CN109212004A - 搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及搪瓷用钢的检测装置和检测方法。一种搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置，包括：实验槽（31）、循环控温装置（21）、充氢溶液（22）、测温探头（23）、对电极（25）、恒电流仪（26）、毛细管（28），实验槽中下部置放样板（24），实验槽被样板分离形成上部腔体和下部腔体，上部腔体构成充氢池X，下部腔体构成测氢池Y；下部腔体内装有毛细管；两根电阻丝（29）固定在毛细管通道内，且设置有电阻丝的毛细管通道段部分浸没在导电溶液（27）中，两根电阻丝通过导电溶液构成回路；电信号测量仪（30）接在两根电阻丝上用以检测回路电信号的变化。进而记录下毛细管液面上升情况，即实时测量氢气析出体积，最终获得样板氢气体积与时间曲线。

Description

搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及搪瓷用钢的检测装置和检测方法，尤其涉及一种搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置及检测方法，属于产品质量检测领域。

背景技术

搪瓷鳞爆是由于钢板中的氢所引起的。实际上，搪瓷瓷层是一种多层结构，主要是由混合多面体相互组合成的连续网架；瓷层网络的规则程度，介于硅酸盐晶体与硅酸盐瓷釉之间，属于亚规则的连续网络结构。正是由于这种特殊的结构,使氢在瓷层中的扩散非常困难。在搪瓷制品生产的过程中，如果钢中溶入了大量的氢原子，冷却后钢中的氢达到过饱和，那么氢就要向外扩散；而氢又很难在瓷层中扩散，这样就造成了氢在金属和瓷层之间积聚并以气体的形式存在。当氢气的压力足够大时，便会冲破瓷层而产生鳞爆。

氢穿透曲线测量是表征钢板储氢性能的重要研究手段，也是用于表征搪瓷钢抗鳞爆性能的重要手段。鳞爆是生产搪瓷制品最重要的缺陷，抗鳞爆性能是搪瓷用钢最重要的关键性能。

钢板抗搪瓷鳞爆性能早期的检测方法主要是涂搪检验，试验选用对鳞爆敏感的瓷釉，通过对制作搪瓷试样的观察，直观判断钢板的抗搪瓷鳞爆性能。也有用各种已知有鳞爆倾向的底釉进行涂搪，然后将试样在200～300 ℃的烘箱中保温数天，根据每一种底釉产生鳞爆的数量，决定该种钢板是否适用于搪瓷。为此检测方法，国外还设计并生产出了专用鳞爆敏感瓷釉，以检测钢板的鳞爆倾向。该方法虽然可用来对钢板抗搪瓷鳞爆性能进行检测，但试验过于复杂，费时费力，且检测结果依赖试验瓷釉，很难单独对一个钢板本身做出科学、客观的评价。根据搪瓷鳞爆为钢板渗氢所致的现象，人们自然想到采用氢穿透的方法评价搪瓷钢抗鳞爆性能。

关于氢穿透试验的标准有两类。一类以标准BS EN 10209-2013为代表，图1是试验装置示意图，一种搪瓷钢鳞爆性能检测装置包括：实验槽3、记录仪5、水浴控温装置6、恒电流仪7、密封塞8、毛细管2，实验槽8中下部置放样板4，实验槽8被样板4分离形成实验槽上部腔体和下部腔体，上部腔体内装有温控蛇形管、测温探头、对电极，温控蛇形管接水浴控温装置6，上部腔体内放置充氢溶液，对电极和样板4接恒电流仪7，恒电流仪7接记录仪5，实验槽31上部腔体构成充氢池；下部腔体内装有毛细管2和导电溶液，装入毛细管2的下部腔体一端用密封塞8塞住，毛细管2另一端向外和向上伸出，外部的毛细管2上装有光电传感器1，用于检测毛细管2内液面，光电传感器1被设置于水平底座9上的支架支撑。被测样品上表面接触添加充氢溶液，同时被施加恒电流，进行充氢。在样板上表面，充氢电流使得氢气过饱和。部分过饱和的氢气将穿透样板在样板下表面析出，析出的氢气排除液体导致毛细管液面上升。记录毛细管液面上升情况，也即通过渗透在样板下表面析出的氢气的体积。根据获得的毛细管液面（通过渗透在样板下表面析出的氢气的体积）与时间曲线，采用切线法确定氢穿透时间，表征材料抗鳞爆性能，参见图2，图2为搪瓷钢氢穿透曲线。如何精确记录毛细管液面升降情况是影响实验精确性与有效性的关键。标准BS EN 10209-2013推荐采用光电设备记录液面上升情况。该类设备较为昂贵，且只能人工记录，效率较低。

