超級(jí)不銹鋼254SMO在氧化鋁冶煉工藝中的耐腐蝕性能研究

崔嬌月

（鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司，浙江寧波 315207)

引言

氧化鋁冶煉工藝中精母液換熱器擬采用高效換熱器，原因在于高效換熱器換熱效率高，沒(méi)有死區(qū)，不容易堵塞，方便清洗；同時(shí)可大大減少清洗次數(shù)，降低清洗成本，板換1～2周清洗一次，高效換熱器可4周清洗一次。高效換熱器內(nèi)部的芯體是不可拆的結(jié)構(gòu)，因此換熱管的選材及其重要。管、殼程介質(zhì)均為鋁酸鈉溶液介質(zhì)，工作溫度為100℃，介質(zhì)中NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，氯離子5000ppm，即介質(zhì)中既有較高濃度的氯離子，又有較高濃度的苛性鈉堿液。這就要求用于氧化鋁冶煉工藝中的相關(guān)設(shè)備具有較好的耐氯離子和高濃度的苛性鈉堿液腐蝕，本文對(duì)選用超級(jí)不銹鋼254SMO進(jìn)行該介質(zhì)中三種不同工況下腐蝕試驗(yàn)，考慮高效換熱器芯體制作時(shí)的最大應(yīng)力，為氧化鋁冶煉工藝中高效換熱器換熱管選材提供應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)依據(jù)。

1 理論依據(jù)

1.1 腐蝕機(jī)理探討

(1)NaOH的腐蝕又稱作“堿脆”，堿脆的腐蝕機(jī)理為應(yīng)力腐蝕。在氫氧化鈉和堿工業(yè)研究的資料表明：所有金屬材料中，銀對(duì)氫氧化鈉的耐蝕性最好，其次是鎳，銀和鎳能耐所有濃度和溫度的氫氧化鈉，直到熔融狀態(tài)（480℃）。金、鉑和多種鎳合金對(duì)各種濃度和溫度的耐蝕性也很好；各種不銹鋼對(duì)40～50%以下的氫氧化鈉可耐至80℃左右，但不耐高濃度高溫度堿液[1]。鉻鎳不銹鋼適用于中等濃度和中等溫度的堿液，如100℃和50%以下的堿液。當(dāng)溫度增高時(shí)，腐蝕性也增大。鎳含量越大，腐蝕率越低。氧化鋁冶煉工藝中，操作溫度100℃，苛性鈉堿液濃度為20%，相關(guān)的腐蝕工況數(shù)據(jù)為空白，因此選擇鉻鎳含量高的超級(jí)奧氏體不銹鋼進(jìn)行相關(guān)工況下釜腐蝕試驗(yàn)研究。

(2)氯離子既會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，也會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕（又稱小孔腐蝕）。引起應(yīng)力腐蝕的三要素為：金屬材料、殘余拉應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)。小孔腐蝕機(jī)理為電化學(xué)腐蝕，在電解質(zhì)溶液中，兩種活性不同的金屬就會(huì)形成電位差，活潑金屬被消耗，形成電化學(xué)腐蝕。下圖為不銹鋼材料不同溫度下應(yīng)力腐蝕以及點(diǎn)蝕的曲線，100℃時(shí)沒(méi)有相關(guān)曲線，因此，我們更有必要進(jìn)行254SMO在100℃，5000ppm氯離子含量下的腐蝕試驗(yàn)研究。

不銹鋼材料不同溫度下應(yīng)力腐蝕以及點(diǎn)蝕曲線

1.2 超級(jí)不銹鋼254SMO的性能

超級(jí)不銹鋼254SMO是一種含高鎳、高鉻、高鉬的全奧氏體組織的不銹鋼，因此也稱之為“超級(jí)奧氏體不銹鋼”。該材料具有較好的耐高溫和耐腐蝕性，尤其在氯化物和還原性酸介質(zhì)中耐腐蝕性好，是普通不銹鋼不可取代的。此外，超級(jí)奧氏體不銹鋼254SMO具有極高的耐點(diǎn)腐蝕、耐縫隙腐蝕性及良好的抗均勻腐蝕性。目前，市場(chǎng)上超級(jí)不銹鋼254SMO材料標(biāo)準(zhǔn)有：ASTM A240（鋼板），牌號(hào)為S31254；ASTM A182（鍛件），牌號(hào)為F44；ASTM A312（換熱管），牌號(hào)為S31254。本文試驗(yàn)選用換熱管，其標(biāo)準(zhǔn)成分及實(shí)測(cè)成分如表1所示。

