摘要:介(jie)紹了(le)
電(dian)磁(ci)流量(liang)計
中電(dian)極(ji)的工(gong)作原(yuan)理(li)、鉑(bo)銥電(dian)極的(de)特性(xing)和使(shi)用範(fan)圍(wei)、鉑銥電(dian)極的(de)生(sheng)産工藝(yi)問題及解決措(cuo)施等(deng);并(bing)展(zhan)望了(le)電磁流量計電(dian)極材(cai)料的發展(zhan)方向(xiang),包鉑(bo)及鉑(bo)銥合(he)金(jin)由(you)于可(ke)節約大量貴金(jin)屬資源,具有廣(guang)闊的應用(yong)前景。
1引言(yan)
電磁(ci)流量(liang)計是根據(ju)法拉(la)第電(dian)磁感應定(ding)律進(jin)行流量測(ce)量的(de)流量計,廣(guang)泛應用(yong)于測量(liang)導電(dian)性液體,如(ru)給水(shui)排(pai)水(shui)、紙漿(jiang)、石油(you)混合(he)液體(ti)、化學及食(shi)品工(gong)業的(de)液體等。電(dian)極是(shi)電磁流量計的(de)關鍵元件(jian),常用的電(dian)極材(cai)料有(you)耐(nai)蝕(shi)不鏽(xiu)鋼、哈氏合金、钛(tai)、钽、鉑銥合金等(deng)材料,其(qi)中鉑銥合金是耐(nai)腐蝕(shi)性能好(hao)、适(shi)用範(fan)圍廣(guang)的電(dian)極材(cai)料。從(cong)2005年開(kai)始鉑銥元(yuan)件(jian)的開發(fa)工作(zuo),在國内率(lü)先實(shi)現了鉑銥(yi)合金棒材(cai)和元件一(yi)體(ti)化規模(mo)生産,爲國内衆(zhong)多用(yong)戶(hu)解(jie)決了(le)生産難題(ti),降低(di)了生(sheng)産成本,并(bing)爲國(guo)内衆多合(he)資公(gong)司(si)實現了(le)進口(kou)産品替代(dai)。
2電磁流量計工(gong)作原(yuan)理(li)
電(dian)磁流量計的工作原(yuan)理
是依據(ju)法拉第電(dian)磁感應定(ding)律。流量(liang)計(ji)測量管是一内襯絕(jue)緣材料(liao)的(de)非導(dao)磁合金管(guan),兩隻(zhi)電極與軸流方(fang)向垂(chui)直安(an)裝,電(dian)極頭與内(nei)管表(biao)面平齊(qi)。當(dang)勵磁(ci)線圈由雙向進(jin)行方波脈(mo)沖時(shi),即産(chan)生一個磁(ci)通密度爲B的磁(ci)場,此(ci)時(shi)有一定(ding)導電(dian)率的(de)流體(ti)流過測量(liang)管時(shi),則切(qie)割磁力線(xian)感應産生(sheng)電動(dong)勢E。感應(ying)電動勢(shi)與流量成正比(bi),傳感器将感應(ying)電動勢轉(zhuan)化爲标準(zhun)電(dian)流信号(hao)(4～ 20mA)傳送至流(liu)量積(ji)算儀(yi),流量積算(suan)儀就可以(yi)顯示當前的流量值(zhi)V。圖1是電磁(ci)流量(liang)計的原理圖。
3電磁流(liu)量計(ji)電(dian)極(ji)種類(lei)
電極(ji)是電磁流(liu)量計(ji)中(zhong)的(de)核心(xin)部件(jian),主要起着(zhe)傳輸電信号的(de)作用(yong)。而(er)信(xin)号傳(chuan)遞的準确(que)性受(shou)電極(ji)形狀、大小(xiao)、表面質量及材(cai)料性(xing)能(neng)等因素(su)影響,所以(yi)不同的流(liu)量測量應(ying)選擇與之(zhi)相适(shi)應的(de)電(dian)極材料(liao),這樣可以(yi)盡量(liang)保證測量的正(zheng)确率和(he)延長使用壽(shou)命(ming)。電磁流(liu)量計常(chang)用(yong)的電(dian)極材(cai)料及耐腐(fu)蝕性能(neng)見表1。
雖(sui)然鉑(bo)銥(yi)電(dian)極耐(nai)腐蝕(shi)性能(neng)好,但(dan)其性能也(ye)不是(shi)萬能(neng)的(de)。其(qi)使用(yong)也會受到一定(ding)的條(tiao)件(jian)限(xian)制,表(biao)2所列(lie)就有(you)部分(fen)是鉑(bo)銥合金不(bu)耐腐(fu)蝕的化學(xue)介質,當然(ran)表中列入的溶(rong)液僅(jin)是示(shi)例,而(er)非全(quan)部。
