高騰遠(yuǎn)，蘇建文，董小平，2，陳亞方，馬玉蕊，李 旭

（1.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定 071000；2.汽車制造質(zhì)量教育社會實(shí)踐基地（河北大學(xué)-長安汽車），河北保定 071000）

0 引言

目前，反應(yīng)釜往往用于不同溶液介質(zhì)中金屬材料的腐蝕模擬，大多數(shù)的反應(yīng)釜占地面積較大，安裝系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)較高（達(dá)到10 余萬元）。如果用于科研設(shè)備，價(jià)格可接受。但用于教學(xué)設(shè)備，因價(jià)格問題導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)處于觀摩狀態(tài)，因此，為了提高學(xué)生的實(shí)踐能力，設(shè)計(jì)并制作簡易型電化學(xué)反應(yīng)釜是非常必要的。王軍寧[1]等利用磁力攪拌設(shè)計(jì)了超小型反應(yīng)釜，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)釜小型的可能性。馮梅[2]等為高溫高壓釜設(shè)計(jì)了一套自控系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)自動化程度高、穩(wěn)定性好、操作方便。劉志華[3]等對高溫高壓反應(yīng)釜加熱及移熱設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)行了核算，估算了反應(yīng)熱效應(yīng)及換熱和移熱設(shè)備的面積。通過對生產(chǎn)中的基本設(shè)備工藝參數(shù)進(jìn)行確定，對加熱、移熱工藝流程進(jìn)行了工藝參數(shù)選擇。余柏健[4-5]指出了高壓反應(yīng)釜設(shè)計(jì)和制造要點(diǎn)：設(shè)計(jì)以及選材對反應(yīng)釜的質(zhì)量至關(guān)重要?；诖耍鶕?jù)參數(shù)的選擇設(shè)計(jì)一種簡易型電化學(xué)反應(yīng)釜，以實(shí)現(xiàn)河北大學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生有效實(shí)驗(yàn)要求。

1 反應(yīng)釜基本參數(shù)

通常，產(chǎn)品的合理化設(shè)計(jì)，其參數(shù)選擇是非常關(guān)鍵的。本項(xiàng)目中反應(yīng)釜設(shè)計(jì)的參數(shù)如表1 所示，反應(yīng)釜各個(gè)部件的尺寸如表2 所示。

除了上述一些基本工作參數(shù)和各個(gè)部件的尺寸外，還對反應(yīng)釜的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選定，主要有41K25RGN—C 型號電機(jī)、6200RS2RSRZZZZ 型軸承、EN837-1 型壓力表、WST-313 型溫度計(jì)、SYC-30S 型聯(lián)軸器、標(biāo)準(zhǔn)螺母M8×30、M16×30 等。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

簡易型動態(tài)反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)主要包括釜體、釜蓋、電機(jī)臺、掛具軸、傳動裝置（軸承、聯(lián)軸器）和加熱裝置等。

釜體結(jié)構(gòu)主要有筒體、釜底、通孔、密封槽等結(jié)構(gòu)（圖1）。筒體為由5 mm 厚的有機(jī)玻璃制成外徑為210 mm 的圓筒狀。釜底厚度10 mm，筒體內(nèi)部高340 mm，外部高350 mm，容積約為11 L。法蘭部分環(huán)狀邊緣均勻分布有8 個(gè)直徑為16 mm 的通孔，通孔圓心距離法蘭邊緣21 mm，靠近法蘭口部位有一外徑215 mm、寬3 mm、深2 mm 的密封槽，用于放置密封圈增加密封性。筒體與釜底和法蘭部分通過粘接方式合為一體，經(jīng)濟(jì)效果突出，密封性好，具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，同時(shí)還具有良好的導(dǎo)熱性，使用水浴鍋即可加熱，耐腐蝕性良好。

表1 反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 反應(yīng)釜各個(gè)部件的尺寸

圖1 反應(yīng)釜釜體

為了方便連接釜體，反應(yīng)釜蓋做成高度10 mm 的圓柱形（圖2）：釜蓋外徑286 mm，內(nèi)徑15 mm，在釜蓋內(nèi)徑處上方安裝一固定軸承座，軸承座內(nèi)徑30 mm，外徑40 mm，高度10 mm，用于固定軸承。釜蓋從左方順時(shí)針依次安裝有進(jìn)氣口、溫度表、出氣口、壓力表，為了拆卸方便和增加氣密性，均采用螺紋連接。釜蓋周邊制作8 個(gè)與釜體配套的通孔，方便用螺栓進(jìn)行密封固定，釜蓋上放置有電機(jī)座，用于固定電機(jī)。

