摘要:介紹了
電磁流量計中電極的工作原理、鉑銥電極的特性和使用范圍、鉑銥電極的生產工藝問題及解決措施等;并展望了電磁流量計電極材料的發展方向,包鉑及鉑銥合金由于可節約大量貴金屬資源,具有廣闊的應用前景。
1引言
電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律進行流量測量的流量計,廣泛應用于測量導電性液體,如給水排水、紙漿、石油混合液體、化學及食品工業的液體等。電極是電磁流量計的關鍵元件,常用的電極材料有耐蝕不銹鋼、哈氏合金、鈦、鉭、鉑銥合金等材料,其中鉑銥合金是耐腐蝕性能好、適用范圍廣的電極材料。從2005年開始鉑銥元件的開發工作,在國內率先實現了鉑銥合金棒材和元件一體化規模生產,為國內眾多用戶解決了生產難題,降低了生產成本,并為國內眾多合資公司實現了進口產品替代。
2電磁流量計工作原理
電磁流量計的工作原理是依據法拉第電磁感應定律。流量計測量管是一內襯絕緣材料的非導磁合金管,兩只電極與軸流方向垂直安裝,電極頭與內管表面平齊。當勵磁線圈由雙向進行方波脈沖時,即產生一個磁通密度為B的磁場,此時有一定導電率的流體流過測量管時,則切割磁力線感應產生電動勢E。感應電動勢與流量成正比,傳感器將感應電動勢轉化為標準電流信號(4～ 20mA)傳送至流量積算儀,流量積算儀就可以顯示當前的流量值V。圖1是電磁流量計的原理圖。
3電磁流量計電極種類
電極是電磁流量計中的核心部件,主要起著傳輸電信號的作用。而信號傳遞的準確性受電極形狀、大小、表面質量及材料性能等因素影響,所以不同的流量測量應選擇與之相適應的電極材料,這樣可以盡量保證測量的正確率和延長使用壽命。電磁流量計常用的電極材料及耐腐蝕性能見表1。
雖然鉑銥電極耐腐蝕性能好,但其性能也不是萬能的。其使用也會受到一定的條件限制,表2所列就有部分是鉑銥合金不耐腐蝕的化學介質,當然表中列入的溶液僅是示例,而非全部。
表1電極材料的耐腐蝕性能
| 電極材料 |
耐腐蝕性能 |
1Cr18Ni9Ti
0Cr18Ni12Mo2Ti |
對硝酸、室溫下< 5%硫酸、沸騰的磷酸、蟻酸、堿溶液、在一定壓力下的亞硫酸、海水、醋酸等介質等有強的耐
腐蝕性。可廣泛應用于石油化工、工業用水、尿素、維尼綸等工業。 |
哈氏合金B(HB) |
對沸點以下一切濃度的鹽酸有良好的耐腐蝕性,也耐硫酸、磷酸、氫氟酸、有機酸等非氧化性酸、堿,非氧化性鹽液的腐 |
哈氏合金C(HC) |
能耐氧化性酸,如硝酸、鉻酸與硫酸的混合介質的腐蝕,也耐氧化性的如含Fe3+、Cu2+的鹽類的腐蝕。 |
鈦(Ti) |
能耐海水、各種氯化物和次氯酸鹽、氧化性酸(包括發煙硝酸)、有機酸、堿等的腐蝕,不耐較純的還原性酸(如硫酸、鹽酸)的腐蝕。但如酸中含有氧化劑(如Fe3+、Cu2+)時,則腐蝕大為降低 |
鉭(Ta) |
具有和玻璃相似的優越耐腐蝕性,除氫氟酸、發煙硫酸等少數酸外,大部分酸液適用,氫氧化鈉等堿液不適用。 |
鉑、鉑銥合金 |
對幾乎所有酸堿液耐腐蝕。王水、銨鹽以及少數介質不適用。 |
表2鉑銥合金和鉭不耐腐蝕的化學介質
| 化學液體介質 |
鉑銥合金 |
鉭 |
其它材料 |
氟化鋁(Aluminum fluoride)
硝酸鋁(Aluminum nitrate)
氟化銨(Ammonium fluoride)
氫氧化鋇(Barium hydroxide)
二氧化氯(Chlorine dioxide)
氯化銅(Copper fluoride)
氯化銅(Copper chloride)40%
氯氧銅(Copper oxychloride)
氯化鐵(Ferric chloride)
氯化鋅(Zinc chloride)50%
氟硅酸(Fluosilicic acid)10%～ 40%
氫溴酸(Hydrobromic acid)50%
氫氟酸(Hydrofluoric acid)10%～ 20%
氫氟硅酸(Hydrofluosilicic acid)35%
次氯酸(Hypochlorous acid)10%～ 20%
乙酸鉛(Lead acetate)
氫氧化鎂(Magnesium hydroxide)
氫氧化鉀(Potassium hydroxide)10%～ 40%
氰化鈉(Sodium ferrocyanide)
氫鐵酸鈉(Sodium ferrocyanide)
氫亞鐵酸鈉(Sodium ferricyanide)
氟化鈉(Sodium fluoride)5%～ 50%
氫氧化鈉(Sodium hydroxide)5%～ 50%
硫酸(Sulfuric acid)10%～ 50%
硫代硫酸鈉(Sodium thiosulfate) |
A
A
A
A
×
A
×
A
×
A
A
×
A
A
×
×
A
A
×
×
×
A
A
A
× |
×
×
×
×
A
×
A
×
A
×
×
A
×
×
A
A
×
×
A
B
B
×
×
A
× |
