李家榮， 芮爭家， 代金生

(1.昆明市宜良化工設(shè)備鑄造廠，云南昆明 652100； 2.清華大學(xué)，北京 100084)

高溫濃硫酸環(huán)境中新材料的研發(fā)及應(yīng)用

李家榮1， 芮爭家2， 代金生1

(1.昆明市宜良化工設(shè)備鑄造廠，云南昆明 652100； 2.清華大學(xué)，北京 100084)

針對濃硫酸生產(chǎn)過程中存在的高溫濃硫酸環(huán)境，本著適配、耐用、性價比高的原則，研制開發(fā)了鐵素體單相耐蝕合金材料，并在多家硫酸生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了大量的實(shí)踐，取得了良好的效果和好評。

高溫濃硫酸；鐵素體單相耐蝕合金；研發(fā)；應(yīng)用

0 前言

在硫酸生產(chǎn)過程中，干燥和吸收是很重要的步驟，在這一過程中采用濃硫酸進(jìn)行吸收水分或SO3，這兩個過程均為放熱反應(yīng)。為節(jié)約能源減少熱量損失，現(xiàn)在均采用高溫硫酸吸收工藝，這對材料的防腐蝕要求就很高，常用的材料316L不銹鋼在濃酸中要求溫度低于90 ℃，酸濃波動也不能太大。SX鋼、Zero合金等雖然可以再100 ℃以上的濃酸中使用，但價格是不銹鋼的數(shù)倍，使用的范圍需要嚴(yán)格控制。

1 新材料的研發(fā)

針對這一情況昆明宜良化工設(shè)備鑄造廠和清華大學(xué)、上海材料研究所等專業(yè)機(jī)構(gòu)聯(lián)手，經(jīng)大量理論研究及多種材料實(shí)驗(yàn)開發(fā)出鐵素體單相耐蝕合金(牌號FD)，該材料需具備以下特點(diǎn)： (1)基體為單相組織；(2) 石墨呈球狀；(3)較好焊接性。另外考慮到抗沖刷腐蝕性能的要求，鐵素體單相耐蝕合金的抗拉強(qiáng)度大于400 MPa，伸長率為15%以上。而普通合金化鑄鐵的抗拉強(qiáng)度僅為250～300 MPa，伸長率幾乎為零。

1.1 新材料中各種化學(xué)元素的作用

(1)碳

鐵素體單相耐蝕合金的碳含量定位3.2%～3.5%。碳量高則凝固結(jié)晶區(qū)間小，對提高鐵液流動性、降低應(yīng)力、增加材質(zhì)的致密度有利，可預(yù)防縮松滲漏的傾向。此外，石墨呈球狀，使材料具有較高比例的鐵素體組織，焊接性能提高，這些因素有利于提高產(chǎn)品的高耐腐蝕性能。

(2)硅

硅的含量在2.80%～3.20%范圍內(nèi)。硅是促進(jìn)石墨化元素，硅量高則鐵素體量增多，石墨數(shù)量增加，對提高耐腐蝕有較好的作用；硅量低會使材料碳當(dāng)量降低，擴(kuò)大凝固區(qū)間，增大縮松傾向。硅對其力學(xué)性能的影響見圖1。

圖1 硅對其力學(xué)性能的影響

(3)錳

錳是阻礙石墨化的元素，但能中和硫的有害作用，適量的錳對提高強(qiáng)度有利。Mn<2.0%時，會降低材料的耐腐蝕性能，但由于錳能促進(jìn)珠光體形成，容易偏析及粗化晶粒，所以應(yīng)盡量偏低為宜，故選用Mn:≤0.20%。錳對其力學(xué)性能的影響見圖2。

圖2 錳對其力學(xué)性能的影響

(4)磷、硫

磷為有害元素，易偏析，形成二元或三元磷共晶，降低性能，增加脆性。雖然磷在<0.6%時會增加其耐蝕性，但會降低材料的致密性，所以應(yīng)越低越好。磷對力學(xué)性能的影響見圖3。

硫是有害元素，在生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制，含量高易造成球化不良、夾渣等缺陷。

故應(yīng)嚴(yán)格控制在：P<0.06%；S≤0.02%。

圖3 磷對力學(xué)性能的影響

(5)鎂

鎂是球化元素，其要求的殘留含量為0.03%～0.06%。鎂量太低則會造成球化不良使產(chǎn)品報廢；太高易產(chǎn)生氣孔、夾渣、白口、縮松等缺陷。

(6)稀土

稀土(RE)在單相合金中有如下作用：①細(xì)化晶粒，改善組織的均勻性。②脫氧除氣，減少縮松。③輔助球化和脫硫的作用。適宜的含量為：0.02%～0.05%。

(7)強(qiáng)化孕育元素

在鐵素體單相合金生產(chǎn)中，采用由Bi、Ba、Ce、Ca等元素組成高效強(qiáng)化孕育劑，其作用為： ①增加鐵素體量的比例，提高耐蝕性。 ②提高斷面均勻性，改善力學(xué)性能，特別是塑性、韌性。③細(xì)化石墨球和共晶團(tuán)，消除白口。