表(biao)1電(dian)極材料(liao)的耐腐蝕性能
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電極(ji)材(cai)料(liao)
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耐腐(fu)蝕性能
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1Cr18Ni9Ti
0Cr18Ni12Mo2Ti
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對(dui)硝酸、室溫(wen)下< 5%硫酸、沸(fei)騰的磷(lin)酸(suan)、蟻酸(suan)、堿溶(rong)液(ye)、在一定(ding)壓力下的亞硫(liu)酸、海(hai)水、醋酸等(deng)介質(zhi)等有(you)強的耐
腐(fu)蝕(shi)性(xing)。可廣(guang)泛應用于(yu)石油(you)化工(gong)、工業用水(shui)、尿素(su)、維尼(ni)綸等(deng)工業(ye)。
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哈(ha)氏(shi)合金(jin)B(HB)
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對沸(fei)點以(yi)下一切濃(nong)度的鹽酸(suan)有良好的耐腐(fu)蝕性(xing),也耐硫酸(suan)、磷酸(suan)、氫氟(fu)酸、有機酸(suan)等非氧化(hua)性酸(suan)、堿,非氧化(hua)性鹽(yan)液(ye)的腐
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哈(ha)氏合金C(HC)
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能耐氧(yang)化性酸,如(ru)硝酸(suan)、鉻酸與(yu)硫(liu)酸的混合(he)介質的腐(fu)蝕,也耐(nai)氧(yang)化性的如含Fe3+、Cu2+的(de)鹽類(lei)的腐蝕(shi)。
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钛(tai)(Ti)
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能耐海水(shui)、各種(zhong)氯化(hua)物和(he)次(ci)氯(lü)酸鹽(yan)、氧化性酸(包括(kuo)發煙硝(xiao)酸(suan))、有機酸、堿(jian)等(deng)的(de)腐蝕(shi),不耐較純(chun)的還(hai)原性(xing)酸(suan)(如硫酸(suan)、鹽酸)的腐(fu)蝕。但如酸(suan)中(zhong)含有氧(yang)化劑(如Fe3+、Cu2+)時,則腐(fu)蝕大(da)爲(wei)降(jiang)低
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钽(tan)(Ta)
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具有和(he)玻璃相(xiang)似的優越(yue)耐腐(fu)蝕性,除氫氟酸(suan)、發煙(yan)硫酸等少(shao)數酸(suan)外(wai),大部分酸液(ye)适(shi)用,氫氧(yang)化鈉(na)等堿(jian)液不适用(yong)。
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鉑(bo)、鉑(bo)銥合(he)金
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對幾(ji)乎(hu)所有(you)酸堿液耐腐蝕(shi)。王水、铵(an)鹽(yan)以及(ji)少數(shu)介質不适(shi)用。
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表(biao)2鉑銥合金(jin)和钽(tan)不(bu)耐腐蝕(shi)的化學介(jie)質
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化學液(ye)體(ti)介(jie)質
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鉑(bo)銥合金
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钽(tan)
