濃差電動勢；T為電池的工作溫度(一般為700～800℃)，P0為參比側氧含量(一般采用空氣作參比氣，氧含量20.95%)，Px待測氣體中的氧含量，E0為氧化鋯元件本底電勢。通過電池的電勢輸出信號就可以計算出待測氣體中的氧含量[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構，圓柱體中央分布若干通孔，在其通孔(以下簡稱芯管)中穿入彈簧合金加熱絲。這種加熱爐燒損現象嚴重，是直接導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，對減少探頭故障率具有較大的現實意義。

文獻[3]認為在高溫下，接點易發生氧化，尤其在電壓變大接點溫度突然加大易造成爐絲燒斷；文獻[4]分析了影響電熱元件質量和壽命的因素，特別指出“過熱點”是爐絲燒斷的主因。

本研究通過對在現場使用后的故障探頭進行解剖，發現加熱爐絲氧化嚴重，并有大量黑褐色灰塵狀物質(揮發和升華冷凝物)充滿加熱爐芯管。對爐中的黑褐色物進行化學分析，并與加熱爐采用的Cr20Ni80爐絲進行了成分對比，結果見表1。

表1 加熱爐中黑褐色灰塵分析結果與Cr20Ni80鉻鎳爐絲組分比對表

表1結果表明爐中黑灰是爐絲成分揮發物所致，且爐絲成分中鉻的損失大于鎳，這將進一步導致爐絲加速氧化反應，從而縮短其壽命，同時冷凝升化固體粒落下接觸高溫爐絲，導致局部發生氧化還原反應，進而這造成爐絲產生局部的單位電阻變化，誘發局部功率加大，導致過熱直至熔融斷裂，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鍵。

目前市面上避免加熱爐管爐絲氧化的辦法主要是通過隔絕空氣實現，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、產生固體粉塵等隱憂，同時工序繁鎖，且需要使用專業設備。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道。

2．實驗方法

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藕芯式陶瓷爐膛管端實施封堵；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，其他結構與常規探頭相似(參見圖2)

圖2 一體化密封加熱爐制作流程

3 結果與討論

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

續表2

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

3.2 新探頭的測試結果

對研制的新加熱爐探頭進行了測試，結果見表3。

表3 使用新加熱爐的試制探頭測試結果

由表3可知，使用新爐子試制的探頭，其測量準確度完全滿足其測量要求。

4 新探頭現場使用情況分析

對采用新加熱爐制作探頭和采用常規加熱爐制作探頭，在使用時間相等的情況下，加熱爐故障率進行統計，結果如表4所示。

表4 新加熱爐探頭和常規加熱爐探頭加熱爐故障率統計

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加熱爐制作探頭術的三十一分之一，故障返修率僅為0.3%；說明針對爐絲毀損的分析和采取的措施，解決了目前市場多數氧分析儀存在的加熱爐子燒損現象嚴重，故障返修率高這一問題。

5 結論

本研究通過對氧化鋯探頭加熱爐易損原因進行分析，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。實驗結果表明，用該加熱爐生產的新探頭，完全滿足氧分析儀測量的要求，并且因爐絲毀損而返修的探頭比例下降了30倍左右，解決了目前市場多數氧分析儀存在加熱爐子燒損嚴重，故障返修率高的問題，提升了產品品質和市場競爭力，取得了較好的效果。