一種抗高溫氧化腐蝕性能研究便捷觀察試驗設(shè)備設(shè)計

吳 笛，王宇飛，高宗華，陳漢卿，郭丹丹

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院 質(zhì)量管理處，甘肅 蘭州 730060; 2.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院 機械工程學院，甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

金屬氧化是指金屬除與氧氣反應(yīng)外還與含硫、碳、鹵素及氮等氣體介質(zhì)反應(yīng)形成金屬化合物的過程。實際的高溫環(huán)境還包括含灰分/沉積鹽、熔融鹽、液態(tài)金屬等，因此，金屬材料在高溫下與各種腐蝕性介質(zhì)的反應(yīng)被稱做高溫腐蝕。雖然高溫氧化腐蝕的過程非常復雜，但氧化過程的研究首先要從以下兩方面入手：熱力學和動力學。通過熱力學分析可判斷氧化反應(yīng)的可能性，一般地，熱力學分析結(jié)果同時可說明純金屬發(fā)生氧化的傾向和形成的穩(wěn)定的氧化物相，而通過動力學測量來確定反應(yīng)的速度。質(zhì)量法是最直接、最方便的測定金屬氧化速度的方法，有兩種質(zhì)量測定方法，即不連續(xù)稱重法和連續(xù)稱重法。無論是熱力學分析，還是動力學分析，對金屬樣片高溫腐蝕過程的實時觀察和研究都是非常重要的環(huán)節(jié)。例如，在研究熱浸鍍鋁鋼及熱浸滲鋁鋼抗高溫氧化腐蝕性能時，如采用不連續(xù)稱重法，需要分時間節(jié)點進行精確稱重，并進行外觀形貌觀察。若能在各時間節(jié)點同時進行金相組織及能譜分析，則有助于對熱浸鍍鋁、熱浸滲鋁工藝及浸鍍、浸滲機理的進一步研究分析[1-3]，且可以大幅度提高試驗效率。

現(xiàn)有技術(shù)及設(shè)備條件下的金屬高溫氧化腐蝕研究存在以下問題：金屬的高溫氧化腐蝕是金屬在高溫下與反應(yīng)氣體進行的氧化反應(yīng)，而缺乏一種能夠便捷觀察金屬狀態(tài)的高溫氧化腐蝕試驗設(shè)備，不利于對反應(yīng)中的金屬進行觀察和性能研究。為此，研究開發(fā)一種具有精確控制氧化反應(yīng)過程的功能、用于抗高溫氧化腐蝕性能研究便捷觀察的試驗設(shè)備不僅可解決高溫氧化腐蝕反應(yīng)中金屬的觀察和性能研究問題，還可提高研究效率，使研究過程變得簡單、方便，無論對于實驗室環(huán)境下的相關(guān)基礎(chǔ)理論研究，還是相關(guān)工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用研究都具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

1 設(shè)計的基本思路

設(shè)計設(shè)置有微波諧振腔(實現(xiàn)加熱及溫度控制)的試驗腔，通過可與試驗腔拔插連接的密封蓋實現(xiàn)密封蓋與腔體的便捷分離，實現(xiàn)金屬樣片的便捷觀察和研究。密封蓋下連接T型陶瓷桿，陶瓷桿可安裝金屬樣片，試驗時樣片需按要求尺寸進行加工，方便安裝及更換。附設(shè)的反應(yīng)氣罐可為試驗腔提供需要的反應(yīng)氣量，使試驗按照設(shè)計工藝進行。本設(shè)計難點是密封蓋與試驗腔的可靠密封，同時要保證使用安全。

2 設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，設(shè)備的試驗腔的外部設(shè)置有微波諧振腔，微波諧振腔的外部設(shè)置有防護腔體(如圖2)，防護腔體的下方設(shè)置有支架臺，支架臺上方的一端設(shè)置有抽風機，且支架臺的一側(cè)設(shè)置有氣體凈化罐，支架臺的另一側(cè)設(shè)置有反應(yīng)氣體氣罐，試驗腔的上方設(shè)置有密封蓋，密封蓋的上方設(shè)置有手持把手，手持把手上設(shè)置有隔熱墊，密封蓋的下方設(shè)置有T型陶瓷桿，T型陶瓷桿上設(shè)置有金屬樣片。反應(yīng)氣體氣罐通過通氣管與試驗腔的一端貫通連接，且反應(yīng)氣體氣罐與試驗腔貫通連接，通氣管上設(shè)置有氣體流量計。氣體凈化罐通過抽風機和通氣管與試驗腔貫通連接。手持把手與密封蓋設(shè)置為一體式結(jié)構(gòu)，密封蓋與T型陶瓷桿設(shè)置為一體式結(jié)構(gòu)。密封蓋與試驗腔采用拔插式密閉連接。金屬樣片上開設(shè)有通孔，且金屬樣片通過通孔與T型陶瓷桿掛吊式連接，方便安裝與更換。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖 1.通氣管 2.氣體流量計 3.防護腔體 4.T型陶瓷桿 5.隔熱墊 6.手持把手 7.密封蓋 8.試驗腔 9.氣體 凈化罐 10.抽風機 11.微波諧振腔 12.金屬樣片 13.支架臺 14.反應(yīng)氣體氣罐

