溫度傳感器用石墨充實纖維網式保護管及製備方法

2023-06-29 08:14:21

專利名稱：溫度傳感器用石墨充實纖維網式保護管及製備方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度傳感器用保護管及製備方法，特別是用於測量被測介質在高溫2000°C以下、具有抗電解、高強度性能的溫度傳感器用石墨充實纖維網式保護管及製備方法。
背景技術：
現有的測量高溫被測介質的溫度傳感器用的保護管，如熱電偶與熱電阻的保護管，大多採用陶瓷管和金屬管。其中含95%以上的Al2O3陶瓷管，可測1300°C以下溫度；含 99%以上Al2O3的剛玉管，可測1600°C，短時間可測1800°C以下高溫；碳化矽保護管可測 1300°C以下的溫度；鎳基高溫不鏽鋼，可測1000°C以下溫度；普通不鏽鋼可測700°C以下溫度。在這些陶瓷和金屬保護管中，陶瓷雖然能耐高溫，但氣密性不好，又比較脆；在強振動和大衝擊、固體物撞擊時，易損壞；金屬管雖然抗衝擊，機械強度高，但耐溫又不夠。還有在特殊環境下，如電解鋁時，測鋁水溫度過程，除滿足溫度外，還要抗電解電化學腐蝕，這種場合就不能用氧化鋁、碳化矽、金屬保護管。如果用上述材料，很快被電解掉，或由於金屬的合金化作用而損耗損壞。因此，現有的溫度傳感器用的保護管滿足不了高溫下的高強度及抗電解的測量條件要求。目前，只能使用石墨材料製成的保護管和氮化鋁為主的多元化合物製成的陶瓷保護管。由於前述保護管中的石墨管太脆，機械強度相對比較低，極易損壞，耐壓極差；氮化鋁為主的多元化合物陶瓷管也比較脆，所以影響這種管的推廣應用。況且這種管目前國內暫不能生產，世界上只有少數技術先進國家能生產，但銷售價格非常高，最低價 1000元/支，最高價近10000元/支，因此，增加了生產成本。

發明內容
本發明的目的是提供一種測量高溫介質的溫度傳感器用石墨充實纖維網式保護管及製備方法，它解決了現有技術存在的不能滿足高溫條件下的高強度及抗電解的測量條件要求等問題，該方法製造工藝簡單，容易操作，相對成本較低，製成品與同類產品相比，設計合理，結構密實有韌性，質量輕，既保留了纖維網和石墨自身固有的特性，又具有整體強度高，抗電解，耐高溫和耐壓力的優點，顯著延長其使用壽命，拓寬應用範圍。本發明採用的技術方案是該溫度傳感器用石墨充實纖維網式保護管包括採用模具成型，經燒結處理常規工藝製成的管體，其技術要點是所述管體以耐高溫纖維編織的封底纖維網套為骨架，纖維網套的內壁面和外周面為壓實石墨層，各纖維網套層間充填的壓實石墨層與纖維網逐層結合在一起。上述的溫度傳感器用石墨充實纖維網式保護管的製備方法，包括以下操作步驟 步驟一、編織封底纖維網套
採用耐高溫優質碳纖維，編織鑽石網孔封底網套，網眼小於5目，內層網套內徑至少大於所述管體內徑2mm，由內向外套裝的網套內徑逐層加大2mm ； 步驟二、按所述管體的規格製作由內、外模組成的模具(1)製作內模按所述管體的內徑製作出低膨脹合金芯，在低膨脹合金芯外周設置鍍鋅層，在鍍鋅層外周浸鍍I^b-Sn合金層，使低膨脹合金芯形成的整體外徑小於所述管體的內徑 1. 2mm 至 1. 4mm ；
(2)製作外模按所述管體外徑製作出壓力壓實用的外模的內徑，再用線切割將外模沿軸向切成分體式外模瓣，校直備用；
步驟三、利用模具成型所述管體的管坯
