CN203405397U - 一种旋转式动态金属腐蚀装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及液态金属高温腐蚀领域，具体为一种旋转式动态金属腐蚀装置。该装置有气路与密封系统、温控与反应器系统和升降与旋转系统，气路与密封系统主要包括真空泵、电阻式真空计、混气装置、气体流量控制器；温控与反应器系统主要包括加热元件、测温元件、人工智能温控仪、耐热钢实验腔、实验腔上封盖、玻璃内衬；升降与旋转系统主要包括步进电机、升降滑台、滚珠螺杆、限位器、旋转杆、试样架。该装置通过金属与高温橡胶圈挤压密封方式，实现试验环境气氛可控，通过智能控温实现试验温度精确可控，通过旋转电机带动搅拌杆旋转的方式实现试样和腐蚀介质（液态金属）的相对运动，在简单的设备组成条件下实现高温动态腐蚀试验。
Description
技术领域
本实用新型涉及液态金属高温腐蚀领域，具体为一种旋转式动态金属腐蚀装置。在高温可控气氛下采用旋转的方式使结构材料与液态金属相对运动，实现材料在动态液态金属中的腐蚀测试，从而为研究材料与液态金属的动态相容性提供了可能性，简化了传统管道式动态腐蚀装置。
背景技术
液态金属通常具有比水更高的密度和热容，因此当使用液态金属作为传热介质时，热传导效率更高，同时由于其沸点高，可以在更高的温度使用而不用担心蒸汽压过高引起的安全问题。所以，近年来使用液态金属作为传热介质或冷却剂成为研究热点。
但高温下的液态金属通常具有比水或水蒸气更高的腐蚀能力，容易造成传热介质对容器结构材料或其它结构材料的腐蚀，因此研究结构材料与液态金属的相容性对于工程应用和科学研究都具有重要的意义。作为传热介质或冷却剂，液态金属通常在一定的容器或管道内流动。因此，除了普通意义上的腐蚀之外，还会对相关材料造成冲蚀。所以，研究高温下流动液态金属对结构材料造成的腐蚀或冲蚀是一种更为直接、更为贴近真实服役状况的测试手段。
目前，通常采用的流动液态金属腐蚀测试装置为管道式装置，即热对流或外力驱动（通过机械泵或电磁泵驱动）使液态金属在固定管道内流动，将测试样品放在管道内研究其和液态金属的相容性。但使用热对流驱动的管道式装置中液态金属的流速较低，难以达到真实服役状况下的流速，从而造成测试数据不准确。而使用机械泵或电磁泵驱动的管道式装置，一方面装置复杂、投资较大，另一方面液态金属也会造成机械泵和电磁泵的腐蚀和磨蚀，既损害泵也会造成液态金属的污染。同时，管道式装置由于管道直径的限制，通常能放入的样品数量有限。所以，设计一种简单的、流动速度可调的动态金属腐蚀测试装置显得十分必要。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种旋转式动态金属腐蚀装置，解决现有技术中装置复杂、液态金属易受污染、装入样品数量受限等问题。针对液态金属动态腐蚀测试需求，提供一种简单、可操作性强的装置。使用该装置可方便调整试验温度、试样和液态金属的相对运动速度、实验气氛等参数，实现对材料与液态金属相容性实验数据的方便、可靠采集与分析。结合所实用新型的旋转式动态金属腐蚀装置，提出一种旋转式动态金属腐蚀装置的使用方法。
本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
一种旋转式动态金属腐蚀装置，该装置包括气路与密封系统、温控与反应器系统和升降与旋转系统，具体结构如下：