圖2 反應(yīng)釜釜蓋

為了方便安裝聯(lián)軸器，電機(jī)臺不能做成密封形式，電機(jī)臺的結(jié)構(gòu)跟釜體結(jié)構(gòu)類似，主要結(jié)構(gòu)有筒體、筒蓋、螺紋口、密封槽等。電機(jī)臺筒體由5 mm 厚的有機(jī)玻璃制成圓筒狀，筒體外徑100 mm，內(nèi)徑為90 mm（圖3）。由于反應(yīng)釜蓋面積有限，為了防止電機(jī)臺與壓力表、溫度表安裝過程中發(fā)生位置沖突，電機(jī)臺筒體具有一定高度，設(shè)計(jì)為110 mm。電機(jī)臺法蘭部分環(huán)狀邊緣均勻分布有8 個(gè)直徑為8 mm 的通孔，通孔圓心距離法蘭邊緣9 mm。在靠近筒口內(nèi)部加工一條外徑為115 mm，內(nèi)徑為109 mm，深度為2 mm 的密封槽，放置密封圈，用于保障電機(jī)臺的密封性。電機(jī)臺與反應(yīng)釜蓋通過粘接的方式連接在一起，保障其密封性。

圖3 電機(jī)臺示意

圖4 電機(jī)臺蓋示意

電機(jī)座蓋外徑155 mm，內(nèi)徑60 mm，厚度10 mm，在其上設(shè)計(jì)8 個(gè)與筒體配套的通孔，用于螺栓的連接。

不同于其他攪拌反應(yīng)釜，本次反應(yīng)釜沒有采用攪拌器進(jìn)行攪拌，而是將試樣固定在掛具軸上隨傳動軸一起轉(zhuǎn)動，在傳動軸下端焊接了兩組螺栓，每組4個(gè)，傳動軸直徑10 mm，長度410 mm，因釜體盛裝工作介質(zhì)的高度為340 mm，一般實(shí)驗(yàn)過程中只將工作介質(zhì)添加到其高度的2/3，經(jīng)過計(jì)算，在距離傳動軸頂端260 mm 處，焊接第一組螺栓，再向下80 mm 處，焊接第二組螺栓，可以保證試樣處于工作介質(zhì)中，又不接觸釜底，4 個(gè)螺栓平行均勻分布傳動軸四周，用于固定試件（圖5）。在攪拌過程中，既不會發(fā)生試件的碰撞，又加快了試樣的腐蝕速率，保障了實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確性。

傳動裝置主要包括軸承和聯(lián)軸器。軸承選用內(nèi)徑為10 mm，外徑為30 mm，厚度9 mm 的密封軸承，放于軸承座內(nèi)，起到支撐掛具軸、減小旋轉(zhuǎn)阻力的作用。聯(lián)軸器選用外徑30 mm、內(nèi)徑10 mm、長35 mm 的梅花聯(lián)軸器，且一端開寬4 mm的鍵槽一端連接電機(jī)轉(zhuǎn)軸，另一端連接傳動軸，使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以傳遞到傳動軸，帶其一起轉(zhuǎn)動，滿足試驗(yàn)需求。

因本反應(yīng)釜體積小，壁厚薄，且釜體材料選用有機(jī)玻璃導(dǎo)熱性能良好，所以加熱裝置可以選用數(shù)顯恒溫水箱。實(shí)驗(yàn)前往水箱中注入純凈水，達(dá)到理想的溫度后，將反應(yīng)釜釜體直接放入調(diào)好溫度的水浴箱中加熱?；谝陨显O(shè)計(jì)，其組裝圖如圖6 所示，實(shí)物如圖7 所示。

圖5 掛具軸示意

圖6 反應(yīng)釜裝配圖

圖7 電化學(xué)反應(yīng)釜

該反應(yīng)釜的工作過程如下：工作時(shí)電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩，通過控制調(diào)速器得到合適的轉(zhuǎn)速，用聯(lián)軸器將電機(jī)轉(zhuǎn)頭和傳動軸連接在一起，在釜蓋內(nèi)徑上方軸承座處安裝一固定軸承，防止傳動軸在工作中左右搖擺引起試件的碰撞，并起到減小旋轉(zhuǎn)阻力的作用，保障試樣的均勻腐蝕。進(jìn)行水浴加熱，在溫度表達(dá)到理想溫度后，停止升溫并保持溫度不變，將反應(yīng)釜放入水浴箱內(nèi)，從進(jìn)氣口通入氬氣排氣后，通入實(shí)驗(yàn)氣體，如CO2，觀察壓力表的示值，控制進(jìn)氣量，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的pH 值。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，待反應(yīng)釜冷卻后，取出試件，并清理干凈反應(yīng)釜。

3 結(jié)論

（1）釜體筒體由5 mm 厚的有機(jī)玻璃制成外徑為210 mm的圓筒狀，容積約為11 L?？拷ㄌm口部位有密封槽，保障密封性。

（2）電機(jī)臺主要結(jié)構(gòu)有筒體、筒蓋、螺紋口、密封槽等。電機(jī)臺筒體有一定高度，設(shè)計(jì)為110 mm，在靠近筒口內(nèi)部有密封槽，保障電機(jī)臺的密封性。

（3）傳動軸下端焊接了兩組螺栓。傳動裝置主要包括密封軸承和梅花聯(lián)軸器。