CN111366215B

CN111366215B - 一种复合陶瓷电极

Info

Publication number: CN111366215B
Application number: CN202010272656.4A
Authority: CN
Inventors: 盛文水; 贺强
Original assignee: Changchun Boiler Instrumentation Program Controlled Equipment Co ltd
Current assignee: Changchun Boiler Instrumentation Program Controlled Equipment Co ltd
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2040-04-09
Also published as: CN111366215A

Abstract

本发明公开了一种复合陶瓷电极，至少包括绝缘套和电极芯，电极芯除两端外的部分包覆绝缘套，所述绝缘套采用氮化硅陶瓷，所述电极芯采用碳化硅陶瓷。本发明的复合陶瓷电极采用氮化硅、碳化硅材料特性，利用反应烧结法、重烧结提高机械强度，整体型电极结构紧凑、密封优良，组装工艺简单，抗冲击力好，大大延长电极的使用寿命。

Description

一种复合陶瓷电极

技术领域

本发明涉及一种复合陶瓷电极，更具体地说，本发明涉及一种锅炉汽包水位测量用复合陶瓷电极。

背景技术

锅炉汽包水位测量使用的仪表通常为电极芯导电式水位计，电极芯式水位计一般测量点位17-19个，个别测量点位有23-27个，其测量原理为：利用炉水和蒸汽的导电率差异的特性进行测量，由于液位的变化使部分电极芯浸入水中，部分电极芯置于蒸汽中，在炉水中的电极芯对筒体阻抗小，而在蒸汽中的电极芯对筒体的阻抗大，利用这一特性，可将非电量的水位转化为电量，送给智能二次仪表，从而实现水位的显示、报警输出等功能。

国内大量使用的电极芯导电式水位计是复合氧化铝陶瓷(Al₂O₃-99％)与镍合金焊接而成，金属承受机械预紧压力，复合氧化铝陶瓷承受外压及高温蒸汽冲刷和化学腐蚀。

电极芯导电式水位计存在以下问题：①锅炉的汽水混合物pH＝9.0-9.5，个别超标或偏大pH＝10左右，使得电极芯在碱性溶液中腐蚀比较快；②电极芯绝缘体及焊接部位容易结垢而污染，绝缘性能下降；③电极芯的复合氧化铝陶瓷不断承受高温蒸汽(300-350℃)的冲刷，促使复合氧化铝陶瓷腐蚀加快，这使得电极芯式水位计容易出现泄漏、维护周期短等安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合陶瓷电极，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种复合陶瓷电极，至少包括：

绝缘套和电极芯，电极芯除两端外的部分包覆绝缘套，所述绝缘套采用氮化硅陶瓷，所述电极芯采用碳化硅陶瓷。

优选的是，所述电极芯除两端外的部分采用反应烧结与重烧结工艺以包覆绝缘套，形成整体复合陶瓷电极。

优选的是，所述氮化硅陶瓷中氮化硅的纯度不低于92％。

优选的是，所述碳化硅陶瓷中碳化硅纯度不低于95％。

优选的是，所述绝缘套表面经精磨加工处理。

优选的是，复合陶瓷电极为类圆柱体结构

本发明至少包括以下有益效果：1、绝缘套采用氮化硅(Si₃N₄)，探针芯采用碳化硅(SiC)，通过反应烧结法技术与重烧结制备，具有纯度高、强度高、低密度、耐高温和抗冲击性等性质；2、极耐高温，强度一直可以维持到1000℃的高温而不下降，并有惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸和30％以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐蚀。3、碳化硅陶瓷(SiC)导电特性及耐腐蚀性和优良的机械性能，提高电极芯的机械性能，寿命更长；4、本发明采用氮化硅、碳化硅材料特性，利用反应烧结法、重烧结提高机械强度，整体型电极结构紧凑、密封优良，组装工艺简单，抗冲击力好，震动基本上不会对它有影响；5、耐碱腐蚀性非常好，高温抗氧化性非常好。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的复合陶瓷电极的剖视图。

