高溫濃硫酸環(huán)境中新材料的研發(fā)及應用

李家榮， 芮爭家， 代金生

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

高溫濃硫酸環(huán)境中新材料的研發(fā)及應用

李家榮1， 芮爭家2， 代金生1

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

針對濃硫酸生產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，并在多家硫酸生產企業(yè)進行了大量的實踐，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)；應用

0 前言

在硫酸生產過程中，干燥和吸收是很重要的步驟，在這一過程中采用濃硫酸進行吸收水分或SO3，這兩個過程均為放熱反應。為節(jié)約能源減少熱量損失，現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倍，使用的范圍需要嚴格控制。

1 新材料的研發(fā)

針對這一情況昆明宜良化工設備鑄造廠和清華大學、上海材料研究所等專業(yè)機構聯(lián)手，經大量理論研究及多種材料實驗開發(fā)出鐵素體單相耐蝕合金(牌號FD)，該材料需具備以下特點： (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度大于400 MPa，伸長率為15%以上。而普通合金化鑄鐵的抗拉強度僅為250～300 MPa，伸長率幾乎為零。

1.1 新材料中各種化學元素的作用

(1)碳

鐵素體單相耐蝕合金的碳含量定位3.2%～3.5%。碳量高則凝固結晶區(qū)間小，對提高鐵液流動性、降低應力、增加材質的致密度有利，可預防縮松滲漏的傾向。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品的高耐腐蝕性能。

(2)硅

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

圖1 硅對其力學性能的影響

(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，但由于錳能促進珠光體形成，容易偏析及粗化晶粒，所以應盡量偏低為宜，故選用Mn:≤0.20%。錳對其力學性能的影響見圖2。

圖2 錳對其力學性能的影響

(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，所以應越低越好。磷對力學性能的影響見圖3。

硫是有害元素，在生產中應嚴格控制，含量高易造成球化不良、夾渣等缺陷。

故應嚴格控制在：P<0.06%；S≤0.02%。

圖3 磷對力學性能的影響

(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品報廢；太高易產生氣孔、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)強化孕育元素

在鐵素體單相合金生產中，采用由Bi、Ba、Ce、Ca等元素組成高效強化孕育劑，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，改善力學性能，特別是塑性、韌性。③細化石墨球和共晶團，消除白口。

1.2 化學成份選定

針對硫酸生產工藝條件，并對生產實踐中發(fā)現的各種問題進行分析研究，對鐵素體單相耐蝕合金中各元素含量進行確定，其化學成份見表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，昆明宜良化工設備鑄造廠進行了多次的不同溫度、不同酸濃的耐腐蝕性能測試，根據測出的單位失重(g)計算出的該材料年腐蝕率，結果見表2。

表1 鐵素體單相耐蝕合金化學成分表

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、低鉻鑄鐵等材質進行了同一條件下的耐腐蝕性能比較試驗，同時引進了一些相關資料中的數據，結果見表3。

表2 鐵素體單相耐蝕合金的腐蝕率 單位：mm/a

注：試驗時間為72小時

通過上述試驗可知，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 不同材質的耐腐蝕性能比較試驗

實驗條件：93%硫酸、100 ℃、72小時；注：有“*”為相關資料報導數據

3 新材料的應用

新材料研發(fā)只是第一步，通過先進的設備，嚴格的工藝將材料加工成設備，并應用于生產中才是最終的目的。

熔煉設備選用3 t、1.5 t感應爐各一套；3.5 t/h熔化爐兩套；0.2 t/h實驗爐一套。對鐵液質量的要求：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)良產品。所有產品生產完成后均需要通過嚴格的檢測，先用測厚儀、密度分析儀檢測后，再根據檢驗要求逐根(100%)進行水壓試驗，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；一次不能穩(wěn)壓的，加工后經二次振動復壓，所有的殘次品均截留在廠內。

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許多大中型硫酸生產企業(yè)，共計200多套，在用時間最長的已超8年。

4 結束語

針對高溫濃硫酸環(huán)境開發(fā)的鐵素體單相耐蝕合金，在耐腐蝕性上已經全面超越進口的耐酸合金和常用的不銹鋼，而造價不及不銹鋼的一半，結合相應的生產設備和工藝，生產出的產品可以安全使用在硫酸生產中。該材料的使用大大減少耐酸合金的進口量，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[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

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

襄陽高新區(qū)鋁鎂合金項目投產

6月30日，襄陽高新區(qū)11家企業(yè)舉行集體投產儀式，這11家企業(yè)項目總投資74.73億元，全部達產后預計實現產值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，為當地經濟建設提供了重要的資金保持。

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

其中東風襄陽旋壓技術有限公司填補了國內雙面成型板材旋壓、鋁鎂合金旋壓等技術的空白，生產出的產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)引進項目85個，投資415億元，其中69個項目已經正式開工。襄陽高新區(qū)不斷擴大招商引資力度，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21個控虧核心項目的基礎上，審視、梳理各生產流程，針對生產運行中可改善的環(huán)節(jié)迅速展開專項行動。日前，該公司自主研制了翻袋機，不僅將工作效率提高了4倍以上，還可實現每月大袋打料2萬t，預計年可節(jié)資2000余萬元。

罐裝料對運輸工具有特殊要求，且運輸環(huán)節(jié)復雜，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。

4 月末起，該公司轉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的專項行動，運營轉型辦公室負責設計、改進，檢修廠負責制作、調試。經過多次實驗和不斷的改進，目前，翻袋機已實驗成功并交付物配中心投入使用。

該翻袋機為雙翻袋設計，每次可同時翻兩袋料，并實現自動翻袋和連續(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

中信重工機械股份有限公司近日正式發(fā)布其自主研發(fā)、具有獨立知識產權的CHIC1000、CHIC2000系列重載型工業(yè)專用高壓變頻器。業(yè)內專家表示，該系列具有國際領先水平的智能傳動產品的推出，可以讓相關行業(yè)顯著提升節(jié)能效果和智能控制效果，從而助力相關產業(yè)實現安全、節(jié)能、綠色發(fā)展，更有助于促進我國重型裝備轉型升級。

近年來，由于能源緊張及生產工藝等方面的要求，高壓變頻調速已成為礦山企業(yè)等大型生產企業(yè)節(jié)能減排和提升電機系統(tǒng)整體運行效率的不二之選。有檢測數據顯示，使用變頻器的礦井大型提升設備等電機系統(tǒng)節(jié)電率為30%左右，最高可達60%。據了解，山西紫金礦業(yè)是中信重工本次發(fā)布的CHIC1000礦井提升機專用高壓變頻器的首臺套客戶。該公司負責人表示，投用一年來，整機運行穩(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，清華大學教授，工學碩士，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，大學學歷，工程師，主要從事硫酸工藝設計及生產管理。