高温浓硫酸环境中新材料的研发及应用

李家荣， 芮争家， 代金生

(1.昆明市宜良化工设备铸造厂，云南昆明 652100； 2.清华大学，北京 100084)

高温浓硫酸环境中新材料的研发及应用

李家荣1， 芮争家2， 代金生1

(1.昆明市宜良化工设备铸造厂，云南昆明 652100； 2.清华大学，北京 100084)

针对浓硫酸生产过程中存在的高温浓硫酸环境，本着适配、耐用、性价比高的原则，研制开发了铁素体单相耐蚀合金材料，并在多家硫酸生产企业进行了大量的实践，取得了良好的效果和好评。

高温浓硫酸；铁素体单相耐蚀合金；研发；应用

0 前言

在硫酸生产过程中，干燥和吸收是很重要的步骤，在这一过程中采用浓硫酸进行吸收水分或SO3，这两个过程均为放热反应。为节约能源减少热量损失，现在均采用高温硫酸吸收工艺，这对材料的防腐蚀要求就很高，常用的材料316L不锈钢在浓酸中要求温度低于90 ℃，酸浓波动也不能太大。SX钢、Zero合金等虽然可以再100 ℃以上的浓酸中使用，但价格是不锈钢的数倍，使用的范围需要严格控制。

1 新材料的研发

针对这一情况昆明宜良化工设备铸造厂和清华大学、上海材料研究所等专业机构联手，经大量理论研究及多种材料实验开发出铁素体单相耐蚀合金(牌号FD)，该材料需具备以下特点： (1)基体为单相组织；(2) 石墨呈球状；(3)较好焊接性。另外考虑到抗冲刷腐蚀性能的要求，铁素体单相耐蚀合金的抗拉强度大于400 MPa，伸长率为15%以上。而普通合金化铸铁的抗拉强度仅为250～300 MPa，伸长率几乎为零。

1.1 新材料中各种化学元素的作用

(1)碳

铁素体单相耐蚀合金的碳含量定位3.2%～3.5%。碳量高则凝固结晶区间小，对提高铁液流动性、降低应力、增加材质的致密度有利，可预防缩松渗漏的倾向。此外，石墨呈球状，使材料具有较高比例的铁素体组织，焊接性能提高，这些因素有利于提高产品的高耐腐蚀性能。

(2)硅

硅的含量在2.80%～3.20%范围内。硅是促进石墨化元素，硅量高则铁素体量增多，石墨数量增加，对提高耐腐蚀有较好的作用；硅量低会使材料碳当量降低，扩大凝固区间，增大缩松倾向。硅对其力学性能的影响见图1。

图1 硅对其力学性能的影响

(3)锰

锰是阻碍石墨化的元素，但能中和硫的有害作用，适量的锰对提高强度有利。Mn<2.0%时，会降低材料的耐腐蚀性能，但由于锰能促进珠光体形成，容易偏析及粗化晶粒，所以应尽量偏低为宜，故选用Mn:≤0.20%。锰对其力学性能的影响见图2。

图2 锰对其力学性能的影响

(4)磷、硫

磷为有害元素，易偏析，形成二元或三元磷共晶，降低性能，增加脆性。虽然磷在<0.6%时会增加其耐蚀性，但会降低材料的致密性，所以应越低越好。磷对力学性能的影响见图3。

硫是有害元素，在生产中应严格控制，含量高易造成球化不良、夹渣等缺陷。

故应严格控制在：P<0.06%；S≤0.02%。

图3 磷对力学性能的影响

(5)镁

镁是球化元素，其要求的残留含量为0.03%～0.06%。镁量太低则会造成球化不良使产品报废；太高易产生气孔、夹渣、白口、缩松等缺陷。

(6)稀土

稀土(RE)在单相合金中有如下作用：①细化晶粒，改善组织的均匀性。②脱氧除气，减少缩松。③辅助球化和脱硫的作用。适宜的含量为：0.02%～0.05%。

(7)强化孕育元素

在铁素体单相合金生产中，采用由Bi、Ba、Ce、Ca等元素组成高效强化孕育剂，其作用为： ①增加铁素体量的比例，提高耐蚀性。 ②提高断面均匀性，改善力学性能，特别是塑性、韧性。③细化石墨球和共晶团，消除白口。