图2为本发明的复合陶瓷电极的立体图。

附图说明：1、绝缘环，2、电极芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出的一种复合陶瓷电极的实现形式，包括绝缘套1和电极芯2。电极芯2为圆柱结构，并采用碳化硅陶瓷材质，碳化硅陶瓷(SiC)具有优良的导电特性，保证电极芯2在炉水和蒸汽中有一定的导电率差异，从而将非电量的水位转化为电量，送给智能二次仪表，从而实现水位的显示、报警输出等功能；同时具有良好耐腐蚀性和机械性能，电极芯2不容易被腐蚀，提高复合陶瓷电极的整体寿命。如图2所示，电极芯2除两端外的部分包覆绝缘套1，绝缘套1对电极芯2起到绝缘和保护作用。绝缘套1为长套筒结构，包覆在电极芯2的外部，重要的是，绝缘套1采用氮化硅(Si₃N₄)陶瓷材质，氮化硅(Si₃N₄)陶瓷具有优良的绝缘性能、耐高温和耐腐蚀性能，并且性能稳定，从而对电极芯1起到绝缘保护作用，并延长复合陶瓷电极的使用寿命。

在另一实施例中，电极芯2在外部压力作用下压入长套筒结构的绝缘套1内，其两端处于绝缘套1的外部，再采用反应烧结与重烧结工艺使电极芯2和绝缘套1高温固化，同时进行机械预紧定型后复合成一体结构，形成整体复合陶瓷电极，不仅提高电极芯2与绝缘套1结合的紧固性，达到高压密封的目的，并且在高温下也不会形变，可以长期用于高压高温的环境，也避免氧化铝陶瓷(Al₂O₃-99％)与镍合金焊接处结垢而导致绝缘性能下降的问题。

在工艺制备上，第1步将硅粉压制成所需形状的绝缘套生坯，经氮化烧结处理，形成氮化硅生坯，第2步精磨定型为绝缘套，第3步将石墨与α—SiC粉混合成电极芯生坯，第4步将电极芯生坯及助烧剂压人绝缘套中，并且两端处于绝缘套外部，第5步高温下重烧结固化热压形成复合体。

在另一实施例中，氮化硅陶瓷中氮化硅的纯度不低于92％，纯度大于92％的氮化硅，具有优良的强度和抗冲击性，同时拥有超强的抗氧化、耐磨损、耐腐蚀性能，而且实验数据显示纯度越高，各项性能也越高。

在另一实施例中，所述碳化硅陶瓷中碳化硅纯度不低于95％，纯度大于95％的碳化硅，具有优良的强度和抗冲击性，拥有超强的耐磨损、耐腐蚀性能，在电性能方面，碳化硅属于半导体特性，当参入少量的杂质后获得良好的导电特性。

在另一实施例中，所述绝缘套1表面经精磨加工处理，粗糙度达到Ra0.80，适应长期高温汽水混合物中浸泡而不挂垢，从而避免绝缘性能下降。

在另一实施例中，复合陶瓷电极为类圆柱体结构，设计成此机械承压体结构，1、从制备工艺上适合批量生产，2、机械加工实现方便，3、受压力能力好，4、密封性能控制稳定，5、长期浸泡在高温水和蒸汽中，减小冲刷面积，达到优良的密封性能和彻底隔绝污垢，降低磨损电极的绝缘性。

对比实施例1

国内大量使用的电极芯是复合氧化铝陶瓷(Al₂O₃-99％)与镍合金焊接而成，该复合氧化铝陶瓷材料特性如下：

表1复合氧化铝陶瓷材料性能参数表

现有锅炉汽包水汽混合物通过加药控制pH值9.5左右；压力≤19MPa，饱和蒸汽温度≤370℃，通过多年使用及大量的信息反馈看，复合氧化铝陶瓷使用寿命不理想，普遍寿命在4-10个月，在压力温度比较小而且水质控制比较好时，寿命12-14个月。

实施例：

如图2所示，一种复合氮化硅陶瓷电极包括绝缘套1和电极芯2，绝缘套1采用氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷中氮化硅的纯度为95％，电极芯1采用碳化硅陶瓷材质，碳化硅陶瓷中碳化硅纯度为97％,电极芯2除两端外的部分采用反应烧结与重烧结工艺以包覆绝缘套1，形成类圆柱体结构的整体复合陶瓷电极，复合陶瓷电极表面经精磨加工处理，粗糙度达到Ra0.80。

表2本实施例中氮化硅复合陶瓷电极材料性能参数表

同时对复合氮化硅陶瓷电极材料和复合氧化铝电极材料性能进行试验验证，选取复合氮化硅-碳化硅陶瓷电极2个，分别为试件1和试件2，选取复合氧化铝陶瓷管4个，分别为试件3-6。

1、耐碱性腐蚀试验：将试件1-4分别放置于PH＝10的NaOH溶液中，

温度控制290-300℃，浸泡24小时后，擦拭烘干测量如下：

表3耐碱性腐蚀试验表

	浸泡前质量g	浸泡后质量g	质量变化率
				试件1	16.3782	16.3780	1.22x10<sup>-5</sup>
试件2	16.4812	16.4811	0.61x10<sup>-5</sup>
				试件3	4.1331	4.1327	9.68x10<sup>-5</sup>
试件4	4.1335	4.1332	7.25x10<sup>-5</sup>