气路与密封系统包括：真空泵、电阻式真空计、混气装置、气体流量计、单向安全阀、气瓶，真空泵通过波纹管与实验腔上封盖连接，对实验腔抽真空；电阻式真空计连接在实验腔上封盖上，测量和监控实验腔气体压力；混气装置的进气端通过气体流量计连接气瓶，混气装置的出气端通过电磁阀连接实验腔上封盖，单向安全阀安装在实验腔上封盖上；
温控与反应器系统包括：加热元件、测温元件、人工智能温控仪、耐热钢实验腔、实验腔上封盖、玻璃内衬，加热元件设置于实验腔的外侧，对实验腔进行加热；人工智能温控仪分别与加热元件和测温元件连接，测温元件的一端伸至实验腔中，通过测温元件测量实验腔温度，通过人工智能温控仪实现对温度的设定和控制；玻璃内衬放入耐热钢实验腔中，使液态金属与实验腔隔离；实验腔顶部安装实验腔上封盖，实验腔上封盖通过挤压密封方式与实验腔结合；实验腔上封盖为中空结构，内部通过循环水冷却；旋转杆透过实验腔上封盖上的中心孔伸至实验腔中，旋转杆伸至实验腔中的一端连接试样架；旋转杆和上封盖中心孔之间通过挤压方式实现密封；
升降与旋转系统包括：升降电机、旋转电机、升降滑台、滚珠螺杆、限位器、旋转杆、试样架，升降滑台为立面和水平面形成的L型升降滑台，L型升降滑台的立面与滚珠螺杆螺纹连接，升降电机与滚珠螺杆相连，带动L型升降滑台上下滑动；滚珠螺杆的上部和下部分别安装有限位器，升降滑台的上下移动通过限位器限定；旋转电机安装在L型升降滑台的水平面上，旋转电机的下部连接旋转杆的一端，旋转电机通过旋转杆带动旋转杆另一端的试样架在实验腔内转动；旋转杆与实验腔上封盖中部的孔保持同轴，两者之间通过金属与高温橡胶圈挤压密封装置实现动态密封。
所述的旋转式动态金属腐蚀装置，旋转式动态金属腐蚀装置的外部设置人工智能温控仪，与人工智能温控仪连接的测温元件一端伸至实验腔中。
所述的旋转式动态金属腐蚀装置，金属与高温橡胶圈挤压密封装置安放在实验腔上封盖与实验腔连接处，以及旋转杆与上封盖中心孔连接处，分别实现静态和动态密封。
所述的旋转式动态金属腐蚀装置，旋转式动态金属腐蚀装置使用旋转电机带动试样架旋转，造成试样和液态金属之间的相对运动，实现动态腐蚀实验；从而，通过调整旋转电机的转速和试样在试样架上的位置，进一步调整试样和液态金属的相对运动速率。
所述的旋转式动态金属腐蚀装置，实验腔内部有高纯石英制作的玻璃内衬，用来避免液态金属与实验腔之间的接触，减少因实验腔腐蚀对实验结果造成的干扰；玻璃内衬与实验腔之间使用刚玉粉填实结构，避免实验过程中玻璃内衬的晃动。
所述的旋转式动态金属腐蚀装置，旋转杆通过实验腔上封盖的中心孔插入实验腔内部，并连接试样架，旋转杆与实验腔上封盖中心孔通过金属与高温橡胶圈挤压密封。
本实用新型的腐蚀测试装置与现有技术相比，具有以下优点和独特之处：
1、本实用新型通过旋转测试样品，实现测试样品和液态金属之间的相对运动，从而避免了使用现有技术引起的装置复杂、液态金属驱动装置腐蚀严重、样品装载量少等缺点；同时，本实用新型可以通过简单调节试样架旋转速度或更改样品在试样架上的位置，实现样品和液态金属之间相对运动速率变化。
2、本实用新型的旋转腐蚀测试装置操作简单、方便、安全，在实验开始前使用升降电机将样品提升在反应容器上方，而后通过加热融化腐蚀介质（块状金属），融化完毕后，再通过升降电机将试样浸入液态金属腐蚀介质中，并开始旋转，实验结束时，使用升降电机将样品提出液态金属，整个操作过程中避免了操作者和液体金属的直接接触，确保操作者安全。
