CN211394606U - 一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，包括对锆制设备内壁进行锆金属表面陶瓷化的手抓操作把和对所述手抓操作把进行监控提示的工控箱，手抓操作把包括绝缘移动架以及均安装在绝缘移动架上的镀银铜导电毛刷、用于检测镀银铜导电毛刷远离绝缘移动架一端温度的温度检测仪和用于为镀银铜导电毛刷提供改性气体的混合气喷管。本实用新型采用镀银铜导电毛刷，实现与锆金属表面达到柔性接触，显著降低对待处理表面粗糙度的要求，可达性好，可靠性高，陶瓷化处理表面均匀、美观，隔离了大气中杂质元素的影响，表面陶瓷化过程温度和混合气比例均可控，从而达到表面陶瓷化质量均匀可控，成本低，延长设备服役寿命。

Description

一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置

技术领域

本实用新型属于锆金属表面陶瓷化技术领域，具体涉及一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置。

背景技术

锆材料具有中子吸收截面小、辐照稳定性好等优点，是压水堆核电站应用的关键材料，服役过程与高温高压水发生反应，表面会生成一层氧化膜，实质为腐蚀氧化膜。锆材料还广泛应用到民用核化工和非核的精细化工领域，锆设备附加值高，其表面存在一层极薄的致密氧化膜，显著提升了锆在苛刻环境下耐高温和抗腐蚀性能，但原始表面氧化膜硬度低，在锆设备加工过程和使用过程易被外在载荷造成划伤，从该处发生点腐蚀，往往是腐蚀失效的源头，一般，在苛刻的酸性或其它介质体系环境中，存在应力腐蚀开裂、氢脆和电偶腐蚀三种主要的失效模式，尤其是大型锆制压力容器，焊缝多，焊接接头组织差异性大，存在较大焊接残余应力，锆在酸性介质体系中，对氢十分敏感，在高温高压服役环境下有严重安全隐患和高的停车维修成本。为减小锆材料因磨损、腐蚀造成的损失，采用表面改性技术成为材料科学最活跃的前沿领域之一，成为延长锆制设备服役寿命、提高综合经济效益的重要手段。综上可知，锆材表面均匀致密的陶瓷化改性是提高表面耐磨性、解决焊接接头组织差异性导致的电化学腐蚀及修复问题的关键技术。

金属表面陶瓷化技术亟待解决的问题：从陶瓷化工艺方面，生产效率低、成本高、操作灵活性差、存在环境污染、不可控因素多、质量稳定性差。传统锆材高温氧化陶瓷化处理，采用大气炉或马弗炉，控制精度较低，能耗大，工作环境差，一般都是处理小件产品，而大件产品对大气炉尺寸、均温区和炉中洁净度等要求高，尤其是锆钢复合板设备，因加热温度高，对钢基体力学性能和复合板界面结合强度影响很大，导致钢基体力学性能削弱，锆钢复合板设备界面分层，且受表面粗糙度不均匀性和加热温度不均匀性导致表面陶瓷化处理效果极不均匀，整体服役性能显著降低。

传统的电阻加热主要用在金属材料弯曲、铸造成形、轧制、电阻焊、金属热处理等技术领域，电极与被加热对象为硬接触，若采用传统电阻加热装置，由于接触面因粗糙不平导致界面非全面接触，而且不均匀的接触电阻加热的温度场梯度大，陶瓷化处理均匀性和致密性非常差。大型或超大型锆设备不可避免存在焊接，在焊缝位置不平度更大，硬连接电极是无法进行的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其设计新颖合理，采用镀银铜导电毛刷，实现与锆金属表面达到柔性接触，显著降低对待处理表面粗糙度的要求，可达性好，可靠性高，陶瓷化处理表面均匀、美观，隔离了大气中杂质元素的影响，表面陶瓷化过程温度和混合气比例均可控，从而达到表面陶瓷化质量均匀可控，成本低，延长设备服役寿命，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：包括对锆制设备内壁进行锆金属表面陶瓷化的手抓操作把和对所述手抓操作把进行监控提示的工控箱，所述工控箱上安装有电流表、电压表、显示屏、旋钮、电源负极接口、电源正极接口、通信接口、氧气接口和氩气接口，所述工控箱内设置有控制板、氧气瓶和氩气瓶，所述控制板上集成有主控制器、为所述手抓操作把供电的供电电源和与所述主控制器输出端连接的继电器，电流表和继电器串联在所述供电电源为所述手抓操作把供电的回路中，电压表并联在所述供电电源两端，显示屏和继电器均与主控制器的信号输出端连接，所述手抓操作把包括绝缘移动架以及均安装在绝缘移动架上的镀银铜导电毛刷、用于检测镀银铜导电毛刷远离绝缘移动架一端温度的温度检测仪和用于为镀银铜导电毛刷提供改性气体的混合气喷管，温度检测仪的信号输出端连接有微控制模块，所述微控制模块包括微控制器以及均与所述微控制器连接的提示器和串口通信模块，所述温度检测仪的信号输出端与微控制器的输入端连接，串口通信模块通过通信电缆与通信接口连接，锆制设备通过第一导线与电源负极接口连接，镀银铜导电毛刷通过第二导线与电源正极接口连接，混合气喷管通过混合气输送管与氧气输送管和氩气输送管连接，混合气输送管通过比例调节阀与氧气输送管和氩气输送管连接，氧气输送管远离比例调节阀的一端通过氧气接口与氧气瓶连接，氩气输送管远离比例调节阀的一端通过氩气接口与氩气瓶连接。

