摘要:介绍了
电磁流量计中电极的工作原理、铂铱电极的特性和使用范围、铂铱电极的生产工艺问题及解决措施等;并展望了电磁流量计电极材料的发展方向,包铂及铂铱合金由于可节约大量贵金属资源,具有广阔的应用前景。
1引言
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计,广泛应用于测量导电性液体,如给水排水、纸浆、石油混合液体、化学及食品工业的液体等。电极是电磁流量计的关键元件,常用的电极材料有耐蚀不锈钢、哈氏合金、钛、钽、铂铱合金等材料,其中铂铱合金是耐腐蚀性能好、适用范围广的电极材料。从2005年开始铂铱元件的开发工作,在国内率先实现了铂铱合金棒材和元件一体化规模生产,为国内众多用户解决了生产难题,降低了生产成本,并为国内众多合资公司实现了进口产品替代。
2电磁流量计工作原理
电磁流量计的工作原理是依据法拉第电磁感应定律。流量计测量管是一内衬绝缘材料的非导磁合金管,两只电极与轴流方向垂直安装,电极头与内管表面平齐。当励磁线圈由双向进行方波脉冲时,即产生一个磁通密度为B的磁场,此时有一定导电率的流体流过测量管时,则切割磁力线感应产生电动势E。感应电动势与流量成正比,传感器将感应电动势转化为标准电流信号(4～ 20mA)传送至流量积算仪,流量积算仪就可以显示当前的流量值V。图1是电磁流量计的原理图。
3电磁流量计电极种类
电极是电磁流量计中的核心部件,主要起着传输电信号的作用。而信号传递的准确性受电极形状、大小、表面质量及材料性能等因素影响,所以不同的流量测量应选择与之相适应的电极材料,这样可以尽量保证测量的正确率和延长使用寿命。电磁流量计常用的电极材料及耐腐蚀性能见表1。
虽然铂铱电极耐腐蚀性能好,但其性能也不是万能的。其使用也会受到一定的条件限制,表2所列就有部分是铂铱合金不耐腐蚀的化学介质,当然表中列入的溶液仅是示例,而非全部。
表1电极材料的耐腐蚀性能
| 电极材料 |
耐腐蚀性能 |
1Cr18Ni9Ti
0Cr18Ni12Mo2Ti |
对硝酸、室温下< 5%硫酸、沸腾的磷酸、蚁酸、碱溶液、在一定压力下的亚硫酸、海水、醋酸等介质等有强的耐
腐蚀性。可广泛应用于石油化工、工业用水、尿素、维尼纶等工业。 |
哈氏合金B(HB) |
对沸点以下一切浓度的盐酸有良好的耐腐蚀性,也耐硫酸、磷酸、氢氟酸、有机酸等非氧化性酸、碱,非氧化性盐液的腐 |
哈氏合金C(HC) |
能耐氧化性酸,如硝酸、铬酸与硫酸的混合介质的腐蚀,也耐氧化性的如含Fe3+、Cu2+的盐类的腐蚀。 |
钛(Ti) |
能耐海水、各种氯化物和次氯酸盐、氧化性酸(包括发烟硝酸)、有机酸、碱等的腐蚀,不耐较纯的还原性酸(如硫酸、盐酸)的腐蚀。但如酸中含有氧化剂(如Fe3+、Cu2+)时,则腐蚀大为降低 |
钽(Ta) |
具有和玻璃相似的优越耐腐蚀性,除氢氟酸、发烟硫酸等少数酸外,大部分酸液适用,氢氧化钠等碱液不适用。 |
铂、铂铱合金 |
对几乎所有酸碱液耐腐蚀。王水、铵盐以及少数介质不适用。 |
表2铂铱合金和钽不耐腐蚀的化学介质
| 化学液体介质 |
铂铱合金 |
钽 |
其它材料 |
氟化铝(Aluminum fluoride)
硝酸铝(Aluminum nitrate)
氟化铵(Ammonium fluoride)
氢氧化钡(Barium hydroxide)
二氧化氯(Chlorine dioxide)
氯化铜(Copper fluoride)
氯化铜(Copper chloride)40%
氯氧铜(Copper oxychloride)
氯化铁(Ferric chloride)
氯化锌(Zinc chloride)50%
氟硅酸(Fluosilicic acid)10%～ 40%
氢溴酸(Hydrobromic acid)50%
氢氟酸(Hydrofluoric acid)10%～ 20%
氢氟硅酸(Hydrofluosilicic acid)35%
次氯酸(Hypochlorous acid)10%～ 20%
乙酸铅(Lead acetate)
氢氧化镁(Magnesium hydroxide)
氢氧化钾(Potassium hydroxide)10%～ 40%
氰化钠(Sodium ferrocyanide)
氢铁酸钠(Sodium ferrocyanide)
氢亚铁酸钠(Sodium ferricyanide)
氟化钠(Sodium fluoride)5%～ 50%
氢氧化钠(Sodium hydroxide)5%～ 50%
硫酸(Sulfuric acid)10%～ 50%
硫代硫酸钠(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铂铱电极生产中的问题及解决措施
4.1铂铱合金的成分设计
