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(chǎn)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(fā)展方向,包鉑及鉑銥合金由于可節(jié)約大量貴金屬資源,具有廣闊的應(yīng)用前景。
1引言
電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行流量測量的流量計,廣泛應(yīng)用于測量導(dǎo)電性液體,如給水排水、紙漿、石油混合液體、化學(xué)及食品工業(yè)的液體等。電極是電磁流量計的關(guān)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(fā)工作,在國內(nèi)率先實現(xiàn)了鉑銥合金棒材和元件一體化規(guī)模生產(chǎn),為國內(nèi)眾多用戶解決了生產(chǎn)難題,降低了生產(chǎn)成本,并為國內(nèi)眾多合資公司實現(xiàn)了進(jìn)口產(chǎn)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(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律。流量計測量管是一內(nèi)襯絕緣材料的非導(dǎo)磁合金管,兩只電極與軸流方向垂直安裝,電極頭與內(nèi)管表面平齊。當(dāng)勵磁線圈由雙向進(jìn)行方波脈沖時,即產(chǎn)生一個磁通密度為B的磁場,此時有一定導(dǎo)電率的流體流過測量管時,則切割磁力線感應(yīng)產(chǎn)生電動勢E。感應(yīng)電動勢與流量成正比,傳感器將感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)確性受電極形狀、大小、表面質(zhì)量及材料性能等因素影響,所以不同的流量測量應(yīng)選擇與之相適應(yīng)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(xué)介質(zhì),當(dāng)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(zhì)等有強(qiáng)的耐
腐蝕性�？蓮V泛應(yīng)用于石油化工、工業(yè)用水、尿素、維尼綸等工業(yè)。 |
哈氏合金B(yǎng)(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(jī)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(zhì)的腐蝕,也耐氧化性的如含F(xiàn)e3+、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(fā)煙硝酸)、有機(jī)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(yōu)越耐腐蝕性,除氫氟酸、發(fā)煙硫酸等少數(shù)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(shù)介質(zhì)不適用。 |
表2鉑銥合金和鉭不耐腐蝕的化學(xué)介質(zhì)
| 化學(xué)液體介質(zhì) |
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(chǎn)中的問題及解決措施
4.1鉑銥合金的成分設(shè)計
銥是一種揮發(fā)性非常強(qiáng)的金屬,在1500℃時其蒸汽壓比鉑低兩個數(shù)量級[2],在高溫熔煉時其揮發(fā)性是鉑的幾十倍,所以在進(jìn)行合金的成分設(shè)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(fā)生成分偏析的合金,也是容易產(chǎn)生內(nèi)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(jìn)行中頻精煉時,為了減少由于銥元素的吸氣而產(chǎn)生合金錠內(nèi)部縮孔,爐腔的真空度應(yīng)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(nèi)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(guān)系,銥含量較低(≤ 20%)的合金塑性較好,合金錠經(jīng)均勻化處理后可以進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(zhì)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(fā)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(xiàn),所以對加工刀具的精度要求很高,人工磨制的刀具很難達(dá)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(dá)到要求,需要進(jìn)行精細(xì)拋光。
針對以上問題,制定了適當(dāng)?shù)募庸すに嚭涂刂拼胧?(1)對每個元件的每個尺寸進(jìn)行在線監(jiān)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(chǎn)品的成品率;(2)采用了涂刷冷卻液的方式進(jìn)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(shù)相結(jié)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(dá)到95%以上,加工精度可以控制在± 0.005mm以內(nèi)。
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(zhì)量和尺寸檢測3方面的內(nèi)容。
(1)成分檢測:由于鉑銥合金的難溶解性,不宜采用化學(xué)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(biāo)樣作定性分析,而主元素的測量誤差也通常比化學(xué)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(zhì)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(zhì)量檢測:表面質(zhì)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(jié)合的辦法來檢測合金的內(nèi)部和表面裂紋,達(dá)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(jù)大小和精度要求通常用R規(guī)、工具顯微鏡或投影儀檢測;螺紋一般需要用環(huán)規(guī)(通止規(guī))進(jìn)行檢測;密封處的倒角一般尺寸較小為R0.2～ 0.3mm,三坐標(biāo)法檢測有一定的困難,投影檢測必須對元件進(jìn)行破壞,用輪廓儀進(jìn)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(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景
5.1應(yīng)用現(xiàn)狀
我國目前在流量計領(lǐng)域每年消耗鉑銥電極約20000～ 25000顆。由于國內(nèi)以前沒有專門的鉑銥元件生產(chǎn)廠家,需方單位須采購鉑銥棒材自行機(jī)加工成元件,而有些對元件質(zhì)量要求高的公司則直接使用進(jìn)口元件,這些進(jìn)口元件大部分來自德國和日本。
5.2產(chǎn)品發(fā)展方向
資源節(jié)約型產(chǎn)品是未來產(chǎn)品的發(fā)展方向,鉑和銥均是世界稀缺的資源,所以鉑銥元件的設(shè)計和生產(chǎn)工藝均應(yīng)充分考慮節(jié)約材料的因素�，F(xiàn)在有的使用廠家也在逐步進(jìn)行產(chǎn)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(shè)計成鉑銥材料,其余部分設(shè)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(fā)展方向,其中包鉑的貴金屬元件在我國一些企業(yè)已經(jīng)開始得到應(yīng)用,通過包鉑及包鉑銥的貴金屬元件。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,更多、更先進(jìn)的工藝將在貴金屬元件得到應(yīng)用。
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