表1 254SMO的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2 腐蝕試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)工況

為了更好地分析超級(jí)不銹鋼254SMO在氧化鋁工藝中的耐腐蝕性，本文根據(jù)氧化鋁生產(chǎn)工藝流程，設(shè)計(jì)了如下三種試驗(yàn)工況：

工況一：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH水溶液，試驗(yàn)壓力為1.35MPaG，溫度為100℃。

工況二：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的NaCl（相當(dāng)5000ppm氯離子）混合水溶液，試驗(yàn)壓力為1.35MPaG，試驗(yàn)溫度為100℃。

工況三：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%的NaOH水溶液，試驗(yàn)壓力為1.35MPaG，試驗(yàn)溫度為95℃。

2.2 應(yīng)力腐蝕試樣

試驗(yàn)所選換熱管如圖1所示，將其彎曲成高效換熱器換熱管更加苛刻的彎曲狀態(tài)，彎曲后的試樣如圖2～4所示，直接將其放入三種不同工況下試驗(yàn)釜中進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)?？紤]高效換熱器的繞制后，將進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理，故本試驗(yàn)的試樣殘余應(yīng)力遠(yuǎn)大于高效換熱器中的殘余應(yīng)力。

圖1 254SMO換熱管試樣

圖2 工況一試樣

圖3 工況二試樣

圖4 工況三試樣

2.3 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)測(cè)試方法及檢測(cè)設(shè)備

超級(jí)不銹鋼254SMO換熱管應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法參考【ASTM G111-2018《高溫或者高壓環(huán)境下或者高溫高壓下腐蝕試驗(yàn)指南》】進(jìn)行抗苛性鈉應(yīng)力開裂試驗(yàn)，試樣受拉面應(yīng)無(wú)開裂且無(wú)破壞性裂紋。本試驗(yàn)的檢測(cè)設(shè)備主要有：Dino-lite顯微鏡JSZ6（JX13）、數(shù)顯恒溫油浴鍋HH-S、液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)AUM-60W（LX05）。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)2天后開釜檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋。繼續(xù)試驗(yàn)，每隔4天開釜一次進(jìn)行檢查，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，每次開釜觀測(cè)后重新更換溶液（試驗(yàn)壓力1.35MPaG）。連續(xù)經(jīng)過(guò)1個(gè)月的腐蝕周期后，對(duì)3種不同工況下的超級(jí)不銹鋼254SMO換熱管試樣進(jìn)行開釜檢查，10X顯微鏡下觀察結(jié)果均無(wú)裂紋，三種不同工況下的試驗(yàn)在10X顯微鏡下觀測(cè)結(jié)果結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 工況一的3組試驗(yàn)10X顯微鏡下觀測(cè)結(jié)果

圖6 工況二的3組試驗(yàn)10X顯微鏡下觀測(cè)結(jié)果

圖7 試樣在10X顯微鏡下觀測(cè)結(jié)果

由試驗(yàn)可知：(1) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH水溶液，試驗(yàn)壓力為1.35MPaG，試驗(yàn)溫度為100℃時(shí)，超級(jí)不銹鋼254SMO具有良好的耐蝕性能。(2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%NaOH與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的NaCl混合水溶液，試驗(yàn)壓力為1.35MPaG，試驗(yàn)溫度為100℃時(shí)，超級(jí)不銹鋼254SMO具有良好的耐蝕性能。(3) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%的NaOH水溶液，試驗(yàn)壓力為1.35MPaG，試驗(yàn)溫度為95℃時(shí)，超級(jí)不銹鋼254SMO具有良好的耐蝕性能。

3 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了在高濃度氯離子、高濃度NaOH溶液的介質(zhì)中，超級(jí)不銹鋼254SMO在三種不同工況下均具有很好的耐腐蝕性能，適用于氧化鋁冶煉工藝中高效換熱器的選材制造。此外，考慮高效換熱器芯體繞制過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，在采用254SMO換熱管繞制后，可進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理減小或消除因芯體繞制產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。