2、耐冲击试验：

·选取试件1和2分别进行轴向水平和轴向垂直1米自由落体冲击，经过3次落体冲击均没有出现损伤和裂纹；

·试件3和4经过3次轴向水平和轴向垂直0.3米自由落体冲击没有出现损伤和裂纹；试件3和4经过1次轴向水平0.4米自由落体冲击出现断裂；

·试件5和6进行1次轴向垂直0.4米自由落体冲击出现断裂。

比较表1和表2可见：①强酸、强碱溶液中腐蚀损坏性能参数：本发明的复合陶瓷电极材料较复合氧化铝材料的性能优异很多，说明本发明的复合氮化硅电极更适合在碱性锅炉水中浸泡，腐蚀减少的质量更少，更好的保护电极芯，提高电极整体的使用寿命。②断裂韧性：复合陶瓷电极材料的断裂韧性是复合氧化铝材料的1.54倍，常温抗折强度为是复合氧化铝材料的1.25倍，同时参考耐冲击试验，复合陶瓷电极材料有更好的耐冲击性能，避免电极在使用安装过程中受到外力冲击而断裂或受损，更好的保护电极芯，进一步提高电极整体的使用寿命。

通过对比可以看到，整体烧结复合陶瓷(Si₃N₄)结合(SiC)材料的物理性能和耐腐蚀性能都优于复合氧化铝陶瓷(Al₂O₃-99％)。

本实施例中的复合陶瓷电极具有以下特点：1、在高温高压运行状态下，比现有复合氧化铝陶瓷电极芯寿命延长5倍以上；2、是集机械承压、化学腐蚀、蒸汽冲刷功能于一体，彻底解决电极容易污染而需要人工操作冲洗环节；3、是通过模具烧结成型，绝缘套与探针芯没有经过焊接工艺，可以消除机械振动以及焊接应力对陶瓷电极的影响；4、是应用烧结工艺，将氮化硅与碳化硅高温烧结一体，实现结构紧凑，装备工艺简单，密封优良。

本发明的复合陶瓷电极具有以下有益效果：1、绝缘套采用氮化硅(Si₃N₄)，探针芯采用碳化硅(SiC)，通过反应烧结法技术与重烧结制备，具有纯度高、强度高、低密度、耐高温和抗冲击性等性质；2、极耐高温，强度一直可以维持到1000℃的高温而不下降，并有惊人的耐化学腐蚀性能，能耐几乎所有的无机酸和30％以下的烧碱溶液，也能耐很多有机酸的腐蚀。3、碳化硅陶瓷(SiC)导电特性及耐腐蚀性和优良的机械性能，提高电极芯的机械性能，寿命更长；4、本发明采用氮化硅、碳化硅材料特性，利用反应烧结法、重烧结提高机械强度，整体型电极结构紧凑、密封优良，组装工艺简单，抗冲击力好，震动基本上不会对它有影响；5、耐碱腐蚀性非常好，高温抗氧化性非常好。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种复合陶瓷电极，其特征在于，至少包括绝缘套和电极芯，电极芯除两端外的部分包覆绝缘套，所述绝缘套采用氮化硅陶瓷，所述电极芯采用碳化硅陶瓷；所述绝缘套采用反应烧结与重烧结工艺以包覆电极芯除两端外的部分，并进行机械预紧定型后复合成一体结构，具体包括：第1步将硅粉压制成所需形状的绝缘套生坯，经氮化烧结处理，形成氮化硅生坯，第2步精磨定型为绝缘套，第3步将石墨与α—SiC粉混合成电极芯生坯，第4步将电极芯生坯及助烧剂压人绝缘套中，并且两端处于绝缘套外部，第5步高温下重烧结固化热压形成复合体。

2.如权利要求1所述的复合陶瓷电极，其特征在于，所述氮化硅陶瓷中氮化硅的纯度不低于92％。

3.如权利要求2所述的复合陶瓷电极，其特征在于，所述碳化硅陶瓷中碳化硅纯度不低于95％。

4.如权利要求3所述的复合陶瓷电极，其特征在于，所述绝缘套表面经精磨加工处理。

5.如权利要求1-4中任一项所述的复合陶瓷电极，其特征在于，复合陶瓷电极为类圆柱体结构。