CN105388193B - 滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置 - Google Patents

Abstract

滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，属于电化学腐蚀领域。该装置包括：一个与上、下法兰连接并密封的加热炉筒体，加热炉筒体内安装有U型加热棒，盛装熔融盐的坩埚放置在炉体中央，上法兰中间的筒形体侧壁设计有直线形导向槽，引导套在筒形体内的滑动筒体上下滑动，滑动筒体底部有1个观察窗口和安装热电偶及电极的5个空心螺杆，电极与热电偶分别与电化学检测器和温度控制器连接。该装置在真空或其它气体气氛中，可测多个电化学腐蚀参数，装置结构简单，操作简便。

Description

滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置

技术领域

本发明涉及熔融盐电化学腐蚀测量技术领域。

背景技术

伴随核能、太阳能光-热技术、燃料电池等新能源技术的发展，硝酸盐、卤化盐、碳酸盐等熔融盐分别作为冷却介质、传热及相变储热介质和电解质材料得到广泛应用。但熔融盐作为强电解质，对金属管道和金属容器材料具有强烈腐蚀性。目前，国内外学者旨在揭示腐蚀机理和研发耐腐蚀新材料方面，已经做了不少研究工作，主要采用浸盐腐蚀实验方法，通过分析试样质量变化，对比腐蚀层形貌特征、分析腐蚀产物，期望揭示腐蚀机理，但进展不大。

因为熔融盐是强电解质，所以，近年来国内外学者提出采用电化学工作站，借助电化学手段分析熔融盐对金属腐蚀机理。Naing Naing Aung、王文、曾潮流等人设计并制作了在熔融盐中工作的三电极、四电极装置，研究了金属材料在熔融盐中的开路电势、电化学阻抗、电化学噪音、动电位等特征，能够比较深入和全面的反映腐蚀行为，有助于揭示腐蚀机理，为研发耐熔融盐腐蚀和热腐蚀的新材料奠定理论基础，可参阅Effect of temperatureon coal ash hot corrosion resistance of Inconel 740 superalloy. CorrosionScience, 2014, 82(5): 227-238和Cu在熔融(Li,K)₂CO₃中的热腐蚀行为研究. 金属学报,1999, 35(6): 623-626。

目前文献中已经详细介绍了熔融盐电化学腐蚀的电极结构，但尚未见到熔融盐电化学腐蚀测量装置的报道。此外，测量金属在熔融盐中的电化学腐蚀行为时，熔融盐和电极温度较高，为了避免高温空气对熔融盐、电极和实验结果影响，有时需在真空或惰性气体保护条件下实验；有些实验还需要在其它混合气体气氛下进行，如SO₂+Cl₂。本发明设计了一种滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，设备结构简单，气氛可控，操作简便，为熔融盐电化学腐蚀研究提供设备基础和方法。

发明内容

本发明的目的是提供测量金属在熔融盐中的电化学腐蚀行为的装置。

本发明是滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，带有上、下凸缘的加热炉筒体101与上法兰301和下法兰205通过螺钉连接，加热炉筒体101内从外到内依次是侧保温层102和侧耐火层103，侧耐火层103的中央的下耐火垫块105上是盛装熔融盐602的坩埚601，下法兰205的中央接有一个通气管216，通气管216的另一端与真空泵801连接，在下法兰205的圆周上还均布若干圆孔，绝缘瓷芯210穿过该圆孔并压紧第一密封圈206后，套上绝缘瓷套204，通过螺杆201和第一螺母202、第二螺母213固定，螺杆201也固定了连接U型加热棒104和温度控制器701的导线702，U型加热棒104镶嵌在中空的侧耐火层103中，侧耐火层103的上方是上法兰301，上法兰301的中央是一个固定筒体304，固定筒体304内套有可上下移动的倒杯形滑动筒体401，滑动筒体401的底部中央是视窗玻璃405，视窗法兰盖406压紧视窗玻璃405后通过螺钉固定在滑动筒体401上，滑动筒体401的底部还有5个空心螺杆407和1个依次连接真空计411、第二截止阀413的保护气体进气管412，空心螺杆407内装有电极和热电偶410，电极与电化学检测器501连接，热电偶与温度控制器701连接。

滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置的测量方法，其步骤为：

（1）安装电极和热电偶：保证定位销403在上端定位孔306中时，电极下端不能接触坩埚601中预熔融的无机盐，定位销403在下端定位孔306中时，电极下端浸入熔融盐602中；

（2）放置样品：将盛装待熔融无机盐的坩埚601放在下耐火垫块105中，盖上上耐火垫块108，安装上法兰301，拧紧螺钉109；

（3）抽真空：检查所有螺钉和线路连接没问题后，关闭第一截止阀215和第二截止阀413，打开挡板阀802，开始对炉膛抽真空；

（4）清洗炉膛：关闭挡板阀802，打开第二截止阀413，充入一定量保护气体后再关闭第二截止阀413，打开挡板阀802对炉膛抽真空，重复以上过程若干次；

（5）加热：打开温度控制器701，设置好电化学实验预期温度后开始加热，保证炉膛处于负压状态；

（6）准备实验气氛：根据具体实验要求，通过调整第二截止阀413和挡板阀802开、闭程度控制炉膛内部气氛；

（7）进行电化学实验：滑动筒体401下移，带动电极浸入熔融盐602中，电化学检测器开始采集数据；

（8）结束实验：打开第二截止阀413充入保护气体，将滑动筒体401上移，带动电极移出熔融盐602后，关闭温度控制器701，待炉膛温度降至室温后，打开第一截止阀215充入空气，移除上法兰301，取出坩埚601，清理干净设备并让各部件复位后，整理分析数据，结束实验。

本发明的有益效果是：1、结合电化学检测器（电化学工作站、恒电位/恒电流仪等），可以检测金属在熔融盐中开路电势、电化学阻抗、电化学噪音、动电位等电化学行为，装置结构较为简单，操作简便。

2、可实现真空、多种气体保护（氩气、氮气或研究所需的各种混合气体）的实验气氛，满足多种实验要求，设备适应性强。

3、通过视窗玻璃405，可直接观察无机盐熔化过程和电极在熔融盐中的位置，实验过程具有可视化。

4、4、本发明结构较为简单，本领域技术人员根据本设备结构和实际需要，并参考相关专利（CN103334125A），可以完成熔融盐电化学腐蚀测量实验。

附图说明

图1为本发明的主视图，图2为俯视图，图3是图1中A向局部视图，图4为本发明装置的绝缘瓷芯210结构的主视图，图5为本发明装置的绝缘瓷芯210结构的俯视图，图6为本发明装置的上法兰301的主视图，图7为本发明装置的上法兰301的俯视图，图8为本发明装置的滑动筒体401的主视图，图9为本发明装置的滑动筒体401的俯视图，图10 为本发明装置的操作方法流程图。

图中标号说明：101：加热炉桶体，102：侧保温层，103：侧耐火层，104：U型加热棒，105：下耐火垫块，106：下保温层，107：导线，108：上耐火垫块，109：螺钉；

201：螺杆，202：第一螺母，203：第一垫圈，204：绝缘瓷套，205：下法兰，206：第一密封圈，207：第三密封圈，208：冷却水通道，209：螺钉，210：绝缘瓷芯，211：第四密封圈，212：第二垫圈，213：第二螺母，214：进气管，215：第一截止阀，216：通气管；

301：上法兰，302：第二密封圈，303：冷却水通道，304：固定筒体，305：导向槽，306：定位孔；

401：滑动筒体，402：第五密封圈，403：定位销，404：第六密封圈，405：视窗玻璃，406：视窗法兰盖，407：空心螺杆，408：第七密封圈，409：第三螺母，410：电极和热电偶，411：真空计，412：保护气体进气管，413：第二截止阀，414：保护气体；