3、相对于现有技术，本实用新型旋转腐蚀测试装置的样品装载量大，可以同时对多种样品测试，提高了实验效率。
综上所述，本实用新型旋转腐蚀测试装置通过气体流量计与混气装置的配合使用，实现试验环境气氛可控；通过智能控温，实现试验温度精确可控；通过旋转电机带动搅拌杆旋转的方式，实现试样和腐蚀介质（液态金属）的相对运动；从而，在简单的设备组成条件下实现高温动态腐蚀试验，对研究材料与某些液态金属在动态条件下的相容性具有重要的应用价值。
附图说明
图1为旋转式动态金属腐蚀装置——气路与密封系统结构示意图；
图2为旋转式动态金属腐蚀装置——温控与反应器系统结构示意图；
图3为旋转式动态金属腐蚀装置——升降与旋转系统结构示意图；
图4为旋转式动态金属腐蚀装置的整体外观结构示意图；
图5为装入试样后，旋转式动态金属腐蚀装置剖面图。
图中，1-真空泵；2-真空计；3-混气装置；4-气体流量计；5-挤压密封装置；6-单向安全阀；7-实验腔上封盖；8-实验腔；9-气瓶；10-旋转杆；11-加热元件；12-测温元件；13-人工智能温控仪；14-玻璃内衬；15-升降电机；16-旋转电机；17-升降滑台；18-滚珠螺杆；19-限位器；20-试样架；21-卡扣；A-气路与密封系统；B-温控与反应器系统；C-升降与旋转系统。
具体实施方式
如图1-图5所示，本实用新型旋转式动态金属腐蚀装置，包括气路与密封系统A、温控与反应器系统B和升降与旋转系统C，具体结构如下：
如图1、图2所示，气路与密封系统包括：真空泵1、电阻式真空计2、混气装置3、气体流量计4、单向安全阀6、气瓶9等部分，真空泵1通过波纹管与实验腔上封盖7连接，对实验腔8抽真空；电阻式真空计2连接在实验腔上封盖7上，测量和监控实验腔气体压力；混气装置3的进气端通过气体流量计4连接气瓶9，混气装置3的出气端通过电磁阀连接实验腔上封盖7；单向安全阀6连接实验腔上封盖7。
如图2、图3、图5所示，温控与反应器系统包括：加热元件11、测温元件12、人工智能温控仪13、耐热钢实验腔8、实验腔上封盖7、玻璃内衬14等部分，加热元件11设置于实验腔8的外侧，对实验腔8进行加热；人工智能温控仪13分别与加热元件11和测温元件12连接，测温元件12的一端伸至实验腔8中，通过测温元件12测量实验腔8温度，通过人工智能温控仪13实现对温度的设定和控制；玻璃内衬14放入耐热钢实验腔8中，将液态金属与实验腔8隔离；实验腔8顶部安装实验腔上封盖7，实验腔上封盖7通过挤压密封方式与实验腔8结合；实验腔上封盖7为中空结构，内部通过循环水冷却；旋转杆10通过实验腔上封盖7上的中心孔伸至实验腔8中，旋转杆10的一端装有试样架20，该端伸至实验腔8中。金属与高温橡胶圈挤压密封装置5安放在实验腔上封盖7与实验腔8连接处，以及旋转杆10与上封盖7连接处，分别实现静态和动态密封。
本实用新型中，金属与高温橡胶圈挤压密封装置相当于威尔逊密封装置，使用高温弹簧将在高温橡胶圈挤压在铜制金属框上，实现挤压式密封。
如图3-图5所示，升降与旋转系统包括：升降电机15、旋转电机16、升降滑台17、滚珠螺杆18、限位器19、旋转杆10、试样架20等部分，升降滑台17为立面和水平面形成的L型升降滑台，L型升降滑台17的立面与滚珠螺杆18螺纹连接，升降电机15与滚珠螺杆18相连，带动L型升降滑台17上下滑动；滚珠螺杆18的上部和下部分别安装有限位器19，升降滑台17的上下移动通过限位器19限定；旋转电机16安装在L型升降滑台17的水平面上，旋转电机16的下部连接旋转杆10的一端，旋转电机16通过旋转杆10带动旋转杆10另一端的试样架20在实验腔8内转动；旋转杆10与实验腔上封盖7中部的孔保持同轴，两者之间通过金属与高温橡胶圈挤压密封装置5实现动态密封。另外，旋转式动态金属腐蚀装置的外部设置人工智能温控仪13，实验腔8与实验腔上封盖7之间可以使用卡扣21卡紧。