另一类以ISO 10209-2014标准为代表，装置如图3所示，采用左右双电解池结构；图3中：A 充氢电池，B 氧化电池，1参比电极，2辅助电极，3试样，a进气，b出气。其原理是在钢板上施加足够高的阳极电位，使得钢板中的氢被重新氧化为H⁺进入溶液，测量过程中形成的阳极电流，根据法拉第定律即可计算得出氢气量。该方法在国内应用普遍，后衍生出国标GB/T 29515-2013，用以测量搪瓷钢氢穿透曲线表征其抗鳞爆性能。

ISO 10209-2014标准采用电化学氧化氢原子的方法测氢的析出量，解决了BS EN10209-2013标准测氢难的问题。但ISO 10209-2014标准的试验方法有多处与BS EN 10209-2013标准不符，两类方法的测试结果很难对应。

经过多年的实际应用，BS EN 10209-2013标准在欧洲搪瓷行业被普遍认可。而BSEN 10209-2013标准给出的判定搪瓷用冷轧钢板抗鳞爆性能合格与否的阈值也被普遍接受。而ISO 10209-2014及GB/T 29515-2013并未能给出判定搪瓷用冷轧钢板抗鳞爆性能合格与否的阈值。在欧洲，ISO 10209-2014及GB/T 29515-2013标准实验方法距离被搪瓷行业认可尚有较长的路要走。

国内现有关于搪瓷钢鳞爆性能检测装置及方法的主要包括：中国专利CN201010228443公开了一种检测搪瓷鳞爆的装置和方法、中国专利CN201210289125公开了一种冷轧钢板搪瓷鳞爆敏感性的电位测量法、中国专利CN201220296655公开了一种冷轧钢板抗搪瓷鳞爆性能的测试装置，三者均采用电解测氢，遵循的都是基于ISO 10209-2014标准的试验体系，表现为：双电解池采用左右结构，具体试验参数包括试样面积、试验步骤等也都参考的ISO10209-2014标准。中国专利CN201510853714公开了一种基于微差压原理的搪瓷用钢抗鳞爆性检测装置及方法，其采用上下结构电解池，测试方法基于BS EN 10209-2013标准。参见图4，图4中：1控制柜、2计算机、3微差压传感器、4数显触摸屏、5直流恒电流恒电压仪、6硅胶管、7铂电极、8温度计、9橡胶塞、10充氢槽、11环氧树脂板固定夹、12样品、13扩氢槽、14橡胶塞、15氢扩散液体注入管、16氢扩散液体导出管、17紧固螺栓。该专利公开了一种测量氢析出量的方法，试验前限定样板下方区域液体体积为固定值，然后压力归零。试验时，氢从样板下表面析出，占用液体体积，导致液体压力增大，以此来测量表征氢的析出量。该方法测量结果直观，比原有标准方法精度更高且可连续自动测量，而且设备成本相对更低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置及检测方法，该检测装置及检测方法能简单快捷且满足BS EN 10209-2013标准要求的实验方法，能迅速、精确地获得钢板的氢穿透曲线，亦可用于搪瓷钢板鳞爆敏感性的评价。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置，包括：实验槽、循环控温装置、测温探头、对电极、恒电流仪、毛细通道，实验槽中下部置放样板，实验槽被样板分离形成实验槽上部腔体和实验槽下部腔体，上部腔体内装有温控蛇形管、测温探头、对电极，温控蛇形管和测温探头接循环控温装置，上部腔体内灌放充氢溶液，对电极和样板接恒电流仪；实验槽上部腔体构成充氢池X，实验槽下部腔体构成测氢池Y；下部腔体内装有毛细管和导电溶液，浸入导电溶液的毛细管另一端向外和向上伸出；

所述检测装置还包括电阻丝和电信号测量仪，所述电阻丝为两根，两根电阻丝固定在毛细管通道内，并且设置有电阻丝的毛细管通道段部分浸没在导电溶液中，两根电阻丝通过导电溶液构成回路；