铱是一种挥发性非常强的金属,在1500℃时其蒸汽压比铂低两个数量级[2],在高温熔炼时其挥发性是铂的几十倍,所以在进行合金的成分设计时必须考虑铱元素的过量问题。最常用的铂铱合金触点材料牌号有PtIr10、PtIr20、PtIr25 3种合金,成分要求见表3[3]。
4.2铂铱合金的加工工艺
铂铱合金是一种容易发生成分偏析的合金,也是容易产生内部缩孔等缺陷的合金,采用高频和中频二次真空熔炼可提高合金成分的均匀性。在进行中频精炼时,为了减少由于铱元素的吸气而产生合金锭内部缩孔,炉腔的真空度应保持在10- 2MP等级。多次重熔的方法也有利于充分排尽合金锭内部的气体。
铂铱合金的锻打工艺与合金中铱的含量有密切关系,铱含量较低(≤ 20%)的合金塑性较好,合金锭经均匀化处理后可以进行冷加工,而铱含量较高(≥ 20%)的合金通常需要热加工。
铂铱合金棒材的拉制应注意配模的变型量,铱含量低的合金单次变形量可以大一些,铱含量高的合金单次变形量则小一些,而且有些合金必须热拉才能保证合金具有良好的塑性。拉制过程中应将棒材表面缺陷如包皮、划痕清理干净,否则这些缺陷会影响元件的表面质量。
4.3铂铱元件的车床加工
车床加工铂铱元件存在的主要问题:(1)铂铱合金车加工时非常容易粘刀,而且散发出大量热量,刀具材料磨损得很快,加工精度不容易控制;(2)流量计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的角来实现,所以对加工刀具的精度要求很高,人工磨制的刀具很难达到要求;(3)使用冲冷却液方式可以有效地降低刀具加工的温度,延长使用寿命,但同时会带走大量的粉状车削料,加大了贵金属材料的损耗;(4)元件的使用面光洁度要求很高,车加工难以达到要求,需要进行精细抛光。
针对以上问题,制定了适当的加工工艺和控制措施:(1)对每个元件的每个尺寸进行在线监测,避免了刀具磨损对元件加工尺寸精度造成的影响,提高了产品的成品率;(2)采用了涂刷冷却液的方式进行铂铱元件加工,减少了材料损耗,同时有利于车削料的清洗和回收;(3)成型刀具,满足各种流量计用铂铱元件的加工需要;(4)采用了多种抛光技术相结合的抛光方法,制得了镜面效果的元件表面。采用高精度仪表车床加工元件后,元件的成品率达到95%以上,加工精度可以控制在± 0.005mm以内。
4.4铂铱元件的检测
铂铱元件的检测主要包括成分分析、表面质量和尺寸检测3方面的内容。
(1)成分检测:由于铂铱合金的难溶解性,不宜采用化学的分析方法检测其成分。光谱和探针分析虽然有一定缺陷,如对某些微量元素不能定量分析,只能通过标样作定性分析,而主元素的测量误差也通常比化学分析大一些。但由于通常情况下铂铱合金的主元素铂和铱要求成分偏差不超过0.5%,杂质总量的要求不超过0.3%,所以采用光谱或探针的测量方法是完全可以满足要求的。
(2)表面质量检测:表面质量的检测包括表面裂纹和表面粗糙度的检测。由于铂铱元件的密度大,不适宜射线探伤;由于加工铂铱元件的铂铱棒材通常直径较小(< 8mm),超声波探伤也很困难,采用超声波探伤和着色探伤相结合的办法来检测合金的内部和表面裂纹,达到了比较理想的效果,元件的表面粗糙度通常用目测或放大镜配合检测即可。
(3)尺寸检测:元件的配合螺纹、传递信号面R的弧度、密封处的倒角弧度等尺寸是精度要求最高的,需要重点检测。R弧度根据大小和精度要求通常用R规、工具显微镜或投影仪检测;螺纹一般需要用环规(通止规)进行检测;密封处的倒角一般尺寸较小为R0.2～ 0.3mm,三坐标法检测有一定的困难,投影检测必须对元件进行破坏,用轮廓仪进行检测可以在不破坏元件的情况下得到较好的检测效果。
5铂铱电极在流量计领域的应用现状及前景
5.1应用现状
我国目前在流量计领域每年消耗铂铱电极约20000～ 25000颗。由于国内以前没有专门的铂铱元件生产厂家,需方单位须采购铂铱棒材自行机加工成元件,而有些对元件质量要求高的公司则直接使用进口元件,这些进口元件大部分来自德国和日本。
5.2产品发展方向
资源节约型产品是未来产品的发展方向,铂和铱均是世界稀缺的资源,所以铂铱元件的设计和生产工艺均应充分考虑节约材料的因素。现在有的使用厂家也在逐步进行产品的升级换代,在不影响使用性能的条件下,将原来完全用铂铱合金制作的元件改为部分使用铂铱合金。比如有的厂家将装配后浸于腐蚀液的部分设计成铂铱材料,其余部分设计成其它材料,通过螺纹或焊接的方式将两者连接起来。
另一方面,包覆型贵金属是贵金属元件的最新发展方向,其中包铂的贵金属元件在我国一些企业已经开始得到应用,通过包铂及包铂铱的贵金属元件。随着科学技术的进步,更多、更先进的工艺将在贵金属元件得到应用。
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