將所述內模外周塗上不少於Imm的耐高溫石蠟層，待石蠟層冷凝後，夾持到轉動卡盤上旋轉內模，邊掛石墨糊，邊套纖維網套，逐層掛石墨糊，直到外層石墨糊的外徑達到所述管體外徑的1. 5倍至1. 8倍時止；將掛好石墨糊的管坯帶內模一同取下，放到外模瓣內夾緊，液壓機加壓，壓力達到IOMPa即可卸壓；
步驟四、管坯乾燥脫蠟
將卸壓的管坯和內模一同放到鋁板上晾曬，自然乾燥；乾燥後一同放到加熱爐中緩慢升溫，最終溫度至250°C時止，脫蠟後降至室溫；
步驟五、管坯燒結
將脫蠟後的管坯吊掛在燒結爐中，內模頭向下，燒結溫度從室溫加到400°C 420°C， 內模靠重力自動脫出後，保溫一小時，緩慢降溫至室溫；
步驟六、修整管坯外壁及管口，清除內孔多餘物質；
步驟七、將修整後的管坯放到石墨夾具上，放到高溫爐中緩慢加溫到1250°C，燒結2小時，再緩慢降至室溫，檢驗合格即為成品。本發明具有的優點及積極效果是由於本發明的保護管是採用模具成型，經燒結處理常規工藝製成的管體，並且管體以耐高溫的纖維網套為骨架，纖維網套的內壁面和外周面為壓實石墨層，各纖維網套層間充填有與纖維網逐層結合在一起的壓實石墨層，石墨耐高溫(熔點4000°C以上)，充實到纖維網套的網層內外，很好的保護碳纖維或金屬纖維不受氧化和被測介質的侵蝕，能耐溫2000°C，耐壓3MPa以上，所以該方法製造工藝簡單，容易操作，相對成本較低，製成品與同類產品相比，設計合理。它解決了現有技術存在的不能滿足高溫條件下的高強度及抗電解的測量條件要求等問題，可以用於電解鋁測鋁水溫度和電解鋁陽極焙燒時測溫，耐電解，耐酸鹼腐蝕。比其他傳統保護管壽命延長5倍以上。對於含酸鹼介質的高溫測量，也比其他保護管壽命長。造價比普通高鋁管(95%A1203陶瓷管)還低。 因此，本發明保護管的結構密實有韌性，質量輕，既保留了纖維網和石墨自身固有的特性， 又具有整體強度高，抗電解，耐高溫，耐腐蝕和耐壓力的優點，顯著延長其使用壽命，拓寬應用範圍。該保護管的製備方法中採用由內、外模組成的模具。所用內模的低膨脹合金芯外周的鍍鋅層有利於浸鍍I^b-Sn合金層；Pb-Sn合金層在加溫時(400°C)，Pb-Sn合金熔化， 在重力作用下，有利於內模自動脫出；石蠟層可在石蠟熔化後浸潤石墨管內壁，填充內壁微小缺陷，並殘留於其中碳化，防止I^b-Sn合金向石墨管內壁突出或浸潤，致使脫模困難或 H3-Sn合金氧化殘留，造成成品質量問題。殘留的微量的石蠟和微量已碳化的石蠟，在後續加高溫過程中(1250°C)，可轉化為石墨分子結構或氧化掉，便於管內清潔。內模上的I^b-Sn 合金層可以反覆浸鍍和反覆修整，重複使用。壓力壓實用的外模採用分體式外模瓣，有利於扣緊壓力機對掛好石墨糊的管坯的外周均勻施加壓力，使與纖維網逐層充實結合在一起的石墨層完全壓實，保護管的總體強度大幅提高。
以下結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

圖1是本發明保護管的一種結構示意圖。圖2是本發明所用內模的一種結構示意圖。圖3是本發明所用外模的一種結構示意圖，圖4是圖3的俯視圖。圖中的序號說明1纖維網套、2石墨層、3纖維網編織網孔形式、4低膨脹合金芯、 5鍍鋅層、6 Pb-Sn合金層、7石蠟層、8分體式模瓣。