上述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述手抓操作把通过锆制设备的人孔进入至锆制设备内。

上述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述混合气喷管包括与混合气输送管连通的喷管输气管和设置在喷管输气管远离混合气输送管一端的喷管喷头，喷管喷头上均匀的开设有多个喷气孔，所述喷气孔的孔径为0.5mm，所述喷气孔朝向镀银铜导电毛刷远离绝缘移动架的一端。

上述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述氧气瓶中氧气纯度不小于99.98％，所述氩气瓶中氩气纯度不小于99.999％，所述混合气输送管的混合气中氧气体积含量为5％～20％，所述混合气输送管的混合气中氩气体积含量为80％～95％。

上述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述供电电源为电压0～30V且电流50A～300A的可调电源。

上述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述镀银铜导电毛刷的镀银层厚度为20μm～50μm，所述镀银铜导电毛刷的单道陶瓷化处理宽度为30mm～200mm，所述镀银铜导电毛刷与锆制设备内壁表面呈60°～90°。

上述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述混合气喷管设置在镀银铜导电毛刷移动方向前端，所述混合气喷管与镀银铜导电毛刷之间的距离为20mm，所述混合气喷管与锆制设备内壁之间的距离为10mm～20mm。

上述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述第二导线穿过绝缘移动架与镀银铜导电毛刷连接。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型采用镀银铜导电毛刷电阻加热，电阻加热过程是瞬态温度场，热量集中在表面的瞬间实现高温瞬态陶瓷化处理，是电-热-固-气耦合作用的结果，电阻加热对锆设备内表面通以低电压大电流作用，利用锆材料自身电阻，在局部表面瞬间被加热到陶瓷化处理温度，形成黑亮的、一定厚度的、均匀致密的陶瓷膜，可靠稳定，使用效果好。

2、本实用新型通过设置手抓操作把对锆制设备内壁进行锆金属表面陶瓷化，手抓操作把上安装有镀银铜导电毛刷，其柔性可弯曲，实现接触面在粗糙不平的情况下，界面依然可全面接触，而且接触电阻均匀，陶瓷化处理均匀性和致密性效果好，另外，手抓操作把为镀银铜导电毛刷前进移动过程提供充足的氧化气体，同时温度检测仪可实时检测镀银铜导电毛刷远离绝缘移动架一端的温度，并对采集的温度进行主控反馈，实现镀银铜导电毛刷温度精确控制，操作人员可通过温度检测仪后侧的提示器直观的知道镀银铜导电毛刷的工作温度，使用效果好，便于推广使用。

3、本实用新型混合气喷管为锆制设备内壁提供的表面陶瓷化气体是通过氧气瓶和氩气瓶按照设定的比例混合的氩气和氧气，氧气瓶和氩气瓶中气体纯度高，隔绝了大气中氮元素、铁元素、粉尘等污染，实施过程安全可控。

综上所述，本实用新型设计新颖合理，采用镀银铜导电毛刷，实现与锆金属表面达到柔性接触，显著降低对待处理表面粗糙度的要求，可达性好，可靠性高，陶瓷化处理表面均匀、美观，隔离了大气中杂质元素的影响，表面陶瓷化过程温度和混合气比例均可控，从而达到表面陶瓷化质量均匀致密可控，成本低，可做修复处理，显著降低锆材损耗，延长设备服役寿命，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构连接示意图。

