一种曲柄滑块机构控制的循环氧化实验装置及氧化性能测试方法

摘要

一种曲柄滑块机构控制的循环氧化实验装置及氧化性能测试方法，包括曲柄滑块机构、支架底座以及放置在支架底座的样品托盘，支架底座上设有能够带动样品托盘进入加热炉内的电动驱动导杆；曲柄滑块机构的曲柄依次与钢杆以及加热炉炉门相连，连杆穿过支架底座与滑块铰接，连杆和曲柄的铰接处通过弹性件连接在机架上；控制系统由温度控制单元和时间循环控制单元组成；采用电动驱动导杆带动样品支架底座竖直移入和移出加热炉，支架底座和弹簧共同作用下，带动滑块向上或向下运动，实现加热炉炉门的开启和闭合。本发明能够自动控制模拟高温-低温氧化交替环境进行实验，节省时间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种循环氧化实验装置及氧化性能测试方法，具体是一种曲 柄滑块机构控制的循环氧化实验装置及氧化性能测试方法。

背景技术

在现役超超临界电站机组中，过/再热器作为锅炉的关键部件，工作环境 极为恶劣，其管内壁长期受到高温水蒸汽的腐蚀易形成氧化膜。这些氧化膜 由于热膨胀系数小于基体合金的(现多为铁素体/马氏体钢或奥氏体钢)，在锅 炉变负荷或启停时，易承受较大的热应力(通常为压应力)而发生剥落。大 量实践表明，由氧化膜剥落引发的爆管是600℃超超临界锅炉管失效及电站效 益降低的主要原因之一。对于目前世界各国正在大力研发的700℃先进超超临 界电站过/再热器用候选合金，抗氧化性能尤其是氧化膜的抗剥落性能仍将是 其关键性能指标之一。因而，评估及预测现役过/再热器用耐热钢或700℃级 超临界电站过/再热器用候选合金的抗高温氧化性能(尤其是氧化膜的抗剥落 性能)是亟需的。

通常，评估耐热钢和其它合金的抗高温氧化性能是通过开展高温氧化实 验来实现的。高温氧化实验是研究金属或合金在不同温度、压力和气氛等环 境条件下的反应动力学和氧化机理的一种手段。其主要目的是解释氧化膜生 长与破坏的机制以及影响影响金属或合金抗高温氧化性能的关键因素，以期 寻求抑制或减少高温氧化损失的途径。高温氧化实验包括恒温氧化动力学实 验和循环氧化实验。恒温氧化实验用以测定合金在特定气氛、温度下的氧化 速率，主要采用连续称重的热重技术。而循环氧化试验用于评价氧化膜与金 属基体间的黏附性，即氧化膜在温度循环变化的情况下抗开裂与剥落的性能。 目前，循环氧化试验主要在马弗炉中进行，样品在高温腐蚀性条件下保温一 段时间，随后取出冷却，如此反复。该法的缺点是繁琐，每一个循环周期都 需实验人员参与，费时费力。而现有的热重分析仪、加热炉等均不具备自动 进行热-冷循环氧化的功能。为此，迫切需要一套自动控制的、能模拟高温- 低温氧化交替进行环境的实验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种曲柄滑块机构控制的循环氧化实验装置及氧 化性能测试方法，其能够自动控制模拟高温-低温氧化交替环境进行实验，节 省时间。

为了达到上述目的，本发明曲柄滑块机构控制的循环氧化实验装置由加 热炉、支架系统和控制系统组成；支架系统包括曲柄滑块机构、支架底座以 及放置在支架底座上用于放置待测样品的样品托盘，支架底座上设有能够带 动支架底座移动使样品托盘进入加热炉内的电动驱动导杆；曲柄滑块机构由 依次铰接的滑块、连杆以及曲柄组成，曲柄依次与钢杆以及加热炉炉门相连， 连杆穿过支架底座与滑块铰接，连杆和曲柄的铰接处通过弹性件连接在机架 上；控制系统由控制加热炉内部温度、升温速率以及保温时间的温度控制单 元和控制支架底座的升降和加热炉炉门的开启与闭合的时间循环控制单元组 成；