501：电化学检测器，502：导线；601：坩埚，602：熔融盐；701：温度控制仪，702：导线；801：真空泵，802：挡板阀。

具体实施方式

本发明是滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，如图1、图2、图3所示，滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，带有上、下凸缘的加热炉筒体101与上法兰301和下法兰205通过螺钉连接，加热炉筒体101内从外到内依次是侧保温层102和侧耐火层103，侧耐火层103的中央的下耐火垫块105上是盛装熔融盐602的坩埚601，下法兰205的中央接有一个通气管216，通气管216的另一端与真空泵801连接，在下法兰205的圆周上还均布若干圆孔，绝缘瓷芯210穿过该圆孔并压紧闭第一封圈206后，套上绝缘瓷套204，通过螺杆201和第一螺母202、第二螺母213固定，螺杆201也固定了连接U型加热棒104和温度控制器701的导线702，U型加热棒104镶嵌在中空的侧耐火层103中，侧耐火层103的上方是上法兰301，上法兰301的中央是一个固定筒体304，固定筒体304内套有可上下移动的倒杯形滑动筒体401，滑动筒体401的底部中央是视窗玻璃405，视窗法兰盖406压紧视窗玻璃405后通过螺钉固定在滑动筒体401上，滑动筒体401的底部还有5个空心螺杆407和1个依次连接真空计411、第二截止阀413的保护气体进气管412，空心螺杆407内装有电极和热电偶410，电极与电化学检测器501连接，热电偶与温度控制器701连接。

如图10所示，滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置的测量方法，其步骤为：

（1）安装电极和热电偶：保证定位销403在上端定位孔306中时，电极下端不能接触坩埚601中预熔融的无机盐，定位销403在下端定位孔306中时，电极下端浸入熔融盐602中；

（2）放置样品：将盛装待熔融无机盐的坩埚601放在下耐火垫块105中，盖上上耐火垫块108，安装上法兰301，拧紧螺钉109；

（3）抽真空：检查所有螺钉和线路连接没问题后，关闭第一截止阀215和第二截止阀413，打开挡板阀802，开始对炉膛抽真空；

（4）清洗炉膛：关闭挡板阀802，打开第二截止阀413，充入一定量保护气体后再关闭第二截止阀413，打开挡板阀802对炉膛抽真空，重复以上过程若干次；

（5）加热：打开温度控制器701，设置好电化学实验预期温度后开始加热，保证炉膛处于负压状态；

（6）准备实验气氛：根据具体实验要求，通过调整第二截止阀413和挡板阀802开、闭程度控制炉膛内部气氛；

（7）进行电化学实验：滑动筒体401下移，带动电极浸入熔融盐602中，电化学检测器开始采集数据；

（8）结束实验：打开第二截止阀413充入保护气体，将滑动筒体401上移，带动电极移出熔融盐602后，关闭温度控制器701，待炉膛温度降至室温后，打开第一截止阀215充入空气，移除上法兰301，取出坩埚601，清理干净设备并让各部件复位后，整理分析数据，结束实验。

滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，如图1、图2和图3所示，本装置包括加热炉筒体101，下法兰205，上法兰301，滑动筒体401，电化学检测器501，坩埚601，温度控制器701和真空泵801。

如图1、图2和图3所示，加热炉筒体101是一个带上、下凸缘的筒形零件，内部装有环形侧保温层102，侧保温层102内部是中空的环形侧耐火层103，侧耐火层103中空夹层内安装有U型加热棒104，侧耐火层103中心靠近底部是下耐火垫块105，下耐火垫块105和侧耐火层103下方是下保温层106，侧耐火层103上方是上耐火垫块108，上耐火垫块108中心和周围分别有1个和5个通孔。

如图1、图4、图5所示，下法兰205与加热炉筒体101通过螺钉209连接，加热炉筒体101下凸缘上有密封槽，安装有第三密封圈207，下法兰205下表面设计有冷却水通道208，下法兰205中心沿圆周方向分布有若干圆形通孔，圆孔周围有密封槽，密封槽内装有第一密封圈206，绝缘瓷芯210穿过下法兰205中心圆孔后，套在绝缘瓷套204上，绝缘瓷芯210的凸缘压紧密第一封圈206，绝缘瓷芯210中心有一个通孔，螺杆201穿过该通孔后，上端套上第一垫圈203，通过第一螺母202固定，连接U型加热棒104的导线107也通过这两个第一螺母202固定在螺杆201上，绝缘瓷芯210中心通孔底端穿上螺杆201后形成密封槽，装上第四密封圈211后，通过第二垫圈212压紧，连接温度控制仪701的导线702通过第二螺母213固定在螺杆201上。