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其它(ta)材料(liao)
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氟化鋁(Aluminum fluoride)
硝(xiao)酸鋁(Aluminum nitrate)
氟化(hua)铵(Ammonium fluoride)
氫氧化(hua)鋇(bei)(Barium hydroxide)
二(er)氧化(hua)氯(Chlorine dioxide)
氯化銅(Copper fluoride)
氯化(hua)銅(Copper chloride)40%
氯氧銅(Copper oxychloride)
氯化(hua)鐵(Ferric chloride)
氯化鋅(xin)(Zinc chloride)50%
氟矽(xi)酸(Fluosilicic acid)10%～ 40%
氫(qing)溴酸(Hydrobromic acid)50%
氫氟(fu)酸(Hydrofluoric acid)10%～ 20%
氫(qing)氟矽(xi)酸(Hydrofluosilicic acid)35%
次(ci)氯酸(suan)(Hypochlorous acid)10%～ 20%
乙酸鉛(Lead acetate)
氫(qing)氧化鎂(Magnesium hydroxide)
氫(qing)氧化(hua)鉀(Potassium hydroxide)10%～ 40%
氰(qing)化鈉(Sodium ferrocyanide)
氫鐵(tie)酸鈉(Sodium ferrocyanide)
氫亞鐵酸(suan)鈉(Sodium ferricyanide)
氟(fu)化(hua)鈉(Sodium fluoride)5%～ 50%
氫氧(yang)化鈉(Sodium hydroxide)5%～ 50%
硫(liu)酸(suan)(Sulfuric acid)10%～ 50%
硫代(dai)硫酸(suan)鈉(na)(Sodium thiosulfate)
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A
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B
B
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A
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B(哈(ha)氏合(he)金C)
B(哈(ha)氏(shi)合金C)
B(哈(ha)氏合(he)金C)
B(哈(ha)氏合(he)金C)
B(哈(ha)氏(shi)合(he)金C)
A(哈(ha)氏合(he)金C)
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4鉑(bo)銥電(dian)極生産中(zhong)的問(wen)題及解決措施(shi)
4.1鉑銥合金的成分設(she)計
銥是一(yi)種揮發性(xing)非常強的(de)金屬,在1500℃時(shi)其蒸(zheng)汽壓(ya)比鉑低兩(liang)個數量級(ji)[2],在高(gao)溫(wen)熔煉時其揮(hui)發性(xing)是鉑(bo)的幾十倍(bei),所以(yi)在進行合(he)金的(de)成分設計時必(bi)須考(kao)慮銥元素(su)的過(guo)量問(wen)題。最(zui)常用(yong)的(de)鉑(bo)銥合(he)金觸點(dian)材(cai)料牌号有PtIr10、PtIr20、PtIr25 3種合(he)金,成(cheng)分要(yao)求(qiu)見表3[3]。
4.2鉑銥合(he)金的加工(gong)工藝
鉑銥(yi)合金(jin)是一種容(rong)易發(fa)生成分偏析的合金,也是容易(yi)産生(sheng)内(nei)部(bu)縮孔(kong)等缺陷的合金(jin),采用高頻和中頻二(er)次真空熔(rong)煉可(ke)提(ti)高合金(jin)成分(fen)的(de)均勻性(xing)。在進(jin)行(hang)中頻精(jing)煉時(shi),爲了減少(shao)由于銥元(yuan)素的吸氣(qi)而(er)産生合(he)金錠内部(bu)縮孔(kong),爐腔(qiang)的真空度(du)應保(bao)持(chi)在(zai)10- 2MP等級(ji)。多次(ci)重(zhong)熔的方(fang)法也(ye)有利(li)于充分排(pai)盡合金錠(ding)内部(bu)的氣體。