1.2 化學(xué)成份選定

針對硫酸生產(chǎn)工藝條件，并對生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的各種問題進(jìn)行分析研究，對鐵素體單相耐蝕合金中各元素含量進(jìn)行確定，其化學(xué)成份見表1。

1.3 金相組織

鐵素體單相耐蝕合金分酸器的金相組織見圖4，分別為球化級別、石墨大小、基體組織。

2 新材料的耐腐蝕性測試

針對鐵素體單相耐蝕合金，昆明宜良化工設(shè)備鑄造廠進(jìn)行了多次的不同溫度、不同酸濃的耐腐蝕性能測試，根據(jù)測出的單位失重(g)計算出的該材料年腐蝕率，結(jié)果見表2。

表1 鐵素體單相耐蝕合金化學(xué)成分表

圖4 鐵素體單相耐蝕合金分酸器的金相組織

昆明宜良化工設(shè)備鑄造廠還將該材料和多種不銹鋼、多元合金、低鉻鑄鐵等材質(zhì)進(jìn)行了同一條件下的耐腐蝕性能比較試驗(yàn)，同時引進(jìn)了一些相關(guān)資料中的數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

表2 鐵素體單相耐蝕合金的腐蝕率 單位：mm/a

注：試驗(yàn)時間為72小時

通過上述試驗(yàn)可知，鐵素體單相耐蝕合金的耐腐蝕率較之不銹鋼和多元合金、低鉻鑄鐵要高很多。

表3 不同材質(zhì)的耐腐蝕性能比較試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件：93%硫酸、100 ℃、72小時；注：有“*”為相關(guān)資料報導(dǎo)數(shù)據(jù)

3 新材料的應(yīng)用

新材料研發(fā)只是第一步，通過先進(jìn)的設(shè)備，嚴(yán)格的工藝將材料加工成設(shè)備，并應(yīng)用于生產(chǎn)中才是最終的目的。

熔煉設(shè)備選用3 t、1.5 t感應(yīng)爐各一套；3.5 t/h熔化爐兩套；0.2 t/h實(shí)驗(yàn)爐一套。對鐵液質(zhì)量的要求：1)出爐溫度控制在1500 ℃左右；2)光譜和金相的在線測定，確保了鐵液化學(xué)成分及基體組織的合格且穩(wěn)定；3)P、S的含量控制；4)碳、硅、錳及各種合金元素的氧化、燒損控制；5)非金屬夾雜物和氣體少。

采用消失模干砂成型、漏模機(jī)成型和樹脂砂成型工藝，獲得沒有縮孔、縮松、氣孔、夾渣等缺陷的優(yōu)良產(chǎn)品。所有產(chǎn)品生產(chǎn)完成后均需要通過嚴(yán)格的檢測，先用測厚儀、密度分析儀檢測后，再根據(jù)檢驗(yàn)要求逐根(100%)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，分別加壓至3.0 MPa 或1.6 MPa后穩(wěn)定保壓3 min，其間用振動方法檢測有無滲漏點(diǎn)；一次不能穩(wěn)壓的，加工后經(jīng)二次振動復(fù)壓，所有的殘次品均截留在廠內(nèi)。

采用新材料加工的濃硫酸管式分酸器，已成功用于三環(huán)化工、云銅楚雄銅業(yè)、廣東金泰化工等國內(nèi)許多大中型硫酸生產(chǎn)企業(yè)，共計200多套，在用時間最長的已超8年。

4 結(jié)束語

針對高溫濃硫酸環(huán)境開發(fā)的鐵素體單相耐蝕合金，在耐腐蝕性上已經(jīng)全面超越進(jìn)口的耐酸合金和常用的不銹鋼，而造價不及不銹鋼的一半，結(jié)合相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備和工藝，生產(chǎn)出的產(chǎn)品可以安全使用在硫酸生產(chǎn)中。該材料的使用大大減少耐酸合金的進(jìn)口量，降低整個工程的造價，也為今后老廠改造掃除了材料上的障礙。

[1] 芮爭家.鑄鐵合金及其熔煉技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2] 楊平安.耐高溫濃硫酸腐蝕合金材料[J].磷酸設(shè)計，1994,(2).

