高溫濃硫酸環境中新材料的研發及應用

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)

高溫濃硫酸環境中新材料的研發及應用

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境，本著適配、耐用、性價比高的原則，研制開發了鐵素體單相耐蝕合金材料，并在多家硫酸生產企業進行了大量的實踐，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；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

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機構聯手，經大量理論研究及多種材料實驗開發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后穩定保壓3 min，其間用振動方法檢測有無滲漏點；一次不能穩壓的，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，已成功用于三環化工、云銅楚雄銅業、廣東金泰化工等國內許多大中型硫酸生產企業，共計200多套，在用時間最長的已超8年。

4 結束語

針對高溫濃硫酸環境開發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).

襄陽高新區鋁鎂合金項目投產

6月30日，襄陽高新區11家企業舉行集體投產儀式，這11家企業項目總投資74.73億元，全部達產后預計實現產值186.24億元。此次11個企業將為襄陽高新區發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個企業項目都是投資規模巨大，技術水平較高，未來發展空間廣闊的項目。項目類型比較集中，充分利用了產業集群效應，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。襄陽高新區不斷擴大招商引資力度，正在全新的發展道路上奮勇前行。

撫順鋁業自制翻袋機節資2000余萬元

2014年以來，撫順鋁業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節迅速展開專項行動。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，預計年可節資2000余萬元。

罐裝料對運輸工具有特殊要求，且運輸環節復雜，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模效應。

4 月末起，該公司轉型辦與檢修廠密切配合、通力協作，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作業，滿足了翻袋打料要求。

中信重工推出重載型工業專用
高壓變頻器

中信重工機械股份有限公司近日正式發布其自主研發、具有獨立知識產權的CHIC1000、CHIC2000系列重載型工業專用高壓變頻器。業內專家表示，該系列具有國際領先水平的智能傳動產品的推出，可以讓相關行業顯著提升節能效果和智能控制效果，從而助力相關產業實現安全、節能、綠色發展，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等大型生產企業節能減排和提升電機系統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節電率為30%左右，最高可達60%。據了解，山西紫金礦業是中信重工本次發布的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。