弹性件处于最大拉伸状态，加热炉炉门关闭，支架底座位于初始位置； 弹性件收缩至平衡状态，加热炉炉门打开，样品托盘进入加热炉内。

所述的加热炉包括不锈钢外壳以及设在不锈钢外壳内的炉膛，炉膛内设 有加热元件以及热电偶，炉膛与不锈钢外壳之间设有保温层，不锈钢外壳与 支架底座固定连接。

所述的加热元件采用电阻丝、硅碳棒或硅钼棒。

所述的保温层采用耐火砖或陶瓷纤维制成。

所述的支架底座上设有与不锈钢外壳相连的两根导向杆，且电动驱动导 杆位于两根导向杆之间。

所述的支架底座上开设有用于限制连杆在水平方向运动的椭圆形导槽、 限制电动驱动导杆在竖直方向运动的第一圆形槽以及能够将对应导向杆限定 在支架底座上的第二圆形槽。

所述的样品托盘是采用耐火砖砌筑而成的圆柱形托盘，炉膛为圆柱形， 且样品托盘的直径小于或等于炉膛的直径。

所述的温度控制单元采用电动PID调节控制表，时间循环控制单元采用 循环时间控制器。

一种采用所述的曲柄滑块机构控制的循环氧化实验装置的氧化性能测试 方法，包括以下步骤：

1)将待测样品悬挂在样品支架上，将样品连同样品支架放置在样品托盘 上，此时弹性件处于最大拉伸状态，支架底座位于初始状态，加热炉炉门为 闭合状态；

2)在手动模式下，利用温度控制单元设定好加热炉的内部温度、升温速 率以及保温时间以控制加热炉的温度和时间参数，利用时间循环控制单元设 定好支架底座的升降和加热炉炉门的开启与闭合的时间以控制样品托盘在加 热炉炉内、外的时间；

3)切换至自动模式，启动电动驱动导杆，利用时间循环控制单元控制电 动驱动导杆带动载有样品托盘的支架底座向加热炉所在方向移动，并最终使 样品托盘进入加热炉中的恒温区，在这个过程中，弹性件从最大拉伸状态逐 渐收缩，滑块向加热炉所在方向运动，连杆顺时针摆幅，曲柄以曲柄和连杆 的连接处为中心做逆时针圆弧运动，加热炉炉门逐渐开启，直到弹性件回复 至平衡状态，曲柄停止运动，此时滑块与支架底座脱离，加热炉炉门完成开 启；

4)在样品托盘到达加热炉内恒温区时，时间循环控制单元开始保温计时， 当到达保温时间后，利用时间循环控制单元控制电动驱动导杆带动载有样品 托盘的支架底座离开加热炉，并回到初始位置；在这个过程中，当支架底座 与滑块接触时，带动滑块开始向远离加热炉的方向运动，此时弹性件从平衡 状态开始拉伸，连杆逆时针摆幅，曲柄以曲柄和连杆的连接处为中心做顺时 针圆弧运动，加热炉炉门开始逐渐闭合；

5)回到初始位置，待测样品冷却；

6)重复步骤3)和4)直到到达实验所需循环次数；结束实验，取样分 析。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明利用电动驱动导杆使装有待测样品的样品托盘进入和离开加热炉 中，同时通过支架底座、曲柄滑块机构以及与曲柄滑块机构相连的弹性件使 加热炉炉门自动开合，而且通过设定控制系统，控制加热炉内的加热参数以 及电动驱动导杆的行程，能够模拟高温-低温氧化交替环境进行实验，实现合 金抗氧化性能测量的自动控制，大大缩短了实验时间，节约成本，而且特别 适用于不锈钢、耐热钢、高温合金等在冷热循环的腐蚀环境中氧化膜抗剥落 性能的测试。另外，本发明的支架底座在载有待测样品的样品托盘进入加热 炉后还能起到加热炉炉门的作用，实现一物多用的功能。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明支架底座的俯视图；

图3为本发明支架底座的正视图；

其中，1、加热炉，2、导向杆，3、电动驱动导杆，4、弹性件，5、滑块， 6、加热炉炉门，7、曲柄，8、连杆，9、钢杆，10、样品托盘，11、支架底 座，12、不锈钢外壳，13、保温层，14、炉膛，15、椭圆形导槽，16、第一 圆形槽，17、第二圆形槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，以详细说明本发明的技术方案。