圖2 試驗腔、微波諧振腔和防護腔體剖視圖3.防護腔體 8.試驗腔 11.微波諧振腔

3 設(shè)備的工作原理及使用流程

設(shè)備的試驗腔8的外部設(shè)置有微波諧振腔11，微波諧振腔11的外部設(shè)置有防護腔體3，通過微波諧振腔11對試驗腔8進行加熱處理，通過防護腔體3對試驗腔8和微波諧振腔11進行防護。試驗腔8的一側(cè)設(shè)置有反應(yīng)氣體氣罐14，且試驗腔8的另一側(cè)設(shè)置有氣體凈化罐9，通過反應(yīng)氣體氣罐14為金屬樣片12提供反應(yīng)時的氣體。反應(yīng)氣體氣罐14和試驗腔8之間設(shè)置有氣體流量計2，通過氣體流量計2控制添加到試驗腔8內(nèi)的氣體量。試驗腔8和氣體凈化罐9之間設(shè)置有抽風機10，通過抽風機10把反應(yīng)后的氣體抽送到氣體凈化罐9內(nèi)，進行凈化處理。試驗腔8的上方設(shè)置有密封蓋7，密封蓋7與試驗腔8采用拔插式密閉連接。密封蓋7的上方設(shè)置有手持把手6，手持把手6上設(shè)置有隔熱墊5。密封蓋7的下方設(shè)置有T型陶瓷桿4，手持把手6與密封蓋7設(shè)置為一體式結(jié)構(gòu)，密封蓋7與T型陶瓷桿4設(shè)置為一體式結(jié)構(gòu)。T型陶瓷桿4上設(shè)置有金屬樣片12，金屬樣片12上開設(shè)有通孔，且金屬樣片12通過通孔與T型陶瓷桿4掛吊式連接，通過密封蓋7實現(xiàn)試驗腔8使用時的密封處理。通過手持把手6，方便了密封蓋7的拔插處理，從而方便對金屬樣片12的觀察和研究。通過隔熱墊5有效隔絕熱量，保證操作員的安全使用，同時金屬樣片12與T型陶瓷桿4掛吊式連接，方便了金屬樣片12的掛吊和更換處理。

4 設(shè)備的優(yōu)勢

(1) 手持把手與密封蓋設(shè)置為一體式結(jié)構(gòu)，密封蓋與T型陶瓷桿設(shè)置為一體式結(jié)構(gòu)，通過密封蓋實現(xiàn)試驗腔使用時的密封處理，通過手持把手，方便了密封蓋的拔插，從而方便對金屬樣片的觀察和研究，通過隔熱墊有效隔絕熱量，保證操作員的安全使用。

(2) 金屬樣片上開設(shè)有通孔，且金屬樣片通過通孔與T型陶瓷桿掛吊式連接，方便了金屬樣片的掛吊和更換處理，同時反應(yīng)氣體氣罐和試驗腔之間設(shè)置有氣體流量計，通過氣體流量計控制添加到試驗腔內(nèi)的氣體量，保證了金屬樣片反應(yīng)時的充分性，亦可根據(jù)設(shè)計的試驗工藝嚴格控制通入試驗腔的氣體量，擴大試驗范圍。

(3) 溫度和時間的準確控制可以保證按照不同工藝參數(shù)設(shè)計的高溫腐蝕試驗的實現(xiàn)，并且提高了試驗的效率。

5 結(jié) 語

本試驗設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便的特點，特別適合在實驗室環(huán)境使用，在金屬材料高溫腐蝕的機理分析、腐蝕形貌的觀察、防腐措施研究、腐蝕速度的測定等方面具有廣泛用途，將極大地方便高溫腐蝕領(lǐng)域研究工作的開展。