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鉑銥電極在電磁流量計上的應用及生產現狀

來源:作者:發表時間:2018-09-10 10:32:11

 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 。重慶儀表材料研究所從 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 。
 
目前我所已成為我國鉑銥元件種類**多 、規模**大的專業化貴金屬元件生產單位。筆者通過電磁流量計中鉑銥元件的工作原理 、鉑銥元件的使用特性 、生產工藝問題及解決措施等方面的介紹, 希望能對本行業的發展起到積極的參考作用。
 
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。
電磁流量計原理示意圖
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準確性和延長使用壽命。電磁流量計常用的電極材料及耐腐蝕性能見表 1。
電磁流量計電極材料的耐腐蝕性能
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。
鉑銥合金和鉭不耐腐蝕的化學介質
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, 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。**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。
鉑銥合金元件成分要求
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 -2 MP 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 ,我所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)設計制作成型刀具, 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。我所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, 我所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**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。
 
我所從 2005 年開始進行貴金屬元件的研制和生產 ,其中鉑銥元件是貴金屬元件的一個重要組成部分 ,我所通過近幾年的鉑銥元件化項目的實施 , 已為我所所有鉑銥元件用戶開發成功了鉑銥元件共 20 多種型號產品 ,生產規模達到 10000 ~ 15000 顆/年 ,已成為國內**專業、規模**大的貴金屬元件生產企業 。為國內多家合資公司實現了進口產品替代 , 產品質量達到或超過同類進口產品水平。
 
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 ?,F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**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, 我所通過研究已生產出了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的生產中得到應用 。
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