图2为本实用新型混合气喷管的结构示意图。

图3为本实用新型的电路原理框图。

附图标记说明:

1—锆制设备； 2—工控箱； 3—第一导线；

4—第二导线； 5—通信电缆； 6—氧气输送管；

7—氩气输送管； 8—比例调节阀； 9—混合气输送管；

10—镀银铜导电毛刷； 11—温度检测仪； 12—混合气喷管；

12-1—喷管输气管； 12-2—喷管喷头； 12-3—喷气孔；

13—绝缘移动架； 14—人孔； 15—电流表；

16—电压表； 17—显示屏； 18—旋钮；

19—电源负极接口； 20—电源正极接口； 21—通信接口；

22—氧气接口； 23—氩气接口； 25—提示器；

26—微控制器； 27—串口通信模块； 28—主控制器；

29—继电器。

具体实施方式

如图1至图3所示，本实用新型所述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，包括对锆制设备1内壁进行锆金属表面陶瓷化的手抓操作把和对所述手抓操作把进行监控提示的工控箱2，所述工控箱2上安装有电流表15、电压表16、显示屏17、旋钮18、电源负极接口19、电源正极接口20、通信接口21、氧气接口22和氩气接口23，所述工控箱2内设置有控制板、氧气瓶和氩气瓶，所述控制板上集成有主控制器28、为所述手抓操作把供电的供电电源和与所述主控制器28输出端连接的继电器29，电流表15和继电器29串联在所述供电电源为所述手抓操作把供电的回路中，电压表16并联在所述供电电源两端，显示屏17和继电器29均与主控制器28的信号输出端连接，所述手抓操作把包括绝缘移动架13以及均安装在绝缘移动架13上的镀银铜导电毛刷10、用于检测镀银铜导电毛刷10远离绝缘移动架13一端温度的温度检测仪11和用于为镀银铜导电毛刷10提供改性气体的混合气喷管12，温度检测仪11的信号输出端连接有微控制模块，所述微控制模块包括微控制器26以及均与所述微控制器26连接的提示器25和串口通信模块27，所述温度检测仪11的信号输出端与微控制器26的输入端连接，串口通信模块27通过通信电缆5与通信接口21连接，锆制设备1通过第一导线3与电源负极接口19连接，镀银铜导电毛刷10通过第二导线4与电源正极接口20连接，混合气喷管12通过混合气输送管9与氧气输送管6和氩气输送管7连接，混合气输送管9通过比例调节阀8与氧气输送管6和氩气输送管7连接，氧气输送管6远离比例调节阀8的一端通过氧气接口22与氧气瓶连接，氩气输送管7远离比例调节阀8的一端通过氩气接口23与氩气瓶连接。

需要说明的是，采用镀银铜导电毛刷10电阻加热，电阻加热过程是瞬态温度场，热量集中在表面的瞬间实现高温瞬态陶瓷化处理，是电-热-固-气耦合作用的结果，电阻加热对锆设备内表面通以低电压大电流作用，利用锆材料自身电阻，在局部表面瞬间被加热到陶瓷化处理温度，形成黑亮的、一定厚度的、均匀致密的陶瓷膜，可靠稳定，使用效果好；通过设置手抓操作把对锆制设备1内壁进行锆金属表面陶瓷化，手抓操作把上安装有镀银铜导电毛刷10，其柔性可弯曲，实现接触面在粗糙不平的情况下，界面依然可全面接触，而且接触电阻均匀，陶瓷化处理均匀性和致密性效果好，另外，手抓操作把为镀银铜导电毛刷10前进移动过程提供充足的氧化气体，同时温度检测仪11可实时检测镀银铜导电毛刷10远离绝缘移动架13一端的温度，并对采集的温度进行主控反馈，实现镀银铜导电毛刷10温度精确控制，操作人员可通过温度检测仪11后侧的提示器25直观的知道镀银铜导电毛刷10的工作温度；混合气喷管12为锆制设备1内壁提供的表面陶瓷化气体是通过氧气瓶和氩气瓶按照设定的比例混合的氩气和氧气，氧气瓶和氩气瓶中气体纯度高，隔绝了大气中氮元素、铁元素、粉尘等污染，实施过程安全可控，优选的，微控制器26采用ARM微控制器或是DSP微控制器，主控制器28采用计算机。

