專利名稱：組合犧牲陽極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及組合犧牲陽極，尤其但非排它地基于鎂，并涉及其制造方法。
鎂或鎂合金犧牲陽極已經(jīng)使用了多年以提供對鋼鐵工業(yè)制品，特別是石油工業(yè)中的陰極腐蝕保護。這種技術(shù)用于保護管道、海洋石油設(shè)備、船以及其他暴露于腐蝕性環(huán)境例如海洋或濕地的大型鋼結(jié)構(gòu)體(構(gòu)造物)。
將陽極浸入腐蝕性環(huán)境中，并通過物理連接或者通過電連接例如電纜或?qū)щ娐菟ɑ驅(qū)щ妿?，以電連接至要保護的結(jié)構(gòu)體。
由陽極提供的腐蝕保護可用兩種方式測量陽極的電勢(電壓)，以及作為犧牲鎂合金的安-時每千克測量的陽極輸出能力。
目前存在三種滿足ASTM B843-93的常用鎂合金，即(a)帶有0.5-1.3％重量錳的鎂，其產(chǎn)生的電壓為1.7V；(b)帶有5.3-6.7％重量鋁、2.5-3.5％重量鋅、以及0.15-0.7％重量錳的鎂；以及(c)帶有2.5-3.5％重量鋁、0.6-1.4％重量鋅、以及0.2-1.0％錳的鎂，(b)和(c)產(chǎn)生的電壓都為1.5V。
輸出能力既受所用合金的影響，也受陽極制造方法的影響。特別地，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在固化過程中金屬的冷卻速度很重要。(Juarez-Islas等人1993)。關(guān)于鎂合金輸出能力的理論值是2400Ahr/kg。然而，據(jù)報道，典型的陽極僅有30-35％的效率。
將參照附圖對本發(fā)明進行描述，其中

圖1示出了常規(guī)陽極的側(cè)視圖和端視圖；圖2是本發(fā)明的組合陽極的截面圖；圖3是適合于形成圖2的陽極的部分的澆鑄裝置的側(cè)視示意圖。
普遍地，澆鑄鎂陽極是“D”形狀，并且是圖1中所示的類型。陽極1通過將犧牲鎂合金2圍繞著中心安置的鋼插入物3進行澆鑄來制造，該插入物水平位于頂部敞開的永久性模具中，通常由鑄鐵制成。插入物3在如此形成的陽極1與要保護的結(jié)構(gòu)體(未示出)之間同時提供了機械連接和電連接。在陽極1的端部上涂覆瀝青膠4，其中插入物3從該合金2中伸出，以避免在其與插入物3的連接區(qū)域中的犧牲合金2過早腐蝕?！癉”形截面有助于將該鑄件從模具中脫離。該常規(guī)制造方法通常導(dǎo)致在各個陽極內(nèi)，以及在同批次中的多個陽極之間的金屬冷卻速度的不穩(wěn)定。在陽極很大，例如大于10kg的情況下，或在陽極非常大，例如大于100kg的情況下，例如在5噸以內(nèi)，陽極中心的固化速度將顯著低于邊緣的固化速度。這導(dǎo)致常規(guī)陽極的電化學(xué)效率既差又不穩(wěn)定。
本發(fā)明涉及犧牲陽極、尤其是鎂或鎂合金的犧牲陽極，其關(guān)于輸出能力，特別是對于很大的和非常大的陽極，具有改進效果。
該改進得以實現(xiàn)在于通過將大陽極有效地分成多個較小的部分，各部分優(yōu)選地是以謹(jǐn)慎控制的條件進行制造。該陽極的各部分被設(shè)置為各自起作用，但是這些部件在一起作用為單個陽極。這些部件必須以使其腐蝕基本只發(fā)生在其最外面的暴露表面上的方式合成在一起。特別地，應(yīng)該確保在與要保護的結(jié)構(gòu)體電連接的區(qū)域中，特別是當(dāng)電連接在該材料中處于偏離位置，例如不是居中地安置時，不會在遠離該連接處的材料被腐蝕之前存在犧牲材料的過早腐蝕。
US-A-5,294,396描述了一種部分陽極，用于直接附著至要保護的管道上。
通過對比，本發(fā)明的陽極電連接至要保護的結(jié)構(gòu)體，該電連接僅間接地通過其電連接而不用陽極的犧牲材料與結(jié)構(gòu)體直接電接觸。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于浸入腐蝕性環(huán)境的組合犧牲陽極，包括多個犧牲材料鑄件，各鑄件布置在用于附著至要保護的結(jié)構(gòu)體的對應(yīng)的電連接器的周圍，各部分的表面的一部分通過與至少一個其他部分相鄰而受到保護以免遭環(huán)境的腐蝕，其中這些鑄件僅經(jīng)由其電連接器連接到一起。
