CN110361284B - 一种液态金属空化冲蚀实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属空化冲蚀实验装置，包括底座以及分别设置在底座上的振动装置和升降旋转装置，振动装置上设置有实验用加热装置，加热装置上方设置有含高密封圈的炉盖，炉盖上设置有搅拌机构，搅拌机构与炉盖下的夹盘相连接，夹盘下连接有夹具，夹具与试件连接，炉盖与升降旋转装置连接，升降旋转装置能够控制炉盖的移动将试件放入加热装置中，升降旋转装置、搅拌机构、加热装置以及振动装置分别与控制系统连接，通过对加热装置温度的调节进行腐蚀实验。本发明实验装置炉内温度可控可调节，能够实时监控，使实验数据更可靠。搅拌速度调节范围大，满足高转速这一极端工作条件下的工况模拟。

Description

一种液态金属空化冲蚀实验装置

技术领域

本发明属于液态金属腐蚀实验装置技术领域，具体涉及一种液态金属空化冲蚀实验装置，可用于研究材料在高转速下的冲刷腐蚀行为、高流速流体与材料表面结构之间的交互作用、空蚀与冲蚀的机理等。

背景技术

热镀锌生产线的沉没辊、稳定辊、轴承、轴套等严重的锌液冲刷腐蚀，由此带来巨大的经济损失。据统计：2000年美国57条生产线一年损失为4600万美元。我国仅宝钢镀锌生产线每年因辊类部件的腐蚀损失就高达8000万。因此，用于研究液态金属腐蚀的试验设备非常重要。

目前，市场上销售及使用的液态金属腐蚀实验装置分为两类，一类是管道式装置，通过热对流或者外力驱动使液态金属在管道内流动，进行一个腐蚀试验；一是旋转式装置，通过试样的旋转与液态金属形成相对的速度，实现液态金属的冲刷腐蚀实验。但是，目前市场上销售及使用的液态金属腐蚀实验装置只能进行静态液态金属腐蚀或较低速的液态金属冲刷腐蚀实验模拟。但是在实际工业运用中，液态金属的流动速度极高。以热镀锌加工为例，锌液流速远高达15inch/s，远高于目前普遍的试验设备模拟环境。此外，市场上的这两种液态金属腐蚀装置都没有意识到在高流速的液态金属冲刷下，即使液态金属本身的沸点较高，不容易产生空化现象，但是在随着外部气体被卷入以及紊流的作用下，依旧会发生空化腐蚀。因此，在目前的实验过程中，无法有效地模拟工厂实际生产中同时伴随着的高速冲刷和空化腐蚀作用这一情况，使得实验与实际工况存在着较大的差异。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种液态金属空化冲蚀实验装置，不仅能进行高速冲刷，最高转速可达到2000r/min，而且可以模拟高速冲刷腐蚀与空化腐蚀同时作用时的情况，可以有效地模拟热镀锌实际生产过程中的工况。另外，除了能够进行液态金属高速冲刷腐蚀，本实验装置也可进行静态液态金属腐蚀、液态金属低、中速冲刷腐蚀。

本发明采用以下技术方案：

一种液态金属空化冲蚀实验装置，包括底座以及分别设置在底座上的振动装置和升降旋转装置，振动装置上设置有实验用加热装置，加热装置上方设置有含密封圈的炉盖，炉盖上设置有搅拌机构，搅拌机构与炉盖下的夹盘相连接，夹盘下连接有夹具，夹具与试件连接，炉盖与升降旋转装置连接，升降旋转装置能够控制炉盖的移动将试件放入加热装置中，升降旋转装置、搅拌机构、加热装置以及振动装置分别与控制系统连接，通过对加热装置温度的调节进行腐蚀实验。

具体的，加热装置包括加热炉，加热炉设置在高频微振动装置上，加热炉内部设置有用于放置试件的高纯氮化硅坩埚。

进一步的，坩埚为圆柱型腔体结构，腔体的下端封闭，上端带有含中心圆孔的密封型端盖。

进一步的，炉盖上设置有红外测温器，红外测温器与控制系统连接。

具体的，升降旋转装置包括导柱，导柱的一端通过导柱底座与底座连接，另一端通过导套与炉盖连接，导柱的伸出端设置有减速机支架，减速机支架上设置有减速机，减速机与丝杠的一端连接，丝杠的另一端贯穿炉盖上的丝母设置。

