一种抗高温氧化腐蚀性能研究便捷观察试验设备设计

吴 笛，王宇飞，高宗华，陈汉卿，郭丹丹

(1.兰州石化职业技术学院 质量管理处，甘肃 兰州 730060; 2.兰州石化职业技术学院 机械工程学院，甘肃 兰州 730060)

0 引 言

金属氧化是指金属除与氧气反应外还与含硫、碳、卤素及氮等气体介质反应形成金属化合物的过程。实际的高温环境还包括含灰分/沉积盐、熔融盐、液态金属等，因此，金属材料在高温下与各种腐蚀性介质的反应被称做高温腐蚀。虽然高温氧化腐蚀的过程非常复杂，但氧化过程的研究首先要从以下两方面入手：热力学和动力学。通过热力学分析可判断氧化反应的可能性，一般地，热力学分析结果同时可说明纯金属发生氧化的倾向和形成的稳定的氧化物相，而通过动力学测量来确定反应的速度。质量法是最直接、最方便的测定金属氧化速度的方法，有两种质量测定方法，即不连续称重法和连续称重法。无论是热力学分析，还是动力学分析，对金属样片高温腐蚀过程的实时观察和研究都是非常重要的环节。例如，在研究热浸镀铝钢及热浸渗铝钢抗高温氧化腐蚀性能时，如采用不连续称重法，需要分时间节点进行精确称重，并进行外观形貌观察。若能在各时间节点同时进行金相组织及能谱分析，则有助于对热浸镀铝、热浸渗铝工艺及浸镀、浸渗机理的进一步研究分析[1-3]，且可以大幅度提高试验效率。

现有技术及设备条件下的金属高温氧化腐蚀研究存在以下问题：金属的高温氧化腐蚀是金属在高温下与反应气体进行的氧化反应，而缺乏一种能够便捷观察金属状态的高温氧化腐蚀试验设备，不利于对反应中的金属进行观察和性能研究。为此，研究开发一种具有精确控制氧化反应过程的功能、用于抗高温氧化腐蚀性能研究便捷观察的试验设备不仅可解决高温氧化腐蚀反应中金属的观察和性能研究问题，还可提高研究效率，使研究过程变得简单、方便，无论对于实验室环境下的相关基础理论研究，还是相关工业技术的应用研究都具有重要的现实意义和应用价值。

1 设计的基本思路

设计设置有微波谐振腔(实现加热及温度控制)的试验腔，通过可与试验腔拔插连接的密封盖实现密封盖与腔体的便捷分离，实现金属样片的便捷观察和研究。密封盖下连接T型陶瓷杆，陶瓷杆可安装金属样片，试验时样片需按要求尺寸进行加工，方便安装及更换。附设的反应气罐可为试验腔提供需要的反应气量，使试验按照设计工艺进行。本设计难点是密封盖与试验腔的可靠密封，同时要保证使用安全。

2 设备的整体结构

如图1所示，设备的试验腔的外部设置有微波谐振腔，微波谐振腔的外部设置有防护腔体(如图2)，防护腔体的下方设置有支架台，支架台上方的一端设置有抽风机，且支架台的一侧设置有气体净化罐，支架台的另一侧设置有反应气体气罐，试验腔的上方设置有密封盖，密封盖的上方设置有手持把手，手持把手上设置有隔热垫，密封盖的下方设置有T型陶瓷杆，T型陶瓷杆上设置有金属样片。反应气体气罐通过通气管与试验腔的一端贯通连接，且反应气体气罐与试验腔贯通连接，通气管上设置有气体流量计。气体净化罐通过抽风机和通气管与试验腔贯通连接。手持把手与密封盖设置为一体式结构，密封盖与T型陶瓷杆设置为一体式结构。密封盖与试验腔采用拔插式密闭连接。金属样片上开设有通孔，且金属样片通过通孔与T型陶瓷杆挂吊式连接，方便安装与更换。

图1 设备结构图 1.通气管 2.气体流量计 3.防护腔体 4.T型陶瓷杆 5.隔热垫 6.手持把手 7.密封盖 8.试验腔 9.气体 净化罐 10.抽风机 11.微波谐振腔 12.金属样片 13.支架台 14.反应气体气罐

图2 试验腔、微波谐振腔和防护腔体剖视图3.防护腔体 8.试验腔 11.微波谐振腔

3 设备的工作原理及使用流程

设备的试验腔8的外部设置有微波谐振腔11，微波谐振腔11的外部设置有防护腔体3，通过微波谐振腔11对试验腔8进行加热处理，通过防护腔体3对试验腔8和微波谐振腔11进行防护。试验腔8的一侧设置有反应气体气罐14，且试验腔8的另一侧设置有气体净化罐9，通过反应气体气罐14为金属样片12提供反应时的气体。反应气体气罐14和试验腔8之间设置有气体流量计2，通过气体流量计2控制添加到试验腔8内的气体量。试验腔8和气体净化罐9之间设置有抽风机10，通过抽风机10把反应后的气体抽送到气体净化罐9内，进行净化处理。试验腔8的上方设置有密封盖7，密封盖7与试验腔8采用拔插式密闭连接。密封盖7的上方设置有手持把手6，手持把手6上设置有隔热垫5。密封盖7的下方设置有T型陶瓷杆4，手持把手6与密封盖7设置为一体式结构，密封盖7与T型陶瓷杆4设置为一体式结构。T型陶瓷杆4上设置有金属样片12，金属样片12上开设有通孔，且金属样片12通过通孔与T型陶瓷杆4挂吊式连接，通过密封盖7实现试验腔8使用时的密封处理。通过手持把手6，方便了密封盖7的拔插处理，从而方便对金属样片12的观察和研究。通过隔热垫5有效隔绝热量，保证操作员的安全使用，同时金属样片12与T型陶瓷杆4挂吊式连接，方便了金属样片12的挂吊和更换处理。

4 设备的优势

(1) 手持把手与密封盖设置为一体式结构，密封盖与T型陶瓷杆设置为一体式结构，通过密封盖实现试验腔使用时的密封处理，通过手持把手，方便了密封盖的拔插，从而方便对金属样片的观察和研究，通过隔热垫有效隔绝热量，保证操作员的安全使用。

(2) 金属样片上开设有通孔，且金属样片通过通孔与T型陶瓷杆挂吊式连接，方便了金属样片的挂吊和更换处理，同时反应气体气罐和试验腔之间设置有气体流量计，通过气体流量计控制添加到试验腔内的气体量，保证了金属样片反应时的充分性，亦可根据设计的试验工艺严格控制通入试验腔的气体量，扩大试验范围。

(3) 温度和时间的准确控制可以保证按照不同工艺参数设计的高温腐蚀试验的实现，并且提高了试验的效率。

5 结 语

本试验设备具有结构紧凑、安装方便的特点，特别适合在实验室环境使用，在金属材料高温腐蚀的机理分析、腐蚀形貌的观察、防腐措施研究、腐蚀速度的测定等方面具有广泛用途，将极大地方便高温腐蚀领域研究工作的开展。