本实用新型中，旋转式动态金属腐蚀装置使用旋转电机16带动试样架20旋转，造成试样和液态金属之间的相对运动，实现动态腐蚀实验。从而，可通过调整旋转电机16的转速和试样在试样架20上的位置，进一步调整试样和液态金属的相对运动速率。
本实用新型中，实验腔8材质为耐热钢，实验腔8内部有高纯石英（纯度≥99.9wt%）制作的玻璃内衬14，用来隔离液态金属与实验腔8之间的接触，减少因实验腔腐蚀对实验结果造成的干扰。玻璃内衬14与实验腔8之间使用刚玉粉填实，避免实验过程中玻璃内衬的晃动。
本实用新型中，旋转杆10通过实验腔上封盖7的中心孔插入实验腔8内部，并连接试样架20，旋转杆10与实验腔上封盖7中心孔的密封通过金属与高温橡胶圈挤压密封。其中，旋转杆10轴线与实验腔8中心孔轴线重合，试样在试样架20上对称放置，以保证旋转过程中密封效果。
如图1-5所示，本实用新型提供的旋转式动态金属腐蚀装置的使用方法，实验开始前，使用气路与密封系统A中的真空泵1将密封的实验腔8抽至设定真空度以下，然后再使用温控与反应器系统B将实验腔8加热至设定温度；而后向实验腔8内通入设定的混合气体，并在整个实验过程中保持腔内气氛稳定；实验过程中通过旋转杆10带动试样架20转动，实现试样和液态金属之间的相对运动，实验过程中使用升降电机15提升或下降试样架20，具体步骤如下：
1）将玻璃内衬14放入实验腔8，并使用刚玉粉将玻璃内衬14与实验腔8之间的空隙填实，并将适量的块状金属（腐蚀介质）装入玻璃内衬14中；
2）在实验腔上封盖7中心孔内放入挤压密封用的金属框和高温橡胶圈，将旋转杆10穿过实验腔上封盖7中心孔；
3）将试样架20与穿过实验腔上封盖7的旋转杆10相连，同时在试样架20上装卡好试样，使用升降电机15，将试样架20提升至高出玻璃内衬14位置。
4）盖上实验腔上封盖7，使用锁紧卡扣21锁死实验腔上封盖7，使用真空泵1将实验腔8内部气压抽至设定值（真空度通过电子真空计2显示）。
5）使用温控与反应器系统进行加热和温控，加热实验腔8，将块状金属熔化成液体，同时保证实验腔8内温度按照设定程序运行，在此过程中保持实验腔8内真空度。
6）在实验腔8内液态金属融化完毕且状态稳定后，使用混气装置3向实验腔8内注入设计的混合气体，气体流量通过气体流量计4控制。
7）实验腔8内气体压力和组成稳定后，使用升降电机15将试样架20下调，浸入液态金属中，同时开启旋转电机16，使用调速装置调整其旋转速度至设计值，开始动态液态金属腐蚀试验。
8）试验结束时，首先停止旋转电机16，使用升降电机15将试样架20提升至脱离液态金属液面，然后停止加热，加大气体流量，使实验腔内压力达到1标准大气压。
9）等试样冷却至室温后，打开实验腔上封盖7上的锁紧卡扣21，再次使用升降电机15将试样架20与实验腔上封盖7同时提升至高出实验腔8位置，取出试样。
本实用新型中，试样可以为各种牌号的不锈钢、耐热钢、工具钢、普碳钢、磨具钢以及熔点在600℃以上的有色金属等。
实施例一：