参见图1，本发明曲柄滑块机构控制的循环氧化实验装置是用来实现合金 在冷-热循环的腐蚀环境中氧化性能的自动测试的；由加热炉1、支架系统和 控制系统组成。

加热炉1为实验样品提供热源，包括不锈钢外壳12以及设在不锈钢外壳 12内的圆柱形耐火砖制成的炉膛14，炉膛14内设有加热元件以及热电偶， 炉膛14与不锈钢外壳12之间设有保温层13；保温层13采用普通耐火砖或陶 瓷纤维制成，加热元件可因温度需求不同而选择采用电阻丝、硅碳棒或硅钼 棒。加热炉内工作温度可达1200℃，炉内各温度点温度均匀，与规定温度的 偏差不超过±5℃。

支架系统包括曲柄滑块机构、支架底座11以及放置在支架底座11上用 于放置待测样品的样品托盘10，支架底座11上设有能够带动支架底座11移 动使样品托盘10进入加热炉1内的电动驱动导杆3；电动驱动导杆3固定在 不锈钢外壳12上，支架底座11上还设有与不锈钢外壳12相连的两根导向杆 2，且电动驱动导杆3位于两根导向杆2之间。样品托盘10采用耐火砖砌筑 而成的圆柱形托盘，且样品托盘10的直径小于或等于炉膛14的直径以使样 品托盘10能够进入加热炉1内；

参见图2和图3，支架底座11上开设有用于限制连杆8在水平方向运动 的椭圆形导槽15、限制电动驱动导杆3在竖直方向运动的第一圆形槽16以及 能够将对应导向杆2限定在支架底座11上的第二圆形槽17。

曲柄滑块机构由依次铰接的滑块5、连杆8以及曲柄7组成，连杆8穿过 支架底座11与滑块5铰接，连杆8和曲柄7的铰接处通过弹性件4连接在机 架上；曲柄7依次与钢杆9以及加热炉炉门6相连，且曲柄7与钢杆9之间、 钢杆9与加热炉炉门6之间均采用销钉固定连接；弹性件4优选为弹簧。

控制系统由封闭在箱体内的温度控制单元和时间循环控制单元组成，可 在手动和自动两种模式间进行切换，两个控制单元独立工作，分别对加热炉1 和支架系统进行控制。手动时，关闭控制系统，自动操作时，温度控制单元 控制加热炉1内部温度、升温速率以及保温时间，时间循环控制单元控制支 架底座11的升降和加热炉炉门6的开启与闭合，从而控制待测样品在加热炉 1内、外停留的时间。温度控制单元采用PID调节器；时间循环控制单元采用 循环时间控制器。

本发明采用权利要求1所述的曲柄滑块机构控制的循环氧化实验装置， 进行合金氧化性能测试，包括以下步骤：

1)将待测样品悬挂在样品支架上，将样品连同样品支架放置在样品托盘 10上，此时弹性件4处于最大拉伸状态，支架底座11位于初始状态，加热炉 炉门6为闭合状态；

2)在手动模式下，利用温度控制单元设定好加热炉1的内部温度、升温 速率以及保温时间以控制加热炉1的温度和时间参数，利用时间循环控制单 元设定支架底座11的升降和加热炉炉门6的开启与闭合的时间以控制样品托 盘10在加热炉1内、外的时间；

3)切换至自动模式，启动电动驱动导杆3，利用时间循环控制单元控制 电动驱动导杆3带动载有样品托盘10的支架底座11向加热炉1所在方向移 动，并最终使样品托盘10进入加热炉1中的恒温区，在这个过程中，弹性件 4从最大拉伸状态逐渐收缩，滑块5向加热炉1所在方向运动，连杆8顺时针 摆幅，曲柄7以曲柄(7)和连杆(8)的连接处为中心做逆时针圆弧运动， 加热炉炉门6逐渐开启，直到弹性件4回复至平衡状态，曲柄7停止运动， 此时滑块5与支架底座11脱离，加热炉炉门6完成开启；

4)在样品托盘10到达加热炉1内恒温区时，时间循环控制单元开始保 温计时；当到达保温时间后，利用时间循环控制单元控制电动驱动导杆3带 动载有样品托盘10的支架底座11离开加热炉1，并回到初始位置；在这个过 程中，当支架底座11与滑块5接触时，带动滑块5开始向远离加热炉1的方 向运动，此时弹性件4从平衡状态开始拉伸，连杆8逆时针摆幅，曲柄7以 曲柄(7)和连杆(8)的连接处为中心做顺时针圆弧运动，加热炉炉门6逐 渐闭合；

5)回到初始位置，待测样品冷却；

6)重复步骤3)至5)直到到达实验所需循环次数；结束实验，取样分 析，从而实现合金在冷-热循环的腐蚀性环境中的氧化性能测试。