转化炉是一种工业上常用于转化合成气及其他物质的锅炉设备，广泛用于焦化、加氢、煤化工、催化剂合成等领域。其中，近几年随着双碳政策的推动，氢能在工业、建筑以及交通领域均有大规模取代传统能源的潜力，加氢工艺实现了飞速发展，其中，烃类蒸汽转化制氢投资较少、生产成本低、经济性相对较高、技术成熟度高、操作相对安全稳定，占据主要市场地位，因此对制氢转化炉的需求也是日益提升。

制氢转化炉

热电偶保护管的作用

热电偶在工业生产和科学研究等领域中已成为应用最广泛的感温元件，其热电极一般都装在带有接线盒的保护管中，保护管有以下几方面的作用：

（1）保护热电极不受到人为或机械损坏；

（2）由于保护管能使热电极不直接和被测介质接触，可避免防止有害介质对热电极的腐蚀火焰和气体对热电极的冲刷和辐射，延长热电极的使用寿命；

（3）保护管还起着固定和支撑热电偶的作用。

在转化炉的生产维护中，温度是重要参数之一，准确的温度测控是保证转化炉正常运行、提高产品质量、实现节能减排的重要保障。关于转化炉的温度测量，一般都采用高温热电偶直接测温。早期转化炉炉膛温度并不高，一般采用以金属管或常规刚玉作为保护管的高温热电偶进行测量，后来随着工业技术的革新，转化炉的转化条件发生较大变化，转化温度显著提高，这对高温热电偶的性能提出了更高的要求。

热电偶

例如，以焦炉煤气或天然气为燃烧原料的转化炉，通常其炉膛操作温度长期高达 1300℃，压力约2.2MPa，内部气体组分复杂（主要有甲烷、氢气、氧气、一氧化碳及水蒸气等），还伴有气流冲刷。对于这种恶劣的环境，常规的热电偶保护管是无法承受的，因此需要采用性能更好的保护管来保护高温热电偶的热电偶丝。同时也要保证保护管材料具有较好的致密度，否则高温热电偶在使用过程中会因为保护管破损或者腐蚀气氛穿过保护管而引起热电偶丝腐蚀，导致偶丝断裂或测量不准等问题。

因此，保护管材料对高温热电偶的使用寿命起到决定性作用，其材料选择对于高温热电偶的质量至关重要。在热电偶保护管材料中，由于金属易受腐蚀，在高温时不耐氧化，强度低，不适合在一些特殊的工况下高温使用。而高温结构陶瓷材料的出现，弥补了金属材料的不足。高温结构陶瓷具有高熔点、较高的高温强度

和较小的高温蠕变性能以及较好的耐热振性、抗腐蚀、抗氧化、耐磨损及结构稳定性等特点，在高温测量领域得到了广泛应用。

几种适用的高温陶瓷热电偶保护管材料

1.二硅化钼金属陶瓷

二硅化钼是一种难熔金属化合物，属于耐高温陶瓷材料，具有陶瓷与金属的双重特性。其烧结制品常温下硬而脆，并具有金属光泽，高温下强韧性较好。

二氧化钼陶瓷是一种在高温下抗腐蚀、抗氧化、气密性好的热电偶保护管材料 ， 可以长期在1600℃的氧化、还原、氧化-还原交变及某些强腐蚀性介质环境中使用，在氧化气氛下加热到高温，表面会生成一层致密的石英玻璃膜，它可以保持制品不再氧化，使之不受氧、氮、一氧化碳和二氧化硫的破坏，适合用作化工、冶金及机械等领域过程温度测量高温热电偶的保护管，通常在直接温度测量中使用，对热电偶电极起到与测量环境隔离保护的作用。

二氧化钼陶瓷管典型性能

不过焦炉煤气在转化炉中转化过程中， 温度达1400℃甚至更高，操作压力、高压蒸汽以及通氧会加速二硅化钼保护套管材料里游离硅的氧化，在这极高的温度和高速气流的冲蚀下，二硅化钼的高温耐磨性不能很好地体现出来，所以转化炉上测温元件极易损坏，对转化炉点火和安全运行造成较大隐患。但是经过应用考察，安装于中部和下部的相同配置的高温热电偶能够长期完好运行。可见，以二硅化钼作为保护管的高温热电偶不适合在转化炉的上部使用。

