Вольфрам-рениевые термопары широко применялись для измерения температуры в вакуумных и водородных электропечах, а также для кратковременных замеров температуры расплавленного металла в металлургии. Экономические трудности 90-х годов, свертывание высокотехнологических производств в авиационной и аэрокосмической промышленности, процессов высокотемпературной химико-термической обработки металлов привели к резкому сокращению потребления вольфрам-рениевой термоэлектродной проволоки и датчиков температуры на ее основе. Был остановлен процесс производства термоэлектродной проволоки на Московском электроламповом заводе, единственном производителе в России. Последние 10 лет высокотемпературные измерения проводятся вольфрам-рениевыми термопарами, изготовленными из еще советских запасов проволоки. Но они все же заканчиваются, и все чаще потребители обращаются к производителям термопреобразователей в поисках этой проволоки. Согласно последней, имеющейся у автора, информации, производство термоэлектродной проволоки на МЭЛЗ восстановлено, но запуск технологического процесса возможен при объеме производства не менее 10 000 пог.м проволоки в месяц (в пересчете на рений, 10.20 кг). При этом выход годной по метрологическим характеристикам продукции составляет 30.50%. К сожалению, набрать такие постоянные объемы заказов пока не удается. Для преодоления этих трудностей Обнинская термоэлектрическая компания готова выступить в роли координатора для аккумулирования заказов на термоэлектродную проволоку.
В связи с тем, что Обнинской термоэлектрической компанией в 2005 году заключен Государственный контракт с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на проведение НИОКР по разработке конструкции и метрологического обеспечения первичных датчиков измерения температуры в диапазоне 1300.2200°С, мы заинтересованы в значительном расширении области применения вольфрам-рениевых термопар. Разработаны технические условия на их изготовление, термопреобразователи ТП-А внесены в Государственный реестр средств измерений, утверждена методика первичной поверки вольфрам-рениевых термопар, предназначенных для эксплуатации в качестве чувствительного элемента общепромышленных термопреобразователей.
Предварительный анализ и результаты первых испытаний показывают, что расширение области применения вольфрам-рениевых термопар вполне возможно. Но серьезного увеличения объема потребления вольфрам-ренивых термопреобразователей можно добиться при условии их использования в окислительной среде, а также увеличения их рабочего ресурса в вакууме и восстановительных средах при температуре до 1800°С (при более высоких температурах они вне конкуренции). Для этого необходима очень хорошая защита термоэлектродов от воздействия среды. Защитный чехол должен быть герметичным и заполнен сухим, чистым инертным газом. Как уже говорилось, наибольшая стабильность термоЭДС вольфрам-рениевой термопары наблюдалась в чистом аргоне.
Герметичные термопары ТВР можно предложить для замены термопар из драгоценных металлов (типы S и В), кроме случаев повышенных требований к точности измерения температуры. Стоимость этих термопреобразователей будет от 1,5 до 5 раз ниже, в зависимости от вида защитной арматуры. Отпадает необходимость в учете драгоценных металлов. Кроме того, при температурах верхних пределов длительного применения платинородиевых термопар (1300°С для типа S и 1700°С для типа В) стабильность вольфрам-рениевых термопар достаточна для надежного контроля температуры.
Наружный чехол вольфрам-ренивевого термопреобразователя может быть металлическим или керамическим. Для металлического чехла используется молибден (вакуум, водородные и инертные среды). Термопары в молибденовом чехле с защитным покрытием из дисилицида молибдена могут применяться в щелочной среде для измерения температуры расплава жидкого стекла [5]. В работе [10] сообщалось, что в графитсодержащих средах лучшую стойкость показал защитный чехол из сплава молибдена с цирконием МЦ-10.
Керамический чехол должен сохранять герметичность в течение рабочего ресурса в широком диапазоне температур. На эту роль годится пока только монокристаллический оксид алюминия -лейкосапфир, хотя на уровне температур 1000-1300°С герметичной может быть и другая керамика. Полезно также защитное покрытие поверхности термоэлектродов. 4
В рамках проводимых НИОКР специалистами Обнинской термоэлектрической компании была разработана и запатентована конструкция герметичного вольфрам-рениевого термопреобразователя (патент на полезную модель №42311 от 27.11.2004 г.). Общий вид термопреобразователя представлен на рис.2, и он практически не отличается от общепромышленных термопреобразователей, представлен стандартным типоразмерным рядом исполнений
Для испытаний были изготовлены опытные образцы вольфрам-рениевых термопар в чехлах из лейкосапфира. Первые результаты показали, что даже простое помещение вольфрам-рениевой термопары в защитный чехол внутри вакуумной камеры спекания твердых сплавов (1400.1450°С), без герметизации чехла, - увеличивает ее срок службы в десятки раз. При этом, если корундовый чехол требовалось заменять раз в месяц, то лейкосапфировые чехлы отработали более года и находятся в рабочем состоянии.
Два герметичных вольфрам-рениевых термопреобразователя отработали около двух недель при температуре 1400°С в печи обжига огнеупоров без потери работоспособности, испытания продолжаются. Потребитель отмечает и некоторые трудности при использовании этих термопреобразователей, в частности, необходимость закупки специальных компенсационных проводов М-МН2,4, которых нет на рынке кабеля из-за отсутствия спроса. Но эта проблема может быть решена путем использования терморегуляторов с выносным компенсатором холодного спая термопары (например производства фирмы «ЭРГОС», г.Харьков, сертифицированных в России), который может быть размещен в головке термопреобразователя (рабочая температура до 110°С). В головке термопреобразователя также может быть размещен токовый преобразователь 4…20 мА с входной характеристикой для термопары ВР5\20. Оба эти решения позволят обойтись без компенсационных проводов.
Наиболее показательны результаты испытаний герметичного термопреобразователя в вакуумной камере-реакторе для силицирования и термообработки углеродных композитных материалов. Цикл термообработки длится около 12 ч, выдержка 2,5 ч при максимальной температуре до 1750°С, разрежение порядка 4000 Па. Электронагреватель и теплозащитные экраны из графита. Недостаточная защита вольфрам-рениевой термопары приводила к выходу ее из строя при первом же выходе на предельные температуры. По техническому заданию ФГУП «Институт термохимии» (г.Пермь), используя наши конструктивные решения и опыт специалистов Института, был разработан и изготовлен термопреобразователь монтажной длиной 1660 мм (рис.3).
Рис. 3 Герметичный вольфрам-рениевый термопреобразователь для монтажа в вакуумной камере