使用实用新型中提到的装置进行马氏体耐热钢P91在550℃动态铅铋（Pb-Bi）共晶合金中的腐蚀行为测试，按如下步骤进行：
1）将玻璃内衬放入实验腔，并使用刚玉粉将玻璃内衬与实验腔之间的空隙填实，并将大约20kg的Pb-Bi共晶合金装入玻璃内衬中；
2）在实验腔上封盖中心孔内放入挤压密封金属框和高温橡胶圈，将旋转杆穿过实验腔上封盖中心孔；
3）将试样架与穿过实验腔上封盖的旋转杆相连，同时将φ5×10mm的圆棒状P91试样装卡在试样架上，使用升降电机，将试样架和试样提升至高出玻璃内衬高度。
4）盖上实验腔上封盖，使用锁紧卡扣锁死实验腔上封盖，使用真空泵将实验腔内部气压抽至10Pa以下。
5）使用温控与反应器系统进行加热和温控，以50℃/h的加热速率将实验腔加热至550℃，保温。
6）在实验腔内块状Pb-Bi共晶合金熔化成液态金属并稳定后，使用混气装置按95%高纯氩气+5%氧气的混合比例（体积），向实验腔内注入混合气体，气体流量计控制气体流量为5L/min，使腔内气体压力为1标准大气压，多余气体通过连接在实验腔上封盖上的单向减压阀排除。
7）实验腔内气体压力和组成稳定后，使用升降电机将试样架下调，浸入液态金属中，同时开启旋转电机，使用调速装置调整旋转至90r/min（转/分钟），开始进行动态液态金属腐蚀试验。
8）2000小时后，试验结束。首先停止旋转电机，使用升降电机将试样架提升至脱离液态金属液面，然后停止加热，加大气体流量至10L/min，排除腔内热空气。
9）10小时后，试样温度降至室温，打开实验腔上封盖上的锁紧卡扣，使用提升电机将试样架和上封盖提升至高于实验腔高度，带手套取出试样。经清洗后，进行腐蚀层结构和成分分布研究。
实施例二：
使用实用新型中提到的装置进行马氏体耐热钢P91在600℃动态铅（Pb）合金中的腐蚀行为测试，按如下步骤进行：
1）将玻璃内衬放入实验腔，并使用刚玉粉将玻璃内衬与实验腔之间的空隙填实，并将大约25kg的Pb合金装入玻璃内衬中；
2）在实验腔上封盖中心孔内放入挤压密封金属框和高温橡胶圈，将旋转杆穿过实验腔上封盖中心孔；
3）将试样架与穿过实验腔上封盖的旋转杆相连，同时将40mm×20mm×5mm的片状P91试样装卡在试样架上，使用升降电机，将试样架和试样提升至高出玻璃内衬高度。
4）盖上实验腔上封盖，使用锁紧卡扣锁死实验腔上封盖。使用真空泵将实验腔内部气压抽至10Pa以下。
5）使用温控与反应器系统进行加热和温控，以100℃/h的加热速率将实验腔加热至600℃，保温。
6）在实验腔内块状Pb合金熔化成液态金属并稳定后，使用混气装置按92%高纯氩气+2%氢气+6%水蒸气的混合比例（体积），向实验腔内注入混合气体，气体流量计控制气体流量为5L/min，使腔内气体压力为1标准大气压，多余气体通过连接在实验腔上封盖上的单向减压阀排除。
7）实验腔内气体压力和组成稳定后，使用升降电机将试样架下调，浸入液态金属中，同时开启旋转电机，使用调速装置调整旋转至60r/min，开始进行动态液态金属腐蚀试验。
8）2000小时后，试验需要更换试样。首先停止旋转电机，使用升降电机将试样架提升至脱离液态金属液面，然后停止加热，加大气体流量至10L/min，排除腔内热空气。
9）打开实验腔上封盖上的锁紧卡扣，使用提升电机将试样架和上封盖提升至高于实验腔高度，带手套取出试样。同时，将新试样装卡在试样架上。
10）重复步骤7），稳定后，将气体流量降至5L/min，继续进行试验。