襄陽高新區(qū)鋁鎂合金項(xiàng)目投產(chǎn)

6月30日，襄陽高新區(qū)11家企業(yè)舉行集體投產(chǎn)儀式，這11家企業(yè)項(xiàng)目總投資74.73億元，全部達(dá)產(chǎn)后預(yù)計實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值186.24億元。此次11個企業(yè)將為襄陽高新區(qū)發(fā)展打開了更好的局面，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)提供了重要的資金保持。

這11個企業(yè)項(xiàng)目都是投資規(guī)模巨大，技術(shù)水平較高，未來發(fā)展空間廣闊的項(xiàng)目。項(xiàng)目類型比較集中，充分利用了產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)，便于政府管理和政策落實(shí)。這11個項(xiàng)目中，兩個為建筑材料類項(xiàng)目，余下的全部圍繞汽車產(chǎn)業(yè)配套項(xiàng)目。

其中東風(fēng)襄陽旋壓技術(shù)有限公司填補(bǔ)了國內(nèi)雙面成型板材旋壓、鋁鎂合金旋壓等技術(shù)的空白，生產(chǎn)出的產(chǎn)品均有較高的科技水平和附加價值，具有良好的市場前景。

2014年5月份之前，襄陽高新區(qū)引進(jìn)項(xiàng)目85個，投資415億元，其中69個項(xiàng)目已經(jīng)正式開工。襄陽高新區(qū)不斷擴(kuò)大招商引資力度，正在全新的發(fā)展道路上奮勇前行。

撫順鋁業(yè)自制翻袋機(jī)節(jié)資2000余萬元

2014年以來，撫順鋁業(yè)有限公司在大力推進(jìn)21個控虧核心項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，審視、梳理各生產(chǎn)流程，針對生產(chǎn)運(yùn)行中可改善的環(huán)節(jié)迅速展開專項(xiàng)行動。日前，該公司自主研制了翻袋機(jī)，不僅將工作效率提高了4倍以上，還可實(shí)現(xiàn)每月大袋打料2萬t，預(yù)計年可節(jié)資2000余萬元。

罐裝料對運(yùn)輸工具有特殊要求，且運(yùn)輸環(huán)節(jié)復(fù)雜，因此采購成本比大袋料每噸高出了100余元，但是由于人工大袋打料速度慢、效率低，此前該公司一直沒有形成規(guī)模效應(yīng)。

4 月末起，該公司轉(zhuǎn)型辦與檢修廠密切配合、通力協(xié)作，開展了自主研制翻袋機(jī)的專項(xiàng)行動，運(yùn)營轉(zhuǎn)型辦公室負(fù)責(zé)設(shè)計、改進(jìn)，檢修廠負(fù)責(zé)制作、調(diào)試。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和不斷的改進(jìn)，目前，翻袋機(jī)已實(shí)驗(yàn)成功并交付物配中心投入使用。

該翻袋機(jī)為雙翻袋設(shè)計，每次可同時翻兩袋料，并實(shí)現(xiàn)自動翻袋和連續(xù)作業(yè)，滿足了翻袋打料要求。

中信重工推出重載型工業(yè)專用
高壓變頻器

中信重工機(jī)械股份有限公司近日正式發(fā)布其自主研發(fā)、具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的CHIC1000、CHIC2000系列重載型工業(yè)專用高壓變頻器。業(yè)內(nèi)專家表示，該系列具有國際領(lǐng)先水平的智能傳動產(chǎn)品的推出，可以讓相關(guān)行業(yè)顯著提升節(jié)能效果和智能控制效果，從而助力相關(guān)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)安全、節(jié)能、綠色發(fā)展，更有助于促進(jìn)我國重型裝備轉(zhuǎn)型升級。

近年來，由于能源緊張及生產(chǎn)工藝等方面的要求，高壓變頻調(diào)速已成為礦山企業(yè)等大型生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能減排和提升電機(jī)系統(tǒng)整體運(yùn)行效率的不二之選。有檢測數(shù)據(jù)顯示，使用變頻器的礦井大型提升設(shè)備等電機(jī)系統(tǒng)節(jié)電率為30%左右，最高可達(dá)60%。據(jù)了解，山西紫金礦業(yè)是中信重工本次發(fā)布的CHIC1000礦井提升機(jī)專用高壓變頻器的首臺套客戶。該公司負(fù)責(zé)人表示，投用一年來，整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、安全高效。

DevelopmentandApplicationofNewTypeMetalUsedinHighTemperatureConcentratedSulfuricAcid

LI Jia-rong1，RUI Zheng-jia2，DAI Jin-sheng1
(1.Yiliang Chemical Engineering Equipment Iron Factory Kunming, Kunming 652100, China; 2.Tsinghua University, Beijing 100084, China)

According to high temperature condition in production of concentrated sulfuric acid, by principles of adaptation, durability, high performance-price ratio, the paper develops an ferrite single-phase corrosion resistant alloy, applied in many sulfuric acid companies, and achieves good results and praise.

high temperature concentrated sulfuric acid；ferrite single-phase corrosion resistant alloy；development；application

2014-02-16

李家榮(1964-)，男，云南昆明人，鑄造工程師，北大工商管理學(xué)碩士研究生，主要從事特種適用材料研發(fā)及管理工作。

芮爭家(1944-)，男，上海人，清華大學(xué)教授，工學(xué)碩士，主要從事金屬材料的研發(fā)工作。

TQ111

A

1003-8884(2014)04-0043-04

代金生(1956-)，男，云南昆明人，大學(xué)學(xué)歷，工程師，主要從事硫酸工藝設(shè)計及生產(chǎn)管理。