鉑(bo)銥合(he)金的(de)鍛打(da)工藝(yi)與合金中(zhong)銥的含量有密(mi)切關(guan)系,銥(yi)含量較低(≤ 20%)的合金塑(su)性較(jiao)好,合(he)金錠(ding)經均(jun)勻化(hua)處理(li)後可以進(jin)行冷(leng)加工,而銥含量(liang)較高(≥ 20%)的合(he)金通(tong)常需(xu)要(yao)熱(re)加工(gong)。
鉑銥合金(jin)棒材的拉制(zhi)應注意(yi)配模(mo)的變(bian)型量,銥含量低(di)的合(he)金單次變形量(liang)可以(yi)大一(yi)些,銥(yi)含量高的合金單次(ci)變(bian)形(xing)量則(ze)小一(yi)些(xie),而(er)且有些合(he)金(jin)必須熱(re)拉才能保證合(he)金具(ju)有良好的(de)塑性(xing)。拉制(zhi)過程(cheng)中應将(jiang)棒材表(biao)面缺(que)陷(xian)如包皮(pi)、劃痕(hen)清理(li)幹淨(jing),否則(ze)這些(xie)缺陷(xian)會影響元件的(de)表面質量(liang)。
4.3鉑銥元件的車床加(jia)工
車床加(jia)工鉑(bo)銥元(yuan)件存(cun)在的(de)主要問(wen)題(ti):(1)鉑銥合金(jin)車加(jia)工時(shi)非常(chang)容(rong)易粘刀(dao),而且散發出大(da)量熱量(liang),刀(dao)具材(cai)料磨(mo)損得(de)很快(kuai),加工精度(du)不容(rong)易控(kong)制;(2)流量計(ji)元件都(dou)有密封(feng)性要(yao)求,大部分(fen)密封是靠加工(gong)斜面(mian)精度或倒(dao)R0.2的角來實(shi)現,所(suo)以對(dui)加工刀具(ju)的精度(du)要(yao)求很高,人(ren)工磨制的(de)刀具(ju)很難(nan)達到(dao)要求(qiu);(3)使用(yong)沖冷(leng)卻液方式(shi)可以(yi)有效地(di)降低刀(dao)具加工的(de)溫度(du),延長(zhang)使用(yong)壽命(ming),但同(tong)時會(hui)帶走(zou)大量的粉(fen)狀車(che)削料,加大了貴(gui)金屬材料的損(sun)耗;(4)元(yuan)件的使用面光潔度要求(qiu)很高(gao),車加(jia)工難(nan)以達到要求,需(xu)要進行精細抛光。
針(zhen)對以(yi)上問(wen)題,制定了(le)适當(dang)的加(jia)工工藝和(he)控制措施:(1)對每個元件(jian)的每個(ge)尺寸(cun)進行(hang)在線監測(ce),避免了刀(dao)具磨(mo)損對元件加工(gong)尺寸精度(du)造成(cheng)的(de)影(ying)響,提高了産(chan)品(pin)的成(cheng)品率;(2)采用了塗(tu)刷冷(leng)卻液的方(fang)式進行鉑銥元(yuan)件加工,減(jian)少了(le)材料損(sun)耗(hao),同時(shi)有利(li)于車削料(liao)的清(qing)洗和回收(shou);(3)成型刀具,滿足(zu)各種(zhong)流量(liang)計用(yong)鉑銥元件的加(jia)工需要;(4)采(cai)用了(le)多種(zhong)抛(pao)光技術(shu)相結合的抛光(guang)方法(fa),制得了鏡(jing)面效果的(de)元件(jian)表面(mian)。采用高精(jing)度儀表車(che)床加(jia)工元(yuan)件(jian)後,元件(jian)的成品率達到(dao)95%以上,加(jia)工(gong)精度(du)可以控(kong)制在± 0.005mm以(yi)内。
4.4鉑(bo)銥元件的(de)檢測
鉑銥(yi)元件的檢(jian)測(ce)主要包(bao)括成分分(fen)析、表(biao)面質(zhi)量和(he)尺寸(cun)檢測3方(fang)面的内(nei)容。
(1)成分(fen)檢測:由(you)于鉑銥(yi)合(he)金的難溶(rong)解性(xing),不宜(yi)采用(yong)化學(xue)的分(fen)析方(fang)法(fa)檢(jian)測其(qi)成分。光譜(pu)和探針分析(xi)雖然有(you)一定缺陷(xian),如對某些微量元素(su)不能(neng)定(ding)量(liang)分析,隻能(neng)通過标樣(yang)作定性(xing)分析,而主元(yuan)素的(de)測量(liang)誤差(cha)也通常比(bi)化學(xue)分析大一(yi)些。但(dan)由于(yu)通常(chang)情況(kuang)下鉑銥合(he)金的主(zhu)元素鉑(bo)和銥(yi)要求成分(fen)偏差不(bu)超(chao)過0.5%,雜(za)質總(zong)量的(de)要求(qiu)不超過(guo)0.3%,所(suo)以采用光(guang)譜(pu)或探針(zhen)的測(ce)量方(fang)法是(shi)完全可以(yi)滿足(zu)要求的(de)。