B(哈氏合金C)
B(哈氏合金C)
B(哈氏合金C)
B(哈氏合金C)
B(哈氏合金C)
A(哈氏合金C) |
4鉑銥電極生產中的問題及解決措施
4.1鉑銥合金的成分設計
銥是一種揮發性非常強的金屬,在1500℃時其蒸汽壓比鉑低兩個數量級[2],在高溫熔煉時其揮發性是鉑的幾十倍,所以在進行合金的成分設計時必須考慮銥元素的過量問題。最常用的鉑銥合金觸點材料牌號有PtIr10、PtIr20、PtIr25 3種合金,成分要求見表3[3]。
4.2鉑銥合金的加工工藝
鉑銥合金是一種容易發生成分偏析的合金,也是容易產生內部縮孔等缺陷的合金,采用高頻和中頻二次真空熔煉可提高合金成分的均勻性。在進行中頻精煉時,為了減少由于銥元素的吸氣而產生合金錠內部縮孔,爐腔的真空度應保持在10- 2MP等級。多次重熔的方法也有利于充分排盡合金錠內部的氣體。
鉑銥合金的鍛打工藝與合金中銥的含量有密切關系,銥含量較低(≤ 20%)的合金塑性較好,合金錠經均勻化處理后可以進行冷加工,而銥含量較高(≥ 20%)的合金通常需要熱加工。
鉑銥合金棒材的拉制應注意配模的變型量,銥含量低的合金單次變形量可以大一些,銥含量高的合金單次變形量則小一些,而且有些合金必須熱拉才能保證合金具有良好的塑性。拉制過程中應將棒材表面缺陷如包皮、劃痕清理干凈,否則這些缺陷會影響元件的表面質量。
4.3鉑銥元件的車床加工
車床加工鉑銥元件存在的主要問題:(1)鉑銥合金車加工時非常容易粘刀,而且散發出大量熱量,刀具材料磨損得很快,加工精度不容易控制;(2)流量計元件都有密封性要求,大部分密封是靠加工斜面精度或倒R0.2的角來實現,所以對加工刀具的精度要求很高,人工磨制的刀具很難達到要求;(3)使用沖冷卻液方式可以有效地降低刀具加工的溫度,延長使用壽命,但同時會帶走大量的粉狀車削料,加大了貴金屬材料的損耗;(4)元件的使用面光潔度要求很高,車加工難以達到要求,需要進行精細拋光。
針對以上問題,制定了適當的加工工藝和控制措施:(1)對每個元件的每個尺寸進行在線監測,避免了刀具磨損對元件加工尺寸精度造成的影響,提高了產品的成品率;(2)采用了涂刷冷卻液的方式進行鉑銥元件加工,減少了材料損耗,同時有利于車削料的清洗和回收;(3)成型刀具,滿足各種流量計用鉑銥元件的加工需要;(4)采用了多種拋光技術相結合的拋光方法,制得了鏡面效果的元件表面。采用高精度儀表車床加工元件后,元件的成品率達到95%以上,加工精度可以控制在± 0.005mm以內。
4.4鉑銥元件的檢測
鉑銥元件的檢測主要包括成分分析、表面質量和尺寸檢測3方面的內容。
(1)成分檢測:由于鉑銥合金的難溶解性,不宜采用化學的分析方法檢測其成分。光譜和探針分析雖然有一定缺陷,如對某些微量元素不能定量分析,只能通過標樣作定性分析,而主元素的測量誤差也通常比化學分析大一些。但由于通常情況下鉑銥合金的主元素鉑和銥要求成分偏差不超過0.5%,雜質總量的要求不超過0.3%,所以采用光譜或探針的測量方法是完全可以滿足要求的。
(2)表面質量檢測:表面質量的檢測包括表面裂紋和表面粗糙度的檢測。由于鉑銥元件的密度大,不適宜射線探傷;由于加工鉑銥元件的鉑銥棒材通常直徑較小(< 8mm),超聲波探傷也很困難,采用超聲波探傷和著色探傷相結合的辦法來檢測合金的內部和表面裂紋,達到了比較理想的效果,元件的表面粗糙度通常用目測或放大鏡配合檢測即可。
(3)尺寸檢測:元件的配合螺紋、傳遞信號面R的弧度、密封處的倒角弧度等尺寸是精度要求最高的,需要重點檢測。R弧度根據大小和精度要求通常用R規、工具顯微鏡或投影儀檢測;螺紋一般需要用環規(通止規)進行檢測;密封處的倒角一般尺寸較小為R0.2～ 0.3mm,三坐標法檢測有一定的困難,投影檢測必須對元件進行破壞,用輪廓儀進行檢測可以在不破壞元件的情況下得到較好的檢測效果。
5鉑銥電極在流量計領域的應用現狀及前景
5.1應用現狀
我國目前在流量計領域每年消耗鉑銥電極約20000～ 25000顆。由于國內以前沒有專門的鉑銥元件生產廠家,需方單位須采購鉑銥棒材自行機加工成元件,而有些對元件質量要求高的公司則直接使用進口元件,這些進口元件大部分來自德國和日本。
5.2產品發展方向
資源節約型產品是未來產品的發展方向,鉑和銥均是世界稀缺的資源,所以鉑銥元件的設計和生產工藝均應充分考慮節約材料的因素。現在有的使用廠家也在逐步進行產品的升級換代,在不影響使用性能的條件下,將原來完全用鉑銥合金制作的元件改為部分使用鉑銥合金。比如有的廠家將裝配后浸于腐蝕液的部分設計成鉑銥材料,其余部分設計成其它材料,通過螺紋或焊接的方式將兩者連接起來。
另一方面,包覆型貴金屬是貴金屬元件的最新發展方向,其中包鉑的貴金屬元件在我國一些企業已經開始得到應用,通過包鉑及包鉑銥的貴金屬元件。隨著科學技術的進步,更多、更先進的工藝將在貴金屬元件得到應用。
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