所述电信号测量仪接在两根电阻丝上，用以检测回路电信号的变化。

所述电阻丝为极细的电阻率恒定且粗细均匀。

所述导电溶液液面将两根电阻丝分为液面以上部分A和液面以下部分B，整个回路电阻R与两根电阻丝在导电溶液液面以上的有效长度成正比。

一种搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测方法，实验槽上部腔体构成充氢池X，实验槽下部腔体构成测氢池Y；充氢池X内充满充氢溶液，充氢溶液通过置于充氢池内的温控蛇形管和测温探头控制温度；通过恒电流仪在充氢池X内的对电极和样板间施加恒电流，使得氢原子在样板的上表面析出；部分过饱和的氢原子穿透样板后在样板下表面结合成氢分子析出并进入测氢池Y形成氢气泡，导致在毛细管内的导电溶液液面上升；

采用电信号测量仪测量安装于毛细管内电阻丝有效阻值的变化，进而记录毛细管液面上升情况，即实时测量氢气析出的体积，最终获得样板氢气体积与时间的曲线，采用切线法确定氢穿透时间t₀。

所述对电极为铂电极或碳棒。

本发明搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置及检测方法通过测量氢穿透曲线评价搪瓷钢鳞爆性能；本发明采用在毛细管通道内设置电阻丝，利用导电溶液导通彼此绝缘的电阻丝，根据电阻丝阻值变化引起的电信号的连续改变持续监测毛细管内导电溶液液面，其操作简单，可持续测量，并且成本低廉。本发明的检测装置和方法符合BS EN 10209-2013标准要求，并在BS EN 10209-2013标准的基础上进行了合理优化。

附图说明

图1为标准BS EN 10209-2013公开的抗鳞爆试验装置示意图；

图2为标准BS EN 10209-2013获得的搪瓷钢氢穿透曲线；

图3为标准ISO 10209-2014公开的氢穿透双电解池结构示意图；

图4为中国专利CN201510853714公开的一种基于微差压原理的搪瓷用钢抗鳞爆性检测装置示意图；

图5为本发明搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置结构示意图；

图6a为图5中C部的毛细管及液面局部放大示意图，图6b为等效电路图一，图6c为等效电路图二；

图7a为毛细管液面起始位置，图7b为毛细管液面上升后位置；

图8为实施例的某冷轧搪瓷用钢氢穿透曲线。

图5中：21 循环控温装置（温控蛇形管），22充氢溶液，23测温探头，24样板，25对电极，26恒电流仪，27导电溶液，28毛细管（毛细通道），29电阻丝，30电信号测量仪，31实验槽，X充氢池，Y测氢池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图5，一种搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置，包括：实验槽31、循环控温装置21、测温探头23、对电极25、恒电流仪26、毛细管28，实验槽31中下部置放样板24，实验槽31被样板24分离形成实验槽上部腔体和实验槽下部腔体，上部腔体内装有温控蛇形管、测温探头23、对电极24，温控蛇形管和测温探头23接循环控温装置21，上部腔体内灌放充氢溶液22，如充氢溶液为：6% H₂SO₄溶液，添加0.25g/l HgCl₂ 和0.5g/l As₂O₃，对电极25和样板24接恒电流仪26；实验槽31上部腔体构成充氢池X，实验槽31下部腔体构成测氢池Y；下部腔体内装有毛细管28和导电溶液27，导电溶液27为不会腐蚀电阻丝的合适浓度的电解质溶液，浸入导电溶液27的毛细管2另一端向外和向上伸出。

所述检测装置还包括电阻丝29和电信号测量仪30，所述电阻丝29为两根，两根电阻丝29固定在毛细管28通道内，并且设置有电阻丝的毛细管28通道段部分浸没在导电溶液27中，两根电阻丝29通过导电溶液27构成回路；所述电信号测量仪30接在两根电阻丝29上，用以检测回路电信号的变化。所述电阻丝29为极细的电阻率恒定且粗细均匀。所述导电溶液27液面将两根电阻丝29分为液面以上部分A和液面以下部分B，整个回路电阻R与两根电阻丝29在导电溶液27液面以上的有效长度成正比，参见图6a、图6b、图6c。

下面具体描述整个回路电阻R的计算：

将两根极细的电阻率恒定且粗细均匀的电阻丝固定在毛细通道中并部分浸没于极易导电的溶液27中。两根电阻丝29通过导电溶液27构成回路。导电溶液27液面将两根电阻丝29分为液面以上部分A和液面以下部分B，参见图6a；整个回路等效电路图一，参见图6b。