(2)表面質(zhi)量檢(jian)測:表面質(zhi)量的(de)檢測(ce)包括(kuo)表面裂紋(wen)和表(biao)面粗糙(cao)度的檢(jian)測。由于鉑銥元(yuan)件的密(mi)度(du)大,不(bu)适宜(yi)射線探傷(shang);由于加(jia)工鉑銥(yi)元件(jian)的鉑(bo)銥棒(bang)材通(tong)常直徑較(jiao)小(< 8mm),超(chao)聲(sheng)波探傷(shang)也很(hen)困難(nan),采用超聲(sheng)波(bo)探傷和(he)着色(se)探(tan)傷相結(jie)合的(de)辦法(fa)來檢(jian)測合(he)金的(de)内部和表(biao)面裂紋,達(da)到了(le)比較理想(xiang)的效果,元(yuan)件的(de)表面粗(cu)糙度通(tong)常用(yong)目(mu)測或放(fang)大鏡(jing)配合檢測(ce)即可(ke)。
(3)尺(chi)寸檢測(ce):元件(jian)的(de)配(pei)合螺紋、傳遞信号面(mian)R的弧度、密(mi)封處(chu)的倒(dao)角(jiao)弧度等(deng)尺寸是(shi)精度要求最(zui)高的,需要(yao)重點(dian)檢測(ce)。R弧度根據大(da)小(xiao)和精(jing)度要求通常用(yong)R規、工(gong)具顯微鏡(jing)或投影儀(yi)檢測(ce);螺紋(wen)一般需要(yao)用環規(通(tong)止規(gui))進行檢測;密封(feng)處的倒角一般(ban)尺寸較小爲R0.2～ 0.3mm,三(san)坐标法檢測有一定(ding)的困(kun)難,投(tou)影檢測(ce)必(bi)須對(dui)元件(jian)進(jin)行(hang)破壞(huai),用輪廓(kuo)儀(yi)進行檢測(ce)可以在不(bu)破壞(huai)元(yuan)件的情況下(xia)得(de)到較好(hao)的檢測效(xiao)果。
5鉑(bo)銥電極在流量(liang)計領(ling)域的應用(yong)現狀(zhuang)及前景
5.1應(ying)用現狀
我國目(mu)前在流(liu)量計領(ling)域每年(nian)消(xiao)耗鉑銥電極約20000～ 25000顆。由(you)于國内以(yi)前沒(mei)有專(zhuan)門的鉑銥(yi)元件生産(chan)廠家,需方(fang)單(dan)位須采(cai)購鉑(bo)銥棒(bang)材自(zi)行機加工成元(yuan)件,而(er)有(you)些(xie)對元(yuan)件質(zhi)量要求高(gao)的公司(si)則(ze)直接(jie)使用進(jin)口(kou)元件(jian),這些進口(kou)元件(jian)大部分來自德(de)國和(he)日本(ben)。
5.2産品發展(zhan)方向
資源(yuan)節約型産(chan)品是未來(lai)産品的發(fa)展方向(xiang),鉑(bo)和銥均是(shi)世界(jie)稀缺(que)的資(zi)源(yuan),所(suo)以鉑(bo)銥元(yuan)件(jian)的設計(ji)和生産工藝均應充分考(kao)慮節(jie)約材(cai)料的(de)因素(su)。現在(zai)有的使用(yong)廠家也在(zai)逐步(bu)進行(hang)産品的升(sheng)級換代,在(zai)不影(ying)響使(shi)用(yong)性能的(de)條件下,将(jiang)原來(lai)完全(quan)用鉑銥合(he)金制(zhi)作的(de)元件(jian)改爲(wei)部分使用(yong)鉑銥(yi)合(he)金(jin)。比如(ru)有的(de)廠(chang)家将裝(zhuang)配後浸于(yu)腐蝕液的(de)部分設計(ji)成鉑銥材(cai)料,其餘部(bu)分設計成(cheng)其它材料,通過(guo)螺紋(wen)或焊接的(de)方式将兩(liang)者連接起來。
另一方(fang)面,包覆型(xing)貴金(jin)屬是貴金(jin)屬元(yuan)件的最新(xin)發展(zhan)方向,其中包鉑(bo)的貴金屬(shu)元件(jian)在我國一些企(qi)業已經(jing)開始得到應(ying)用,通過包(bao)鉑及(ji)包(bao)鉑(bo)銥的貴金屬元(yuan)件。随(sui)着科學技(ji)術的(de)進步,更多(duo)、更先(xian)進的(de)工(gong)藝(yi)将在(zai)貴金屬(shu)元件得(de)到應(ying)用(yong)。
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