2.重结晶碳化硅

碳化硅为一种非氧化物陶瓷材料，因具有很大的硬度、耐热性、耐氧化性、耐腐蚀性，已被确认为一种耐磨、耐火材料、电热材料、黑色有色金属冶炼等的原料。由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好、硬度大，现已广泛用作热电偶保护管。

碳化硅热电偶保护管

重结晶碳化硅是利用泥浆浇注法制成的坯体密度很高的碳化硅成型件，坯体在隔绝空气条件下用电炉于高达2500℃温度下烧成，在2100℃以上温度下产生蒸发和凝聚作用，形成无收编自结合结构，烧前和最终密度保持不变，在晶体之间形成固态碳化硅结合。

重结晶碳化硅陶瓷管典型性能

经实际应用比较，重结晶碳化硅保护管的关键物理性能（如弯曲强度、热膨胀、热导率等）均优于二硅化钼保护管。前期使用结果表明，该保护管在1600℃的氧化气氛中仍能保持原形状，适用于在高温耐磨环境中使用。

不过在腐蚀性环境下，由于重结晶碳化硅密度不大，空隙较多，在高温下碳化硅被氧化生成SiO₂，虽然生成的SiO₂形成一层保护膜，阻止了保护管被继续氧化，但是保护管遭到冲刷和高温水蒸气的侵入，会进一步加剧碳化硅保护管的氧化，并慢慢深入，温度越高氧化速度越快，所以保护管变得脆弱，不能起到很好的保护作用。因此，重结晶碳化硅保护管并不适合在强腐蚀性气氛下应用，而更高密度的碳化硅保护管（如等静压碳化硅管）使用效果会更好一些。

3.高纯刚玉

刚玉的主要成分是Al₂O₃，含量不小于99%。刚玉保护管主要用于温度测量仪表热电偶和热电阻的保护管、绝缘管；工业电阻炉、实验电炉、热处理炉的炉管；其他耐高温、耐酸碱腐蚀绝缘仪表元器件，因其综合性能良好，得到了广泛应用。

高纯刚玉保护管中Al₂O₃纯度高达99.7%，其密度大、热振性好、热传导率好、耐酸碱、耐冲刷、耐温性好，在氧化和还原气氛中，刚玉保护管具有良好的高温绝缘 性和机械强度。长期使用在1600℃，与空气、水蒸气、氢气及一氧化碳等不起反应，也可在1800℃下短期使用。

刚玉陶瓷管典型性能

总结

高温氧化和高温腐蚀的转化炉恶劣环境对保护套管材料是严峻的考验，也给工程技术人员出了一道难题——如何经济实用的解决高温环境下的热电偶保护套管的失效问题。在几种陶瓷热电偶保护管方案中，二硅化钼、重结晶碳化硅等高温陶瓷具有良好的耐高温、耐冲刷及耐腐蚀等性能，但转化炉炉膛的工况复杂，腐蚀性强，这些材料制作的保护管不适合在转化炉上部测温点应用，仅适合在中、下部测温点应用；高纯刚玉密度大、耐腐蚀、耐冲刷、耐高温，其保护管在转化炉中使用，能够经受住介质腐蚀、介质冲刷及操作压力等，极大地提高了转化炉高温热电偶的使用寿命，适合在转化炉上部测温点应用，是较为理想的高温保护管材料。

参考来源：

1.转化炉高温热电偶保护管材料的研究与应用，王剑星、魏小明、于国庆、张福祥、梁磊、张忠模、赵彦（化学自动化及仪表）；

2.气化炉测温热电偶存在的问题和解决方法，马国敬、王春、王强（中氮肥）；

3.气化炉用抗氧化耐冲刷热电偶研究，王兵、唐逾、陈德茂（功能材料）；

4.热电偶中保护管的种类、作用、要求以及性能特点分别是什么？（常州天利智能）。

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