整个回路电阻R可通过下式计算：

R=R_A左+R_A右+R_溶液*（R_B左+R_B右+R_溶液）/(R_B左+R_B右+2R_溶液） （1）

式中：R_A左左边电阻丝液面以上电阻，

R_B左左边电阻丝液面以下电阻，

R_A右右边电阻丝液面以上电阻，

R_B右右边电阻丝液面以下电阻，

R_溶液导电溶液电阻；

由于R_溶液很小，远远小于R_B左和R_B右，因此（1）式可简化为：

R=R_A左+R_A右 （2）

即电阻丝浸入导电溶液内的部分被导电溶液短路了，整个回路的等效电路图一变为等效电路图二，参见图6c。

由于电阻丝电阻率恒定且粗细均匀，根据电阻计算公式

R=ρL/S

式中：R电阻、S截面积、L长度、ρ电阻率；

R_A左和R_A右与电阻丝在液面以上的有效长度成正比，所以整个回路电阻R与电阻丝在导电液面以上的有效长度成正比。

参见图7a和图7b，随着导电溶液27在毛细管28内的液面上升，电阻丝29在液面以上的有效长度不断变短，因此也必将导致整个回路的总电阻R变化。

一种搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测方法，基于所述搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置，该实验检测装置主体结构及原理严格遵循了BS EN 10209-2013标准。该装置为上下结构，实验槽31经样板24分离形成实验槽上部腔体和实验槽下部腔体，实验槽31上部腔体构成充氢池X，实验槽31下部腔体构成测氢池Y。

充氢池X内充满充氢溶液22，充氢溶液22通过置于充氢池内的温控蛇形管21和测温探头23控制温度；试验时通过恒电流仪26在充氢池X内的对电极25和样板24间施加恒电流，所述对电极25一般采用铂电极或碳棒，使得氢原子在样板24的上表面析出；部分过饱和的氢原子穿透样板24后在样板下表面结合成氢分子析出并进入测氢池Y形成氢气泡，导致在毛细管28内的导电溶液27液面上升。

采用电信号测量仪30测量安装于毛细管28内电阻丝29有效阻值的变化，进而记录毛细管28液面上升情况，即实时测量氢气析出的体积，最终获得样板氢气体积与时间的曲线，采用切线法确定氢穿透时间t₀。

本发明的实验检测装置和检测方法与BS EN 10209-2013标准实验槽及中国专利CN201510853714所公开的实验槽最重要的不同在于监测毛细管液面情况的装置和方法。BSEN 10209-2013标准实验槽采用光电设备，通过光学方法测量液面上升情况。该设备昂贵，且无法连续自动测量液面上升的数据信息。中国专利CN201510853714公开的实验槽采用微压差技术解决了上述问题，但仍需要购买专门的微压差感应器。本发明的实验检测装置巧妙的采用电阻丝的电阻值变化来测量毛细管液面上升情况，测量精度高、可持续自动采集数据，且成本低廉，极易实现。

实施例：

采用本发明的实验检测装置可测量搪瓷钢板的氢穿透曲线，进而表征其抗鳞爆性能。试验过程遵照BS EN 10209-2013标准，具体如下。

1、样品

每种材料至少4个平行样。样品尺寸70-90mm宽，长度不小于100mm。需要注意，钢卷边部比中心部位具有更高的鳞爆敏感性。

2、实验准备

步骤1：脱脂

30±5g/l 脱脂剂蒸馏水溶液。溶液用玻璃容器盛放并每天更换。脱脂温度70-75℃，脱脂时间5分钟，脱脂过程中电磁搅拌。

步骤2：冷水清洗

自来水冲洗（或浸泡）30秒。

步骤3：脱脂

重复步骤1，但脱脂剂为20±5g/l。

步骤4：热水清洗

65℃自来水冲洗（或浸泡）30秒。

步骤5：冷水清洗

流水清洗2分钟。

步骤6 脱脂效果检验

从经过前述步骤的样品中抽取一块按下述步骤进行检验（被检样品不得进行后续的氢穿透实验）。

将被检样品放入室温10-15%或100-150g/l盐酸溶液15秒。

自来水冲洗，将样品完全浸没于蒸馏水中。

样板取出后保持自然竖立15-20秒，观察样板表面水膜情况。水膜应连续覆盖样板表面无破断。

水膜检验不通过，则需要增加脱脂时间。脱脂30分钟仍不能满足前述要求则样品判废。

3、渗透实验

将样板夹持在电化学测试仪底部，样品上下表面正对部位为均为直径40mm有机玻璃漏斗，样板上表面位于上部漏斗底部，而下表面位于下部漏斗的顶部（参考图1和图5）。上下部的漏斗应正好相对。测试仪下部漏斗的底部与直径1±0.1mm的毛细管连通。

