[发明专利]金属表面的改性

说明书

本发明一般地涉及金属表面的改性，具体地涉及在流体中工作的表面的改性，以减少来自流体的沉积物的形成。

一种这类表面是金属传热表面。在传热表面上形成沉积物是一个主要的问题，这对于英国工业界来说每年需要10亿英磅的预算。对于研究减少形成这些沉积物的方法，过去已经引起人们强烈的关注，但这仍是未解决的问题。

传热表面的一种形式是热交换器表面。很多工业都承受着热交换器脏污问题，这是由于在热交换器表面上形成沉积物而增大了热阻，最典型地超过设计值的10-200％。另外，尽管在工厂中进行额外的保养以去除沉积物，这些沉积物仍会造成生产的损失。

另一种传热表面形式是加热元件表面。对于和人家庭用品来说，在家用电器如洗衣机、洗碗机和电饭锅的加热元件上沉积硬质盐类如CaCO₃和CaSO₄会明显增加费用。

可以使用多种化学添加剂来减少传热表面上沉积物的形成。通常加入磷酸盐和硅酸盐以抑制钙和镁离子的活性。但是，这些化学试剂增加了附加的生产和操作成本，并且通常有害于环境。

其他这类表面的例子是泵-转子表面、油井表面、管线表面、分离器表面。

依据本发明的第一方面，提供了一种在流体中工作的金属表面的改性方法，该流体含有至少一种在工作过程中易于在所述表面上沉积的物质，该方法包括降低位于所述表面上的金属层的表面能，从而在长期工作过程中抑制所述物质的沉积。

依据本发明的第二方面，还提供了一种在流体中工作的金属表面，该流体含有至少一种在工作过程中易于在所述表面上沉积的物质，该金属表面上设置有位于所述表面上的所述金属层，在该层中降低了该金属的表面能，从而在长期工作过程中抑制所述物质的沉积。

现参照附图通过实施例来说明本发明的一些实施方案，附图中：

图1是成核池沸腾装置的示意图，

图2是图1中加热器棒的Ⅱ-Ⅱ截面图，

图3是改性的和未处理的不锈钢加热器棒的α与时间的关系曲线，

图4是使用后的处理的加热器棒的图片，

图5是一种形式的动态混合离子注入设备的示意图，

图6是第二种形式的动态混合离子注入设备的示意图。

参考用于图1和图2的成核池沸腾装置内的不锈钢加热器棒来说明本发明的第一实施方案。

如图1和图2所示，该池沸腾装置1由沸腾部分10、含有冷凝部分12和预热部分14的流动环路11、具有电源控制装置19的加热器棒16、以及仪表21以提供监控显示和数据获得输入量。

该沸腾部分是300mm直径的容积为30升的圆柱形不锈钢容器18，在其每一端均具有玻璃观察窗。该容器在其外曲表面上具有三个孔，每个孔都穿过相应的具有精确电阻的不锈钢加热器棒16。中间加热器棒16穿过柱形容器18的中心线。

加热器棒16长400mm，直径为10mm。在该试验中每根棒只有中心处100mm的部分被加热。每根加热器棒16都具有嵌在其中的四根镍铬-康铜(NiCr-CuNi)热电偶20(E型)(如图2所示)。其中三根热电偶20用于检测加热器棒16的温度。一根热电偶20作为用于加热棒16的电源21的断路(trip)输入。如果加热器棒的内部温度超过设定的极限，则电源21即会断路。

电热偶20按标准方法进行校准。

在安装在池沸腾装置1内之前，用离子注入技术对每根加热器棒16的表面层进行处理。

离子注入是通过注入各种离子的金属表面改性方法。在表面层注入离子使金属表面1-3μm内产生了不同的合金。因为金属表面的键能和游离电子浓度均降低且金属表面的熵增加，从而降低了金属的表面能。表面能E_b可以用表面内能U_b、温度T和表面熵S_b的函数式来表示：

E_b=U_b-TS_bS_b的主要部分是由表面的无序度而决定的，当注入外部元素时，熵值S_b增大。

在本发明的第一个实施方案中，将氟化硅(SiF₃)注入不锈铜加热器棒16的表面层，所用剂量为1×10¹⁷离子／cm²，能量为1．9MeV