下法兰205中央接有一个通气管216，通气管216另一端依次与挡板阀802和真空泵801连接，通气管216侧面与连接第一截止阀215的进气管214连接。

如图1、图6、图7所示，上法兰301压紧加热炉筒体101上凸缘密封槽内的第二密封圈302，通过螺钉109连接，上法兰301上表面设计有冷却水通道303，上法兰301中间是一个筒形结构的固定筒体304，在固定筒体304侧壁均布四条沿轴向的直线形导向槽305，固定筒体304在上法兰301上方放置时，每条导向槽305右侧面开设有上下两个缺口型定位孔306，即上部4个定位孔306的高度相同，下部4个定位孔306的高度也相同的。

如图1、图8、图9所示，滑动筒体401是一个倒杯形结构，杯口朝下，侧壁外侧靠近底端开设有两条密封槽，内置第五密封圈402，滑动筒体401的侧壁上端均布四个凸起状定位销403，在定位销403的导正作用下，滑动筒体401套在固定筒体304内，可以上下自由滑动，滑动到定位销403与定位孔306高度相同时，滑动筒体401可旋转一定角度，滑动筒体401的底部中心有一个圆形通孔，通孔外侧的周围有一个密封槽，装有第六密封圈404，第六密封圈404的上方装有圆形视窗玻璃405，视窗玻璃405的上方装有环形视窗法兰盖406，视窗法兰盖406与滑动筒体401的底部通过螺钉连接，滑动筒体401的底部沿圆周方向均布6个空心管结构，其中5个是带有外螺纹的空心螺杆407，电极和热电偶410依次穿过第七密封圈408和空心螺杆407，第三螺母409套在电极和热电偶410上，与空心螺杆407通过螺纹连接固定，第6个空心管结构作为保护气体进气管412，串联真空计411和第二截止阀413后，接通炉腔与保护气体414。

电极和热电偶410中，其中一个是热电偶，底端穿过上耐火垫块108后伸入炉膛内，顶端通过导线与温度控制器701连接，另外四只是电极，底端穿过上耐火垫块108后伸入到熔融盐602中，顶端通过导线502与电化学检测器501连接。

坩埚601中盛装有熔融盐602，放置在下耐火垫块105上。

如图10所示，滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置的测量方法，其操作步骤为：

第一步：电极和热电偶安装：根据具体实验条件，制作工作电极、参比电极和对电极，并将各电极和热电偶分别插入每个空心螺杆407中心孔后，通过第七密封圈408和第三螺母409可靠固定，需保证炉膛抽真空时不漏气，各电极的插入深度需根据后续步骤中熔融盐602液面高度估算，保证定位销403在上端定位孔306中时，电极下端不能接触坩埚601中预熔融的无机盐，定位销403在下端定位孔306中时，电极下端浸入熔融盐602中，推荐浸入深度值约2cm，热电偶下端伸入到上耐火垫块108下平面以下即可，若采用三电极测量系统，则多余一个空心螺杆407，该空心螺杆中间的孔可以用与电极等直径的实心金属棒代替电极密封，实验前，定位销403处于固定筒体304上端定位孔306内。

第二步：放置样品：松开螺钉109，垂直向上整体移走上法兰301和滑动筒体401，取出上耐火垫块108，将盛装待熔融无机盐的坩埚601放在下耐火垫块105中，盖上上耐火垫块108，再垂直安装上法兰301和滑动筒体401，使电极和热电偶410穿过上耐火垫块108圆周上的通孔，再拧紧螺钉109。

第三步：抽真空：关闭第一截止阀215和第二截止阀413，检查所有螺钉和线路连接没问题后，打开真空计411电源和真空泵801电源，再打开挡板阀802，开始对炉膛抽真空。