在下部漏斗及毛细管中充满一定量的电解质溶液。

在测试仪上部加入充氢溶液（6% H₂SO₄溶液，添加0.25g/l HgCl₂ 和0.5g/lAs₂O₃）。被测样品作阴极，多孔铂片为阳极。

采用整流器在样板与多孔铂片间提供0.125A/cm²的直流电流（电压为6V直流）。充氢溶液中放置蛇形玻璃热交换器（交换器蛇形玻璃管内流动水的水温由恒温器控制），通过此热交换器控制充氢溶液温度在25±0.5℃范围内。

所有上述工作准备就绪后等待10分钟，以保证充氢溶液温度达到目标值，这段时间称为稳定化时间。

稳定化时间结束后，施加直流电流（充氢电流），电流开始施加的时间点为氢穿透曲线时间起点。

在样板上表面，充氢电流使得氢气过饱和。部分过饱和的氢气将穿透样板在样板下表面析出，析出的氢气排除液体导致毛细管液面上升。采用液面监测设备通过电阻丝有效阻值的变化记录毛细管液面上升情况，也即通过渗透在样板下表面析出的氢气的体积。最终获得氢气体积与时间的曲线，采用切线法确定氢穿透时间t₀，参见图2。

4、评价

按下式计算氢穿透值TH： TH=t₀/d²。

其中t₀为根据步骤3最终确定的氢穿透时间（单位分钟，精确到0.1），d为样板厚度（单位毫米，精确到0.01）。

TH值大于等于6.7，认为被测板抗鳞爆性能合格。

图8为采用上述方法获得的某种冷轧搪瓷用钢的氢穿透曲线。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置，包括：实验槽（31）、循环控温装置（21）、测温探头（23）、对电极（25）、恒电流仪（26）、毛细管（28），实验槽（31）中下部置放样板（24），实验槽（31）被样板（24）分离形成实验槽上部腔体和实验槽下部腔体，上部腔体内装有温控蛇形管、测温探头（23）、对电极（24），温控蛇形管和测温探头（23）接循环控温装置（21），上部腔体内灌放充氢溶液（22），对电极（25）和样板（24）接恒电流仪（26）；实验槽（31）上部腔体构成充氢池X，实验槽（31）下部腔体构成测氢池Y；下部腔体内装有毛细管（28）和导电溶液（27），浸入导电溶液（27）的毛细管2另一端向外和向上伸出；

其特征是：

所述检测装置还包括电阻丝（29）和电信号测量仪（30），所述电阻丝（29）为两根，两根电阻丝（29）固定在毛细管（28）通道内，并且设置有电阻丝的毛细管（28）通道段部分浸没在导电溶液（27）中，两根电阻丝（29）通过导电溶液（27）构成回路；

所述电信号测量仪（30）接在两根电阻丝（29）上，用以检测回路电信号的变化。

2.根据权利要求1所述的搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置，其特征是：所述电阻丝（29）为极细的电阻率恒定且粗细均匀。

3.根据权利要求1或2所述的搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测装置，其特征是：所述导电溶液（27）液面将两根电阻丝（29）分为液面以上部分A和液面以下部分B，整个回路电阻R与两根电阻丝（29）在导电溶液（27）液面以上的有效长度成正比。

4.一种根据权利要求3所述检测装置的搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测方法，实验槽（31）上部腔体构成充氢池X，实验槽（31）下部腔体构成测氢池Y；

充氢池X内充满充氢溶液（22），充氢溶液（22）通过置于充氢池内的温控蛇形管（21）和测温探头（23）控制温度；通过恒电流仪（26）在充氢池X内的对电极（25）和样板（24）间施加恒电流，使得氢原子在样板（24）的上表面析出；部分过饱和的氢原子穿透样板（24）后在样板下表面结合成氢分子析出并进入测氢池Y形成氢气泡，导致在毛细管（28）内的导电溶液（27）液面上升；

其特征是：

采用电信号测量仪（30）测量安装于毛细管内电阻丝（29）有效阻值的变化，进而记录毛细管（28）液面上升情况，即实时测量氢气析出的体积，最终获得样板（24）氢气体积与时间的曲线，采用切线法确定氢穿透时间。

5.根据权利要求4所述的搪瓷钢鳞爆性能排液测氢实验检测方法，其特征是：所述对电极（25）为铂电极或碳棒。