具體實施例方式根據圖1 4詳細說明本發明的具體結構及製備方法。該溫度傳感器用石墨充實纖維網式保護管包括採用模具成型，經燒結處理常規工藝製成的管體。其中管體以耐高溫纖維網套1為骨架，纖維網套1的內壁面和外周面為壓實石墨層，各纖維網套1的層間充填有與纖維網逐層結合在一起的壓實石墨層2。纖維網套1採用碳纖維材料或採用在高溫環境下耐氧化的金屬纖維材料封底編織而成。纖維網套1的編織網孔3的編織要求經、緯纖維斜著編織，網孔均勻。石墨是分子層狀排列的固體物，單質，耐高溫(熔點4000°C以上);密度約到不鏽鋼的一半；導電無磁；導熱係數比不鏽鋼大一倍，比陶瓷高一個數量級。由於石墨的物質特性決定，它在高溫下極穩定，一般不同金屬形成碳合金，不易分解，不易氧化，不被酸鹼腐蝕。石墨有效地充實到纖維網套1的層間，很好的保護碳纖維或金屬纖維不受氧化和被測介質的侵蝕。以石墨充實碳纖維網或鉬纖維網的保護管為例，能耐最高溫度2000°C， 總體強度大幅提高，抗拉抗壓效果可與鋼鐵相比。所用成型模具由內、外模組成。其中內模包括低膨脹合金芯4、鍍鋅層51b-Sn合金層6、石蠟層7等；通過壓力機壓實用的外模由分體式外模瓣8構成，外模瓣8 一般分為三瓣就行，亦可以做成四、六、八瓣等
上述的溫度傳感器用石墨充實纖維網式保護管的製備方法，包括以下操作步驟 步驟一、編織封底的耐高溫纖維網套1。採用耐高溫優質碳纖維等纖維，採用類似於織襪工藝，編織封底的纖維網套1。網的經、緯應斜式，為鑽石網孔，有一定彈性，網眼小於5目。內層網套內徑至少大於管體內孔 2mm左右，由內向外套裝的網套內徑逐層加大2mm。步驟二、按上述管體的規格製作由內、外模組成的模具。(1)製作內模按管體的內徑製作出低膨脹合金(本實施例採用熱膨脹係數小於石墨的鎳基合金)芯4，在低膨脹合金芯4外周設置鍍鋅層5，鍍鋅層5厚度在1 μ m左右；在鍍鋅層5外周浸鍍含63%的Sn的H3-Sn合金層6，使低膨脹合金芯4形成的整體外徑小於管體的內徑1. 2mm至1. 4mm ；Pb-Sn合金厚度可以稍厚點兒，即浸I^b-Sn合金後的芯體直徑大於實際的管體內徑，上車床加工到確定的直徑(略小於管體內管徑)，在沾石蠟時，還能佔一些空間。(2)製作外模按管體外徑製作出壓力壓實用的外模的內徑，再用線切割將外模沿軸向切成分體式外模瓣8，校直備用。步驟三、利用模具成型上述管體的管坯。
將管體內模外周塗上不少於Imm的耐高溫石蠟層7，待石蠟層7冷凝後，夾持到轉動卡盤上旋轉內模，邊掛用去離子水拌和呈粘稠狀的石墨糊，邊套纖維網套1。待第一石墨層2塗勻後，再套第二層纖維套網1，逐層掛石墨糊，以此類推。直到外層石墨糊的外徑達到管體外徑的1. 5倍至1. 8倍時，停止；將掛好石墨糊的管坯帶內模一同取下，放到外模瓣 8內夾緊，液壓機上加壓，壓實石墨層2，壓力達到IOMPa以上，即可卸壓。步驟四、管坯乾燥脫蠟。拆開外模，將卸壓的管坯和內模一同放到鋁板上晾曬，自然乾燥；乾燥後一同放到加熱爐中緩慢升溫，最高加到80°C，讓石蠟層熔化，待半小時後， 最終溫度至250°C時止，讓石蠟燃燒或不完全燃燒，逸出內管，保溫排煙半小時，脫蠟後降至室溫。步驟五、管坯燒結。將脫蠟後的管坯帶內模(有的內模可以取下)，吊掛在燒結爐中，內模頭向下，燒結溫度從室溫加到400°C 420°C，內模靠重力自動脫出後，保溫1小時， 緩慢降溫至室溫。步驟六、待緩慢冷卻後取出管坯，修整管坯外壁及管口，修到光潔整齊，必要時可以裝胎具上車床加工，清除內孔多餘物質。步驟七、將修整後的管坯放到石墨夾具上，放到高溫爐中緩慢加溫到1250°C。燒結2小時，讓碳粉充分石墨化及消除應力，同時讓耐高溫纖維分子與石墨分子結合，形成完好的石墨結晶體，再緩慢降至室溫，檢驗合格即為成品。