第四步：清洗炉膛：真空度达到一定值后，关闭挡板阀802，打开第二截止阀413，充入保护气体，真空计411显示的压力接近大气压时，关闭第二截止阀413，打开挡板阀802再次抽真空，真空度达到一定值后，再次关闭挡板阀802，打开第二截止阀413，进行二次清洗，推荐重复以上过程3次，最后一次抽真空到预定值后，关闭挡板阀802和真空泵801，打开第二截止阀413，充入一定量保护气体后关闭第二截止阀413，真空计411显示炉膛压力必须小于大气压。

第五步：加热：打开温度控制器701，设置好电化学实验预期温度后开始加热，过程中真空计411所示值将逐渐增大，需务必实时关注，其值一旦接近大气压时，需打开真空泵801和挡板阀802，对炉膛抽真空，真空计411显示真空度到一定值后，关闭挡板阀802和真空泵801，保证加热过程中，炉膛处于负压状态，温度达到目标温度后处于保温状态，通过视窗玻璃405可以观察到熔融盐的状态，待完全融化后进行下一步操作。

第六步：准备实验气氛：根据具体实验要求不同，分三种情况：

情况一：若实验要求在真空气氛下进行，则直接进行下一步实验；

情况二：若实验要求在保护气体气氛下进行，则打开第二截止阀413，充入足量保护气体后关闭第二截止阀413，开始下一步实验；

情况三：若实验要求在其他混合气体气氛中进行，则打开挡板阀802，并在保护气体进气管412上接通预设混合气体后，打开第二截止阀413，调整挡板阀802和第二截止阀413大小，在预设混合气体流量下进行下一步实验。在该步骤中，真空泵801一直处于运行状态。

第七步：进行电化学实验：打开电化学检测器501，选择相应功能后，顺时针转动滑动筒体401，待定位销403移出固定筒体304顶端的定位孔306后，通过导向槽305对定位销403的导向作用，滑动筒体401垂直向下滑动，定位销403移至固定筒体304底端定位孔306附近后，逆时针转动滑动筒体401，保证定位销403嵌入固定筒体304底端定位孔306，通过视窗玻璃405可确认各电极下端浸入熔融盐602中，这时真空计411显示的真空度下降，对于第六步所述情况一和情况二的实验要求，依次打开挡板阀802和真空泵801，需要对炉膛再次抽真空到预定值，然后再依次关闭挡板阀802和真空泵801；对于第六步所述情况三的实验要求，挡板阀802开启到合适程度，真空泵801保持运行状态。然后开始采集数据。

第八步：结束实验。实验结束后，对于第六步所述情况一和情况二的实验要求，首先打开第二截止阀413充入保护气体，待真空计411显示值为大气压后，关闭第二截止阀413，顺时针转动滑动筒体401，定位销403移出固定筒体304底端的定位孔306后，通过导向槽305对定位销403的导向作用，滑动筒体401垂直向上滑动，定位销403移至固定筒体304顶端定位孔306附近后，逆时针转动滑动筒体401，定位销403嵌入固定筒体304顶端定位孔306，通过视窗玻璃405可确认各电极下端完全脱离熔融盐602。

然后关闭温度控制器701，停止加热，待炉膛温度降至室温后，打开第一截止阀215充入空气，炉膛内外没有压强差后，关闭真空计，拧开螺钉109，垂直向上整体移除上法兰301、滑动筒体401等相连接的部件，松动第三螺母409，去除各电极和热电偶，移除上耐火垫块108后，取出盛装有凝固了的熔融盐602的坩埚601，将炉膛清理干净后，将上耐火垫块108盖在侧耐火层103上，并将上法兰301安装到加热炉桶体101上。最后整理好工具，清理干净设备并让各部件复位后，整理分析数据，结束实验。

在该步骤中，对于第六步所述情况三的实验要求，应首先关闭第二截止阀413，打大挡板阀802，待炉膛真空度较高时，依次关闭挡板阀802和真空泵801，然后采用本步骤中前述情况一或情况二实验要求的结束实验操作方法。