通過經(jīng)由其電連接器連接至要保護的結(jié)構(gòu)體，各鑄件作用為大組合陽極的一部分或部分。組合陽極與要保護的結(jié)構(gòu)體之間的物理連接(非電連接)可根據(jù)需要以纜、帶、粘合劑等方式提供。
優(yōu)選地，各電連接器以澆鑄方向延伸進入其對應(yīng)的鑄件中，并且各鑄件的犧牲材料受到保護以免遭其與其連接器的附著區(qū)域中的外部腐蝕。
本發(fā)明還提供了一種制造用于浸入腐蝕性環(huán)境并具有用于附著至要保護的結(jié)構(gòu)體的電連接的組合犧牲陽極的方法，該方法包括澆鑄犧牲材料的多個部分，每個部分與對應(yīng)的電連接器相接觸；各連接器至少部分地位于其對應(yīng)的各個部分之中；以及僅經(jīng)由其電連接器將這些部分電連接在一起。
組合陽極的這些部分可用各種不同的排列組合在一起，例如成鏈狀或圓周，但為了使組合陽極的壽命最大化，優(yōu)選地將這些部分布置為成塊體的形狀，其中各部分至少與其他兩個部分相鄰。通過將其空間分開或通過插入絕緣層，例如表面覆蓋絕緣樹脂或膏，可以為相鄰的部分之間提供電絕緣。根據(jù)陽極將要浸入的特定的腐蝕性環(huán)境，特別是如果要求將其安裝于其要保護的構(gòu)造物之中或周圍，組合陽極的外部形狀可以是立方形、長方形、圓柱形、或任何其他有規(guī)則或無規(guī)則固體形狀。各部分的形狀可以根據(jù)組合陽極的固體形狀和相鄰部分的形狀而變化。適合的部分形狀為立方形、長方形、扇形和錐形。
盡管可有一些偏差，但各電連接器優(yōu)選地基本上為直的并充分地對準(zhǔn)其部分的澆鑄方向。各連接器通常是光滑的，盡管有些粗糙、皺紋、凹槽等等可能有助于促進與犧牲材料的良好電連接及物理連接。單獨的連接器也可采取嵌入在相同鑄件中的多個分離的連接器的形式。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，防水膏或樹脂用于涂覆其暴露的連接器周圍的部分的表面，其中連接器在這些部分的表面上或附近。優(yōu)選地，各部分是相同的并與其他部分裝配在一起以形成塊體形狀的組合陽極，將這些部分之間的縫隙用電絕緣防水膏或樹脂填充以防止組合陽極的內(nèi)部腐蝕。方便地，在此結(jié)構(gòu)下，將連接器澆鑄于各部分中的偏心位置，從而當(dāng)裝配在一起時，其連接器靠近在一起并因而易于連接。
優(yōu)選地，在組合陽極中不存在空隙，例如，部分基本上延伸至該陽極的中心，同時這些部分之間的所有內(nèi)部空間都用膏或樹脂填充。
通過為各部分提供其自身的電連接器，并通過布置使這些電連接器連接，確保了各陽極部分與要保護的結(jié)構(gòu)體之間的電路能在各部分的整個腐蝕壽命期間一直使用。
可在不同的部分之間設(shè)置附加的物理連接，例如通過用一個或多個帶狀物將其捆縛在一起，但是任何這類的附加連接必須是非電的，并不得允許在這些部分之間形成空隙，腐蝕性環(huán)境在腐蝕該組合陽極的過程中可進入該空隙中。因此，應(yīng)該將防水脂或樹脂填充所有間隙，優(yōu)選地，將這些部分之間全部地填充，從而即使當(dāng)部分被相當(dāng)程度地腐蝕，但其進一步的腐蝕仍基本上僅在其最外面的表面發(fā)生，而不是在其之間。通常，使用絕緣膏或樹脂，例如瀝青或聚氨酯樹脂。
在本發(fā)明的最優(yōu)選實施例中，各部分優(yōu)選地為鎂或鎂合金，采用直冷(DC)澆鑄技術(shù)進行澆鑄。此為當(dāng)前所用制造鎂板或鎂坯的方法，該方法在例如Grandfield，J.和McGlade，P.“DC Casting ofAluminiumProcess Behaviour Magnesium Technology”，MaterialsForum Australia(材料論壇澳大利亞)，卷20，1996，第29-51頁中進行了描述。優(yōu)選的澆鑄方法對該已知制造方法做了修改，其允許將導(dǎo)電插入物插入澆鑄的鎂或鎂合金坯或板中，以制造陽極。該過程在圖3中示意性地示出，并將在下面進行詳細描述，各插入物優(yōu)選地位于偏心的靠近模具的多個壁中的一個的位置，并對準(zhǔn)澆鑄方向。
各偏心插入物，其優(yōu)選地是鍍鋅的直的光滑軟鋼棒，從其各自的鑄件中伸出，從而當(dāng)將組合陽極的部分裝配在一起時，可將其各自的插入物連接在一起，以提供與要保護的結(jié)構(gòu)體的機械連接和電連接。通常，將插入物的伸出端焊接在一起并連接至主連接器，例如索夾、其例如通過焊接與插入物成為整體或附著至插入物，以提供對要保護的結(jié)構(gòu)體的電連接。