进一步的，减速机与控制系统连接，减速机连接有手轮。

具体的，搅拌机构包括搅拌电机和试件架，搅拌电机通过联轴器与搅拌轴的一端连接，搅拌轴的另一端贯穿炉盖与试样架连接，试件通过夹具设置在试样架上。

进一步的，炉盖的上侧设置有电机支架，搅拌电机设置在电机支架上，试样架设置在炉盖的下侧，试样架的夹装位置设置有三个卡槽。

具体的，振动装置包括震动平台，震动平台设置在底座上，震动平台的下方设置有震动机，震动平台上设置加热装置的加热炉。

具体的，震动平台与底座之间设置有空气减震器。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种液态金属空化冲蚀实验装置，使用加热装置可以完美实现对实际工况的模拟，使用搅拌机构能够进行不同速度要求的实验，使用振动装置能够进行空化腐蚀的模拟，使实验结果更加可靠可信，借助高速旋转装置和间歇式高频微振动系统可精准、稳定地实现高流速液态金属中的空化冲蚀及其损伤分离与交互作用。

进一步的，使用加热炉进行加热，温度范围调节灵活，同时最高温度达到800℃，通过对电机转速的调节，可以实现对速度的多档控制，转速最高可达2000r/min。

进一步的，红外测温器可以实时反映炉内温度，实时监控。

进一步的，升降旋转装置直上直下的结构方便进行转轴与坩埚达到轴对称的要求，在实验中不会发生试样触碰坩埚壁的情况。同时避免人与高温构件的直接接触，保证安全。

进一步的，通过手轮可实现工件快速装夹，夹具结构和试样形状灵活多变，实现试样表面不同角度的空化冲蚀。

进一步的，搅拌机构通过电机支架固定电机，是电机在工作时保证平稳的运作。使用联轴器连接电机与搅拌轴，使搅拌轴失效后便于更换。

进一步的，试样架上夹装位置有三个卡槽，可以使试样实现不同冲刷角度的冲刷

进一步的，空气减震器可以保证在较大的振动幅度下设备整体保持稳定，底座不会发生位移且不会对地面造成破坏。

综上所述，本发明实验装置炉内温度可控可调节，能够实时监控，使实验数据更可靠。搅拌速度调节范围大，满足高转速这一极端工作条件下的工况模拟。通过升降旋转装置、手轮以及搅拌机构的综合作用，使操作过程机械化，避免人与高温构件的直接接触，保证安全性。最后空气减震器的设置使得振动装置在进行空化腐蚀实验时整个实验装置保持稳定状态，底座不会发生位移与倾侧，保证安全与地面不受到破坏。同时，本发明装置的最大创新之处在于通过气氛保护下的空化/冲蚀二者间歇式过程分配实验设计来实现空化与冲蚀强度的有效调节与控制，完成空化与冲蚀的损伤分离。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为液态金属腐蚀实验装置总装配图；

图2为液态金属腐蚀实验装置剖视图；

图3为液态金属腐蚀实验装置机架示意图；

图4为液态金属腐蚀实验装置升降旋转机构示意图；

图5为液态金属腐蚀实验装置搅拌机构示意图；

图6为液态金属腐蚀实验装置加热炉示意图；

图7为液态金属腐蚀实验装置震动平台示意图；

图8为液态金属腐蚀实验装置试样架示意图；

图9为液态金属腐蚀实验装置夹具示意图；

图10为无微振荡空化腐蚀下的冲刷腐蚀形貌图，其中，(a)为低速冲刷腐蚀形貌，(b)为高速冲刷腐蚀形貌；

图11为加入微振荡后低速冲刷腐蚀形貌图，其中，(a)为50um，(b)为25um。

其中：1.底座；2.震动机；3.空气减震器；4.震动平台；5.加热炉；6.试件；7.试件架；8.炉盖；9.导柱；10.导柱底座；11.丝杠；12.导套；13.丝母；14.减速机支架；15.手轮；16.减速机；17.推拉把手；18.红外测温器；19.夹具；20.联轴器；21.电机支架；22.搅拌电机。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种液态金属空化冲蚀实验装置，采用机械组装结合后，使用本实验装置进行模拟液态金属腐蚀，能够测试处材料在液态金属腐蚀、机械冲蚀以及空化腐蚀协同作用下材料的耐蚀性能和力学性能。