以上第三步骤~第八步骤过程中，务必保证加热炉桶体101内部压力始终不大于大气压。

以上对本发明提供的滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置做了详细说明。对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均有可能发生改变。所以，不应将本说明书理解为对本发明的限制。在本发明基本思想限制下的任何改变均属于本发明范畴之内，本发明的专利保护范围应有权利要求限制。

Claims (7)

1.滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，带有上、下凸缘的加热炉筒体（101）与上法兰（301）和下法兰（205）通过螺钉连接，加热炉筒体（101）内从外到内依次是侧保温层（102）和侧耐火层（103），侧耐火层（103）中央的下耐火垫块（105）上是盛装熔融盐（602）的坩埚（601），其特征在于：下法兰（205）的中央接有一个通气管（216），通气管（216）的另一端与真空泵（801）连接，在下法兰（205）的圆周上还均布若干圆孔，绝缘瓷芯（210）穿过该圆孔并压紧第一密封圈（206）后，套上绝缘瓷套（204），通过螺杆（201）和第一螺母（202）、第二螺母（213）固定，螺杆（201）也固定了连接U型加热棒（104）和温度控制器（701）的导线（702），U型加热棒（104）镶嵌在中空的侧耐火层（103）中，侧耐火层（103）的上方是上法兰（301），上法兰（301）的中央是一个固定筒体（304），固定筒体（304）内套有可上下移动的倒杯形滑动筒体（401），滑动筒体（401）的底部中央是视窗玻璃（405），视窗法兰盖（406）压紧视窗玻璃（405）后通过螺钉固定在滑动筒体（401）上，滑动筒体（401）的底部还有5个空心螺杆（407）和1个依次连接真空计（411）、第二截止阀（413）的保护气体进气管（412），空心螺杆（407）内装有电极和热电偶（410），电极与电化学检测器（501）连接，热电偶与温度控制器（701）连接；加热炉筒体（101）上、下凸缘上的密封槽内有第二密封圈（302）、第三密封圈（207），上法兰（301）和下法兰（205）压紧第二密封圈（302）、第三密封圈（207）后，通过螺钉与加热炉筒体（101）连接；采用U型加热棒（104）加热，多根U型加热棒（104）沿圆周方向置于中空的侧耐火层（103）中。

2.根据权利要求1所述的滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，其特征在于：通气管（216）与下法兰（205）连接，串联挡板阀（802）后接通炉腔和真空泵（801），通气管（216）侧面连接有进气管（214），进气管（214）与第一截止阀（215）连接，接通炉腔与外界大气。

3.根据权利要求1所述的滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，其特征在于：下法兰（205）上有若干圆孔，圆孔周围均有密封槽并安装有第一密封圈（206）。

4.根据权利要求1所述的滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，其特征在于：绝缘瓷芯（210）中心通孔底端穿上螺杆（201）后形成密封槽，装上第四密封圈（211）后，通过第二垫圈（212）压紧并密封；滑动筒体（401）侧壁的密封槽内装有第五密封圈（402）。

5.根据权利要求1所述的滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，其特征在于：固定筒体（304）侧壁有数条轴向直线形导向槽（305），固定筒体（304）在上法兰（301）上方放置时，每条导向槽（305）右侧面开设有上下两个缺口型定位孔（306）。

6.根据权利要求1所述的滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，其特征在于：滑动筒体（401）侧壁有凸起状的定位销（403），滑动筒体（401）套在固定筒体（304）中时，定位销（403）处于导向槽（305）和定位孔（306）中；滑动筒体（401）底部有空心螺杆（407），空心螺杆（407）外表面上端有螺纹，与第三螺母（409）配合。

7.根据权利要求1所述的滑筒型熔融盐电化学腐蚀测量装置，其特征在于：电极和热电偶（410）依次穿过第三螺母（409）、第七密封圈（408）和空心螺杆（407）后，由第三螺母（409）紧固密封；滑动筒体（401）底部中心通孔周围的密封槽内安装有第六密封圈（404），第六密封圈（404）上盖有视窗玻璃（405）和环形视窗法兰盖（406），环形视窗法兰盖（406）通过螺钉与滑动筒体（401）固定。