本实施例中，所述手抓操作把通过锆制设备1的人孔14进入至锆制设备1内。

本实施例中，所述混合气喷管12包括与混合气输送管9连通的喷管输气管12-1和设置在喷管输气管12-1远离混合气输送管9一端的喷管喷头12-2，喷管喷头12-2上均匀的开设有多个喷气孔12-3，所述喷气孔12-3的孔径为0.5mm，所述喷气孔12-3朝向镀银铜导电毛刷10远离绝缘移动架13的一端。

需要说明的是，喷管喷头12-2上均匀的开设多个喷气孔12-3的目的是保证提供给镀银铜导电毛刷10的氧化气体均匀，为镀银铜导电毛刷10的锆金属表面陶瓷化均匀提供可靠的保障。

本实施例中，所述氧气瓶中氧气纯度不小于99.98％，所述氩气瓶中氩气纯度不小于99.999％，所述混合气输送管9的混合气中氧气体积含量为5％～20％，所述混合气输送管9的混合气中氩气体积含量为80％～95％。

需要说明的是，混合气输送管9的混合气中氧气体积含量为5％～20％的目的是避免锆制设备1内壁过氧化，造成表面陶瓷化质量差。

本实施例中，所述供电电源为电压0～30V且电流50A～300A的可调电源。

需要说明的是，供电电源的电压为0～30V，保障操作人员安全，不对操作人员造成过压威胁。

本实施例中，所述镀银铜导电毛刷10的镀银层厚度为20μm～50μm，所述镀银铜导电毛刷10的单道陶瓷化处理宽度为30mm～200mm，所述镀银铜导电毛刷10与锆制设备1内壁表面呈60°～90°，利用镀银铜导电毛刷10可弯曲的特性，实现对不均匀表面的锆制设备1内壁的均匀电阻加热陶瓷化。

本实施例中，所述混合气喷管12设置在镀银铜导电毛刷10移动方向前端，所述混合气喷管12与镀银铜导电毛刷10之间的距离为20mm，所述混合气喷管12与锆制设备1内壁之间的距离为10mm～20mm。

本实施例中，所述第二导线4穿过绝缘移动架13与镀银铜导电毛刷10连接。

本实施例中，所述提示器为红绿指示灯，所述温度检测仪为红外测温仪。

本实用新型使用时，打开氧气瓶和氩气瓶，氧气经过氧气输送管6输送至比例调节阀8，同时氩气经过氩气输送管7输送至比例调节阀8，利用比例调节阀8调节氩气流量和氧气流量，使混合气输送管9的混合气中氧气体积含量为α，混合气输送管9的混合气中氩气体积含量为1-α，其中，氧气瓶中氧气纯度不小于99.98％，氩气瓶中氩气纯度不小于99.999％，α的取值范围为5％～20％；打开供电电源，根据设计需求调节供电电源的电压和电流，通过电流表15查看电路回路中电流值，通过电压表16查看供电电源的电压值；在主控制器28中预先设定镀银铜导电毛刷10工作温度的温度下限值和温度上限值，启动温度检测仪11实时监测镀银铜导电毛刷10远离绝缘移动架13一端的温度，其中，供电电源为电压0～30V且电流50A～300A的可调电源；

操作人员携带手抓操作把通过锆制设备1的人孔14进入至锆制设备1内，当温度检测仪11上的提示器25提示镀银铜导电毛刷10远离绝缘移动架13一端的温度在镀银铜导电毛刷10的温度下限值和温度上限值之间时，操作人员手持手抓操作把的绝缘移动架13，保持镀银铜导电毛刷10与锆制设备1内壁表面呈60°～90°，移动手抓操作把对锆制设备1内壁进行锆金属表面陶瓷化处理，混合气体通过混合气喷管12输出，混合气喷管12设置在镀银铜导电毛刷10移动方向前端，混合气喷管12输出的混合气体流量为30L/min、输出压力0.01MPa，镀银铜导电毛刷10原位陶瓷化有效处理时间0.5s～1.5s；

利用温度检测仪11实时监测镀银铜导电毛刷10的工作温度，当提示器25提示温度检测仪11实时采集的镀银铜导电毛刷10的工作温度低于温度下限值时，镀银铜导电毛刷10进行原位锆金属表面陶瓷化处理；当提示器25提示温度检测仪11实时采集的镀银铜导电毛刷10的工作温度高于温度上限值时，微控制器26经串口通信模块27和通信电缆5向主控制器28传输信息，主控制器28控制继电器29跳闸断电，待温度检测仪11实时采集的镀银铜导电毛刷10的工作温度回归至镀银铜导电毛刷10的温度下限值和温度上限值之间时，继续移动手抓操作把对锆制设备1内壁进行锆金属表面陶瓷化处理，直至对锆制设备1内壁的锆金属表面陶瓷化处理完毕。

