高溫鹽浴爐測溫熱電偶的陰極保護

摘要：針對高溫鹽浴爐熱電偶直接測溫的腐蝕問題,進行了陰極保護試驗,分析了腐蝕速度隨保護電流密度的變化關系。在此基礎上，確定了最佳保護電流密度,使保護管的使用壽命提高了8~10倍,從而較好地解決了金屬保護管的腐蝕問題。
　　高溫鹽浴爐常在1000~1300℃下使用。所采用的測溫元件以輻射式高溫計居多,部分單位采用熱電偶直接測溫，前者由于受液面的浮渣、煙霧以及外部輻射源等的影響，測溫誤差較大;后者雖然測溫精度較高,但因高溫熔鹽對許多材料均具有強烈的腐蝕性，嚴重影響熱電偶的使用壽命。因此,如何對熱電偶保護管進行保護.延長其使用壽命,是人們期待解決的問題。
1試驗方法
　　金屬保護管在高溫熔鹽中的腐蝕主要為電化學腐蝕。在高溫狀態下,BaCl2熔鹽離解成B++和C1-離子成為電解質,由于金屬表面的物理化學不均一性構成化學微電池,其電極反應如下:
 
　　由于陰極反應，從陽極流過來的電子被氧化性物質吸收。在與陰極接收電子的還原過程;平行地進行的情況下.陽極反應可不斷地繼續下去,故金屬便不斷地受到腐蝕口。
　　根據電化學腐蝕原理，若以被保護金屬為陰極,另用一金屬作輔助陽極,在兩電極之間施加一個足夠大的直流電場,即構成陰極保護系統,從而可增加被保護金屬的抗腐蝕能力。圖1為陰極保護試驗裝置原理圖。
 
　　試驗中以尺寸約為08X25mm的低碳鋼試樣作為陰極,通過改變外加電流值和試驗時間，進行陰極保護試驗。表1和表2給出了試驗時間為30分鐘和120分鐘的兩組試驗結果。現場指示溫度均為1240℃。
 
2試驗結果分析
　　根據表1、表2的試驗結果,畫出了腐蝕速度隨電流密度的變化關系曲線,見圖2。其中，腐蝕速度按式1計算
 
式中
V----平均腐蝕速度,mm/h;
△W---試件失重量,mg;
g-----低碳鋼比重,取7.833mg/mm³;
S-----試件表面積;mm²;
t-----試驗時間,h;
電流密度按下式計算:
 
　　由圖2可以看出,無論時間長短,腐蝕速度V隨電流密度J的變化均存在著同樣的趨勢，即:當J較小時，圖中小于0.7mA/mm²時，隨著電流密度的增加,腐蝕速度急劇下降;在0.7~0.9mA/mm²的范圍內,腐蝕速度出現-個較低值;當J大于0.9mA/mm²時,V又有所上升;此后,隨著J的繼續.增大,V又開始緩慢地下降。出現這種趨勢的原因,主要是由陰極過程，即氧和H+離子的還原反應以及它們之間的相互作用造成的。
 
　　在高溫熔鹽中,由于電磁的攪拌作用,氧和H+離子可以通過對流方式向試件表面移動。在接近電極表面,通常存在一靜止層,稱為擴散層。氧和H+離子通過這一-擴散層的能力.就決定了陰極過程的快慢,從而也決定了腐蝕速度的大小。-般來講,氧原子半徑較大，擴散速度較慢;氫離子半徑較小，擴散速度相對較快。另外,在電場力的作用下,氫離子還可以通過電遷移方式通過擴散層到達試件表面。所以可以這樣認為,氫原子到達試件表面的多少,是腐蝕速度的主要控制因素。
　　當電流密度較小時,氧和氫離子通過擴散層的速度均較慢。此外，由于電極電位還沒有極化到比析氫和氧離子化反應電位更負的地步,它們與電子的結合速度也較慢。上述兩個原因,使得外電路輸人的電子在陰極上迅速積累。因此，隨J的增加，陰極迅速極化,腐蝕速度也急劇下降。
　　隨著J的繼續增大,陰極進一步極化。當電位極化到比析氫反應的電位更負時,試件表面開始析出氫氣。氫的析出對擴散到試件表面的氧原子數量起到了以下兩種不同性質的作用:
①氫析出產生的氫氣泡，起到了攪拌作用,使試件表面的擴散層厚度堿小，并因而減小.了氧向試件表面擴散的阻力,結果使到達試件表面的氧原子數量增加。圖2中當電流密度大于0.9mA/mm²時,腐蝕速度的上升,便是由這種原因造成的。
②氫氣泡在試件表面的不斷出現,由于機械隔離作用,將阻擋氧向試件表面的擴散,并且析出的氫氣泡還可帶走一部分氧,結果將使擴散到試件表面的氧數量減少。由于第二種作用的相反影響，氫氣泡攪拌作用的效應通常不是很大,而且主要表現在氫析出的開始階段。因此,在圖2中,隨著J的進一步增加，腐蝕速度在經過-段上升后,又開始出現下降趨勢。從圖2還可以看出,30分鐘的平均腐蝕速度比相同電流密度下120分鐘的腐蝕速度高,且它們之間的差值隨J的增長而減小。這可以從以下兩個方面來解釋:
①陰極極化過程需要一定的時間,在這段時間內,隨極化過程的進行，瞬時腐蝕速度下降,最后穩定在某-~值上。當J不變時,極化時間也為定值.因此,試驗時間愈短,極化時間在整個試驗時間中所占比例也愈大，因而平均腐蝕速度也愈高;反之，平均腐蝕速度就愈低。
②電流密度的大小,代表著外電路輸人電子的速度快慢,從而也決定了極化時間的長短。J愈小，極化時間愈長，反之,極化時間愈短。因此，隨J的增大，極化時間的減小，其占整個試驗時間的比例也減少,圖2中兩條曲線的距離就越來越接近。
3最佳外加電流密度的確定
　　從圖2可以看出，當電流密度在0.7~0.9mA/mm²之間時，腐蝕速度有-一個較低值.另外，當電流密度超過3.5mA/mm²之后,腐蝕速度還有所降低。若單從降低腐蝕速度的角度來看,選取的電流密度應超過3.5mA/mm².但從另一方面來講.選取這樣大的電流密度,必.然會消耗大量的電能，同時由于保護管自身的電阻熱,還會對測溫的準確性帶來一定的影響。此外，與0.7~0.9mA/mm²之間的腐蝕速度相比，保護效果的提高并不是很顯著,因此,電流密度應取0.7~0.9mA/mm²。由圖2所示的兩小時試驗結果可推出，該電流密度下的腐蝕速度是未加保護的1/8~1/10.
　　上述腐蝕速度是在兩小時試驗基礎上得出的。根據以上分析,如果試驗時間延長,且在試驗初期采用大電流密度來加速陰極極化，以后再將其降低到0.7~0.9mA/mm²,腐蝕速度還可以進一步降低。
4結論
4.1采用陰極保護措施,可以顯著提高熱電偶保護管的使用壽命,提高倍數為8~10倍。
4.21240℃時,低碳鋼在BaCl2熔鹽中的最佳保護電流密度為0.7~0.9mA/mm2。
4.3保護初期采用大電流密度加速陰極極化，此后再將其降低到最佳保護電流密度,可以進一步提高保護效果。