请参阅图1和图2，本发明一种液态金属空化冲蚀实验装置，包括升降旋转装置、搅拌机构、加热装置、振动装置以及控制系统；升降旋转装置和振动装置设置在底座1上，加热装置设置在振动装置上，搅拌机构设置在加热装置的炉盖8上，并通过炉盖8与升降旋转装置连接，振动装置用于对加热装置制造空化腐蚀，搅拌机构用于对加热装置产生高速冲刷；控制系统分别与升降旋转装置、搅拌机构、加热装置以及振动装置连接，通过对加热装置温度的调节，使腐蚀温度可控可调节。

请参阅图3和4，升降旋转装置包括导柱9、导柱底座10、丝杠11、导套12、减速机支架14、减速机16和推拉把手17，导柱9的一端通过导柱底座10与底座1连接，另一端通过导套12贯穿炉盖8与炉盖8上设置的减速机支架14连接，减速机16设置在减速机支架14上，炉盖8上设置有丝母13，减速机16的输出端与丝杠11的一端连接，丝杠11的另一端贯穿丝母13设置，通过丝杠丝母控制炉盖8的升降，减速机16上还设置有手轮15。

请参阅图7，振动装置包括震动机2、空气减震器3和震动平台4；加热炉5设置在震动平台4上，震动平台4与加热炉5通过螺丝螺母相连接；震动机2通过螺丝螺母安装在震动平台4下方；空气减震器3设置在震动机2的四周，一端与震动平台4相连，另一端与底座1相连，用于减震维持整个装置的稳定，避免倾翻现象发生；通过震动机2的振动能够在加热炉5内形成气泡，模拟空化腐蚀的情景。

请参阅图5，搅拌机构包括试样架7、搅拌电机22、电机支架21、联轴器20和搅拌轴。电机支架21设置在炉盖8的上侧，搅拌电机22设置在电机支架21上，通过联轴器20与搅拌轴的一端连接，搅拌轴的另一端贯穿炉盖8与炉盖8下侧的试样架7连接，试样架7固定在搅拌轴的底端，试样6通过试样夹具19与试样架相连接，如图6和9所示，搅拌轴的转速可调，档位包括：100rpm、500rpm、1000rpm、1500rpm、2000rpm；试样6的尺寸为100×10×5mm或Φ10×100mm。

请参阅图8，试样架7的夹装位置设置有三个卡槽，可以使试样实现不同冲刷角度的冲刷。

加热装置包括加热炉5、坩埚、红外测温器18。红外测温器18固定在炉盖8上，方便对加热炉5内的温度进行监测；坩埚为一圆柱型腔体，腔体的下端封闭，上端敞口，腔体放置于加热炉5内，腔体尺寸为150×150mm。

红外测温器18用于对加热炉5内温度进行实时监测并显现出来；炉盖8能够防止实验过程中出现液态金属飞溅伤人状况。

控制系统采用管控一体化的三层系统结构，第一层为管理监控层，第二层为控制执行层，第三层为设备层；第一层与第二层通过工业总线进行数据通讯。可编程序控制器作为下位机(控制执行层)对现场的检测参数进行处理。并对控制对象进行实时控制，工控机作为上位机(管理监控层)读取下位机内的数据，进行动态显示和处理。

控制系统通过操作表盘上按钮使机械信号转换为电信号，通过信号线传达给控制电路，控制电路再驱动设备进行工作。设备工作后，传感元件将信号转换成电信号传输给控制电路，控制电路编码翻译后再传输给显示器，实现可视化。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实验装置的具体实验操作步骤：