下面將參照圖2和圖3，以實例的方式對本發(fā)明的一個實施例進行描述。
組合陽極10是形狀為方形截面(正方形截面)的長方體，其由四個裝配成塊體形狀的方形截面(正方形截面)的長方體部分12構(gòu)成。如下所述，各部分12通過連續(xù)地澆鑄犧牲鎂合金而形成。為了防止陽極10內(nèi)部腐蝕，在被裝配在一起以形成塊體之前，將部分12的相鄰表面涂覆絕緣膏或樹脂14。將四個部分12靠近設(shè)置在一起，但在陽極10中沿其長度方向上不直接接觸。各部分12設(shè)置有鋼棒形狀的插入物(圖3中的17)，延伸穿過其各自部分的整個長度，并剛好超出其各自部分12的兩端表面。這些棒是偏置的并且所有四個棒在被暴露處或從其部分中伸出處通過焊接被連接在一起。
將線纜連接器15焊接至焊接連接處中的一個，并且在連接部分的兩端，這些焊接連接處被附加的膏14a覆蓋，只暴露出線纜連接器15。然后將電線或電纜(未示出)連接至暴露的線纜電導(dǎo)體15，用于將組合陽極10連接至要保護的結(jié)構(gòu)體(未示出)。
參照圖3，用于連續(xù)地澆鑄圖2的部分12的裝置包括常規(guī)可移動澆鑄平臺31，其模具32和噴水環(huán)33以用于DC澆鑄的常規(guī)方式布置。
通過容器34將熔化的犧牲鎂合金16輸送給模具。在降低澆鑄平臺31的同時，通過從噴射環(huán)33噴射的水使該熔化的金屬在受控條件下冷卻，以形成澆鑄部分12。
為了對各澆鑄部分12提供電連接，將脊形的鋼插入物17垂直地保持于模具32中，從而將合金16圍繞該插入物(棒)17進行澆鑄。棒17偏心設(shè)置但與澆鑄方向?qū)?zhǔn)(相對)，以便使其與圖2所示的其他部分12的其他棒連接。
為了使四個部分12的四個棒17的各個端部能夠連接在一起，使如圖3所示進行澆鑄的棒17從可移動模具35的底部稍微地伸出，并且在澆鑄完成之后還使其從部分12的頂部伸出。
利用這種用于部分12的DC澆鑄法，通過用水噴射而對鑄件進行受控直接冷卻，可以實現(xiàn)對各部分進行均勻、可控、快速的冷卻處理。這樣提高了組合陽極的電化學(xué)效率(功效)，超過了相同尺寸的永久性模具澆鑄陽極。
表1展示了常規(guī)澆鑄陽極的典型輸出能力與由DC澆鑄制造的陽極的典型輸出能力的對比。
表1.常規(guī)澆鑄的典型儲能能力與DC澆鑄的典型儲能能力的對比本發(fā)明特別適合于制造非常大的陽極，例如，5噸以內(nèi)的。通過將兩個或多于兩個的陽極部分組合在一起，以將該組合物作用為一個大陽極。用于該組合物中的這些部分可通過DC澆鑄或通過常規(guī)的永久性模具澆鑄來制造。不論是哪種情況，所制造的陽極產(chǎn)生了提高的電化學(xué)效率，超過了相同尺寸的單個永久性模具澆鑄陽極，這是因為各個部分的冷卻及固化速率比如果將陽極澆鑄為單一整體的情況要更快和更有控制性。
通過將各部分的插入物連接在一起，并優(yōu)選地用瀝青密封它們之間的空間，使得該組合陽極只受到外部腐蝕，還能提供與單體陽極等效的電壓和電流。
權(quán)利要求
1.一種用于浸入腐蝕性環(huán)境的組合犧牲陽極，包括多個犧牲材料鑄件，各鑄件設(shè)置在用于附著至要保護的結(jié)構(gòu)體的相應(yīng)的電連接器的周圍，各部分的表面的一部分通過至少與一個其他部分相鄰而受到保護，以免受所述環(huán)境的腐蝕；其中所述鑄件僅經(jīng)由其各自的電連接器電連接到一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極，其中通過防水膏或樹脂將所述鑄件連接在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陽極，其中所述防水膏或樹脂圍繞各鑄件的電連接器涂覆在各鑄件的所述表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的陽極，其中各電連接器基本上是直的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的陽極，其中所述防水膏或樹脂完全地填充所述鑄件之間的所有間隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的陽極，其中所述鑄件是相同的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的陽極，其中所述犧牲材料是鎂或鎂合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的陽極，其中所述犧牲材料是一種合金，其主要包含鎂以及0.15％至1.3％重量的錳。