權利要求
1.一種溫度傳感器用石墨充實纖維網式保護管，包括採用模具成型，經燒結處理常規工藝製成的管體，其特徵在於所述管體以耐高溫纖維編織的封底纖維網套為骨架，纖維網套的內壁面和外周面為壓實石墨層，各纖維網套層間充填的壓實石墨層與纖維網逐層結合在一起。
2.根據權利要求1所述的溫度傳感器用石墨充實纖維網式保護管的製備方法，其特徵在於包括以下操作步驟步驟一、編織封底纖維網套採用耐高溫優質碳纖維，編織鑽石網孔封底網套，網眼小於5目，內層網套內徑至少大於所述管體內徑2mm，由內向外套裝的網套內徑逐層加大2mm ；步驟二、按所述管體的規格製作由內、外模組成的模具(1)製作內模按所述管體的內徑製作出低膨脹合金芯，在低膨脹合金芯外周設置鍍鋅層，在鍍鋅層外周浸鍍I^b-Sn合金層，使低膨脹合金芯形成的整體外徑小於所述管體的內徑 1. 2mm 至 1. 4mm ；(2)製作外模按所述管體外徑製作出壓力壓實用的外模的內徑，再用線切割將外模沿軸向切成分體式外模瓣，校直備用；步驟三、利用模具成型所述管體的管坯將所述內模外周塗上不少於Imm的耐高溫石蠟層，待石蠟層冷凝後，夾持到轉動卡盤上旋轉內模，邊掛石墨糊，邊套纖維網套，逐層掛石墨糊，直到外層石墨糊的外徑達到所述管體外徑的1. 5倍至1. 8倍時止；將掛好石墨糊的管坯帶內模一同取下，放到外模瓣內夾緊，液壓機加壓，壓力達到IOMPa即可卸壓；步驟四、管坯乾燥脫蠟將卸壓的管坯和內模一同放到鋁板上晾曬，自然乾燥；乾燥後一同放到加熱爐中緩慢升溫，最終溫度至250°C時止，脫蠟後降至室溫；步驟五、管坯燒結將脫蠟後的管坯吊掛在燒結爐中，內模頭向下，燒結溫度從室溫加到400°C 420°C， 內模靠重力自動脫出後，保溫一小時，緩慢降溫至室溫；步驟六、修整管坯外壁及管口，清除內孔多餘物質；步驟七、將修整後的管坯放到石墨夾具上，放到高溫爐中緩慢加溫到1250°C，燒結2小時，再緩慢降至室溫，檢驗合格即為成品。
全文摘要
一種測量高溫介質的溫度傳感器用石墨充實纖維網式保護管及製備方法，它解決了現有技術存在的不能滿足高溫條件下的高強度及抗電解的測量條件要求等問題，該保護管包括採用模具成型，經燒結處理常規工藝製成的管體，其技術要點是管體以多層耐高溫纖維網套為骨架，纖維網套的內壁面和外周面為壓實石墨層，纖維網套層間充填有與纖維網逐層結合在一起的壓實石墨層，保護纖維網套不受氧化和被測介質的侵蝕。該方法製造工藝簡單，容易操作，相對成本較低，製成品與同類產品相比，設計合理，結構密實有韌性，質量輕，既保留了纖維網和石墨自身固有的特性，又具有整體強度高，抗電解，耐高溫和耐壓力耐腐蝕的優點，顯著延長其使用壽命，拓寬應用範圍。
文檔編號G01K1/08GK102322966SQ201110161200
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月16日 優先權日2011年6月16日
發明者段磊, 段祥照, 肖季春 申請人:瀋陽市傳感技術研究所