11）5000小时后，试验结束。首先停止旋转电机，使用升降电机将试样架提升至脱离液态金属液面，然后停止加热，加大气体流量至10L/min，排除腔内热空气。
12）12小时后，试样温度降至室温，打开实验腔上封盖上的锁紧卡扣，使用提升电机将试样架和上封盖提升至高于实验腔高度，带手套取出试样。经清洗后，进行腐蚀层结构和成分分布研究。
实施例结果表明，使用本实用新型装置可简单有效地完成动态液态金属腐蚀实验，试样和液态金属之间的相对运动速度可调、实验温度可调、实验气氛可调，可以实现多种腐蚀条件和环境下的结构材料与液态金属相容性实验。同时，使用该实验装置也可方便实现长期实验中间试样的更换。
Claims (5)
1.一种旋转式动态金属腐蚀装置，其特征在于，该装置包括气路与密封系统、温控与反应器系统和升降与旋转系统，具体结构如下：
气路与密封系统包括：真空泵、电阻式真空计、混气装置、气体流量计、单向安全阀、气瓶，真空泵通过波纹管与实验腔上封盖连接，对实验腔抽真空；电阻式真空计连接在实验腔上封盖上，测量和监控实验腔气体压力；混气装置的进气端通过气体流量计连接气瓶，混气装置的出气端通过电磁阀连接实验腔上封盖，单向安全阀安装在实验腔上封盖上；
温控与反应器系统包括：加热元件、测温元件、人工智能温控仪、耐热钢实验腔、实验腔上封盖、玻璃内衬，加热元件设置于实验腔的外侧，对实验腔进行加热；人工智能温控仪分别与加热元件和测温元件连接，测温元件的一端伸至实验腔中，通过测温元件测量实验腔温度，通过人工智能温控仪实现对温度的设定和控制；玻璃内衬放入耐热钢实验腔中，使液态金属与实验腔隔离；实验腔顶部安装实验腔上封盖，实验腔上封盖通过挤压密封方式与实验腔结合；实验腔上封盖为中空结构，内部通过循环水冷却；旋转杆透过实验腔上封盖上的中心孔伸至实验腔中，旋转杆伸至实验腔中的一端连接试样架；旋转杆和上封盖中心孔之间通过挤压方式实现密封；
升降与旋转系统包括：升降电机、旋转电机、升降滑台、滚珠螺杆、限位器、旋转杆、试样架，升降滑台为立面和水平面形成的L型升降滑台，L型升降滑台的立面与滚珠螺杆螺纹连接，升降电机与滚珠螺杆相连，带动L型升降滑台上下滑动；滚珠螺杆的上部和下部分别安装有限位器，升降滑台的上下移动通过限位器限定；旋转电机安装在L型升降滑台的水平面上，旋转电机的下部连接旋转杆的一端，旋转电机通过旋转杆带动旋转杆另一端的试样架在实验腔内转动；旋转杆与实验腔上封盖中部的孔保持同轴，两者之间通过金属与高温橡胶圈挤压密封装置实现动态密封。
2.按照权利要求1所述的旋转式动态金属腐蚀装置，其特征在于，旋转式动态金属腐蚀装置的外部设置人工智能温控仪，与人工智能温控仪连接的测温元件一端伸至实验腔中。
3.按照权利要求1所述的旋转式动态金属腐蚀装置，其特征在于，金属与高温橡胶圈挤压密封装置安放在实验腔上封盖与实验腔连接处，以及旋转杆与上封盖中心孔连接处，分别实现静态和动态密封。
4.按照权利要求1所述的旋转式动态金属腐蚀装置，其特征在于，实验腔内部有高纯石英制作的玻璃内衬，玻璃内衬与实验腔之间使用刚玉粉填实结构。
5.按照权利要求1所述的旋转式动态金属腐蚀装置，其特征在于，旋转杆通过实验腔上封盖的中心孔插入实验腔内部，并连接试样架，旋转杆与实验腔上封盖中心孔通过金属与高温橡胶圈挤压密封。
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