本实用新型利用表面高温氧化技术将锆材基体和表面氧化锆陶瓷两者有机结合，形成表层复合体系，锆金属表面待处理区域、操作温度和陶瓷化过程精确控制，全方位柔性接触、加热效率高，能耗低，经济性高，形成均匀致密的陶瓷膜，提高耐磨损性和耐腐蚀性，避免无效加热，延长整体设备服役寿命，特别适用于尺寸大、重量大、局部或整体处理、不易搬运可到现场处理的锆制设备，解决了大型或超大型锆设备难以高温均匀陶瓷化的问题。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：包括对锆制设备(1)内壁进行锆金属表面陶瓷化的手抓操作把和对所述手抓操作把进行监控提示的工控箱(2)，所述工控箱(2)上安装有电流表(15)、电压表(16)、显示屏(17)、旋钮(18)、电源负极接口(19)、电源正极接口(20)、通信接口(21)、氧气接口(22)和氩气接口(23)，所述工控箱(2)内设置有控制板、氧气瓶和氩气瓶，所述控制板上集成有主控制器(28)、为所述手抓操作把供电的供电电源和与所述主控制器(28)输出端连接的继电器(29)，电流表(15)和继电器(29)串联在所述供电电源为所述手抓操作把供电的回路中，电压表(16)并联在所述供电电源两端，显示屏(17)和继电器(29)均与主控制器(28)的信号输出端连接，所述手抓操作把包括绝缘移动架(13)以及均安装在绝缘移动架(13)上的镀银铜导电毛刷(10)、用于检测镀银铜导电毛刷(10)远离绝缘移动架(13)一端温度的温度检测仪(11)和用于为镀银铜导电毛刷(10)提供改性气体的混合气喷管(12)，温度检测仪(11)的信号输出端连接有微控制模块，所述微控制模块包括微控制器(26)以及均与所述微控制器(26)连接的提示器(25)和串口通信模块(27)，所述温度检测仪(11)的信号输出端与微控制器(26)的输入端连接，串口通信模块(27)通过通信电缆(5)与通信接口(21)连接，锆制设备(1)通过第一导线(3)与电源负极接口(19)连接，镀银铜导电毛刷(10)通过第二导线(4)与电源正极接口(20)连接，混合气喷管(12)通过混合气输送管(9)与氧气输送管(6)和氩气输送管(7)连接，混合气输送管(9)通过比例调节阀(8)与氧气输送管(6)和氩气输送管(7)连接，氧气输送管(6)远离比例调节阀(8)的一端通过氧气接口(22)与氧气瓶连接，氩气输送管(7)远离比例调节阀(8)的一端通过氩气接口(23)与氩气瓶连接。

2.按照权利要求1所述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述手抓操作把通过锆制设备(1)的人孔(14)进入至锆制设备(1)内。

3.按照权利要求1所述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述混合气喷管(12)包括与混合气输送管(9)连通的喷管输气管(12-1)和设置在喷管输气管(12-1)远离混合气输送管(9)一端的喷管喷头(12-2)，喷管喷头(12-2)上均匀的开设有多个喷气孔(12-3)，所述喷气孔(12-3)的孔径为0.5mm，所述喷气孔(12-3)朝向镀银铜导电毛刷(10)远离绝缘移动架(13)的一端。

4.按照权利要求1所述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述供电电源为电压0～30V且电流50A～300A的可调电源。

5.按照权利要求1所述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述镀银铜导电毛刷(10)的镀银层厚度为20μm～50μm，所述镀银铜导电毛刷(10)的单道陶瓷化处理宽度为30mm～200mm，所述镀银铜导电毛刷(10)与锆制设备(1)内壁表面呈60°～90°。

6.按照权利要求1所述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述混合气喷管(12)设置在镀银铜导电毛刷(10)移动方向前端，所述混合气喷管(12)与镀银铜导电毛刷(10)之间的距离为20mm，所述混合气喷管(12)与锆制设备(1)内壁之间的距离为10mm～20mm。

7.按照权利要求1所述的一种柔性可控电阻加热锆金属表面陶瓷化装置，其特征在于：所述第二导线(4)穿过绝缘移动架(13)与镀银铜导电毛刷(10)连接。

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