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極基本上如上所述。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極基本上如上所述，并參照附圖且如附圖所示。
11.一種制造組合犧牲陽極的方法，所述組合犧牲陽極用于浸入腐蝕性環(huán)境，具有用于附著至要保護的結(jié)構(gòu)體的電連接器，所述方法包括澆鑄犧牲材料的多個部分，每個部分與相應(yīng)的電連接器相接觸；各連接器至少部分地位于其對應(yīng)的各個部分之中；以及僅經(jīng)由其電連接器將所述部分電連接在一起。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中將防水膏或樹脂布置為圍繞其暴露的電連接器涂覆在所述部分的所述表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中各電連接器基本上是直的。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項所述的方法，其中各部分是相同的。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項所述的方法，其中所述犧牲陽極是圓柱形的、正方形的、長方形的、或扇形的，并且由2個到6個部分組成。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一項所述的方法，其中各部分通過連續(xù)的澆鑄形成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中各部分被強制冷卻。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述冷卻通過水實現(xiàn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述澆鑄是通過直冷澆鑄實現(xiàn)。
20.根據(jù)權(quán)利要求11至19中任一項所述的方法，其中所述犧牲材料是鎂或鎂合金。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述犧牲材料是一種合金，其主要包含鎂以及0.15％至1.3％重量的錳。
22.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法基本上如上所述。
23.一種犧牲陽極，通過如權(quán)利要求11至22中任一項所述的方法鑄造。
全文摘要
本發(fā)明涉及組合犧牲陽極，尤其但非排它地基于鎂，并涉及其制造方法。用于浸入腐蝕性環(huán)境的組合犧牲陽極(10)，包括多個犧牲材料鑄件(12)，各鑄件布置在用于附著至要保護的結(jié)構(gòu)體的對應(yīng)的電連接器的周圍，至少各部分(12)的表面的一部分通過至少與一個其他部分(12)相鄰而受到保護以免遭環(huán)境的腐蝕，其中這些鑄件僅經(jīng)由其電連接器電連接到一起。一種制造用于浸入腐蝕性環(huán)境并具有用于附著至要保護的結(jié)構(gòu)體的電連接的組合犧牲陽極(10)的方法，該方法包括澆鑄犧牲材料的多個部分(12)，每個部分與對應(yīng)的電連接器相接觸；各連接器至少部分地位于其對應(yīng)的各個部分(12)之中；以及僅經(jīng)由其電連接器將這些部分電連接在一起。
文檔編號C23F13/10GK1726305SQ200380105820
公開日2006年1月25日 申請日期2003年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者侯賽因·卡里姆扎德, 蒂莫西·E·威爾克斯 申請人:鎂電子有限公司