1.摇动手轮，使试样盘升至指定位置；

2.通过推拉把手使炉盖所在平面旋转90°；

3.将已夹装好试样的夹具固定在试样夹盘上；

4.放入坩埚以及所需融化的锌锭；

5.接通电源，使电源灯亮；

6.接触紧急停止状态，机器进入可操作状态；

7.盖好加热保温用的炉盖；

8.设置好加热参数，启动加热炉；

9.待锌液完全融化后保温10min，去除用于保温的炉盖；

10.通过推拉把手使炉盖与坩埚处于轴对称状态；

11.通过手轮使炉盖下降至指定位置；

12.根据所需实验要求，设置参数，进行实验；

13.实验结束后先进入紧急停止状态，再通过手轮使试样盘升至指定位置；

14.用钢条刮净夹具上残留的锌液后，旋转炉盖所在平台90°，拆卸夹具；

15.取出加热装置内含有锌液的坩埚，放置于试验台旁边的耐火砖上；

16.通过推拉把手使炉盖归位，通过手轮使炉盖下降至指定位置，使炉内温度缓慢下降；

17.切断电源。

其中，试样6在试样架7上固定好后通过升降旋转装置将试样6放入加热炉5的坩埚内；通过控制系统设置温度、速度以及是否需要振动等参数后，加热炉5升温至相应温度，搅拌机构开始工作，同时根据参数的设定，震动平台4工作或保持待机状态；搅拌机构通过调节搅拌电机22的转速，使试样6在线速度上达到相应的高、中、低程度，在进行搅拌时，达到实际工况中的冲刷模拟。

进行对比试验时，试样架7可同时夹装六个不同性能的试样6，不需要重复进行实验，可以将环境误差减少到最小。

请参阅图10，图10(b)为高流速冲刷腐蚀下的金相显微照片，可以明显观察到腐蚀反应发生地更剧烈并且Fe2B骨架发生断裂，无法有效地为基体金属提供屏蔽效果，这是之前Fe-B合金在锌液低流速冲刷腐蚀下无法观测到的现象。

请参阅图11，在图中圈出区域的小坑为冲蚀坑，而图10(a)中腐蚀产物区平滑无冲蚀坑。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液态金属空化冲蚀实验装置，其特征在于，包括底座（1）以及分别设置在底座（1）上的振动装置和升降旋转装置，振动装置上设置有实验用加热装置，加热装置包括加热炉（5），加热炉（5）设置在高频微振动装置上，加热炉（5）内部设置有用于放置试件（6）的高纯氮化硅坩埚，加热装置上方设置有含密封圈的炉盖（8），炉盖（8）上设置有搅拌机构，搅拌机构与炉盖（8）下的夹盘相连接，夹盘下连接有夹具（19），夹具（19）与试件（6）连接，炉盖（8）与升降旋转装置连接，升降旋转装置能够控制炉盖（8）的移动将试件（6）放入加热装置中，升降旋转装置、搅拌机构、加热装置以及振动装置分别与控制系统连接，通过对加热装置温度的调节进行腐蚀实验，升降旋转装置包括导柱（9），导柱（9）的一端通过导柱底座（10）与底座（1）连接，另一端通过导套（12）与炉盖（8）连接，导柱（9）的伸出端设置有减速机支架（14），减速机支架（14）上设置有减速机（16），减速机（16）与丝杠（11）的一端连接，丝杠（11）的另一端贯穿炉盖（8）上的丝母（13）设置，搅拌机构包括搅拌电机（22）和试样架（7），搅拌电机（22）通过联轴器（20）与搅拌轴的一端连接，搅拌轴的另一端贯穿炉盖（8）与试样架（7）连接，试件（6）通过夹具（19）设置在试样架（7）上，振动装置包括震动平台（4），震动平台（4）设置在底座（1）上，震动平台（4）的下方设置有震动机（2），震动平台（4）上设置加热装置的加热炉（5）。

2.根据权利要求1所述的液态金属空化冲蚀实验装置，其特征在于，坩埚为圆柱型腔体结构，腔体的下端封闭，上端带有含中心圆孔的密封型端盖。

3.根据权利要求1所述的液态金属空化冲蚀实验装置，其特征在于，炉盖（8）上设置有红外测温器（18），红外测温器与控制系统连接。

4.根据权利要求1所述的液态金属空化冲蚀实验装置，其特征在于，减速机（16）与控制系统连接，减速机（16）连接有手轮（15）。

5.根据权利要求1所述的液态金属空化冲蚀实验装置，其特征在于，炉盖（8）的上侧设置有电机支架（21），搅拌电机（22）设置在电机支架（21）上，试样架（7）设置在炉盖（8）的下侧，试样架（7）的夹装位置设置有三个卡槽。

6.根据权利要求1所述的液态金属空化冲蚀实验装置，其特征在于，震动平台（4）与底座（1）之间设置有空气减震器（3）。

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