1.2 化学成份选定

针对硫酸生产工艺条件，并对生产实践中发现的各种问题进行分析研究，对铁素体单相耐蚀合金中各元素含量进行确定，其化学成份见表1。

1.3 金相组织

铁素体单相耐蚀合金分酸器的金相组织见图4，分别为球化级别、石墨大小、基体组织。

2 新材料的耐腐蚀性测试

针对铁素体单相耐蚀合金，昆明宜良化工设备铸造厂进行了多次的不同温度、不同酸浓的耐腐蚀性能测试，根据测出的单位失重(g)计算出的该材料年腐蚀率，结果见表2。

表1 铁素体单相耐蚀合金化学成分表

图4 铁素体单相耐蚀合金分酸器的金相组织

昆明宜良化工设备铸造厂还将该材料和多种不锈钢、多元合金、低铬铸铁等材质进行了同一条件下的耐腐蚀性能比较试验，同时引进了一些相关资料中的数据，结果见表3。

表2 铁素体单相耐蚀合金的腐蚀率 单位：mm/a

注：试验时间为72小时

通过上述试验可知，铁素体单相耐蚀合金的耐腐蚀率较之不锈钢和多元合金、低铬铸铁要高很多。

表3 不同材质的耐腐蚀性能比较试验

实验条件：93%硫酸、100 ℃、72小时；注：有“*”为相关资料报导数据

3 新材料的应用

新材料研发只是第一步，通过先进的设备，严格的工艺将材料加工成设备，并应用于生产中才是最终的目的。

熔炼设备选用3 t、1.5 t感应炉各一套；3.5 t/h熔化炉两套；0.2 t/h实验炉一套。对铁液质量的要求：1)出炉温度控制在1500 ℃左右；2)光谱和金相的在线测定，确保了铁液化学成分及基体组织的合格且稳定；3)P、S的含量控制；4)碳、硅、锰及各种合金元素的氧化、烧损控制；5)非金属夹杂物和气体少。

采用消失模干砂成型、漏模机成型和树脂砂成型工艺，获得没有缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷的优良产品。所有产品生产完成后均需要通过严格的检测，先用测厚仪、密度分析仪检测后，再根据检验要求逐根(100%)进行水压试验，分别加压至3.0 MPa 或1.6 MPa后稳定保压3 min，其间用振动方法检测有无渗漏点；一次不能稳压的，加工后经二次振动复压，所有的残次品均截留在厂内。

采用新材料加工的浓硫酸管式分酸器，已成功用于三环化工、云铜楚雄铜业、广东金泰化工等国内许多大中型硫酸生产企业，共计200多套，在用时间最长的已超8年。

4 结束语

针对高温浓硫酸环境开发的铁素体单相耐蚀合金，在耐腐蚀性上已经全面超越进口的耐酸合金和常用的不锈钢，而造价不及不锈钢的一半，结合相应的生产设备和工艺，生产出的产品可以安全使用在硫酸生产中。该材料的使用大大减少耐酸合金的进口量，降低整个工程的造价，也为今后老厂改造扫除了材料上的障碍。

[1] 芮争家.铸铁合金及其熔炼技术[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2] 杨平安.耐高温浓硫酸腐蚀合金材料[J].磷酸设计，1994,(2).

襄阳高新区铝镁合金项目投产

6月30日，襄阳高新区11家企业举行集体投产仪式，这11家企业项目总投资74.73亿元，全部达产后预计实现产值186.24亿元。此次11个企业将为襄阳高新区发展打开了更好的局面，为当地经济建设提供了重要的资金保持。

这11个企业项目都是投资规模巨大，技术水平较高，未来发展空间广阔的项目。项目类型比较集中，充分利用了产业集群效应，便于政府管理和政策落实。这11个项目中，两个为建筑材料类项目，余下的全部围绕汽车产业配套项目。

其中东风襄阳旋压技术有限公司填补了国内双面成型板材旋压、铝镁合金旋压等技术的空白，生产出的产品均有较高的科技水平和附加价值，具有良好的市场前景。

2014年5月份之前，襄阳高新区引进项目85个，投资415亿元，其中69个项目已经正式开工。襄阳高新区不断扩大招商引资力度，正在全新的发展道路上奋勇前行。

抚顺铝业自制翻袋机节资2000余万元

2014年以来，抚顺铝业有限公司在大力推进21个控亏核心项目的基础上，审视、梳理各生产流程，针对生产运行中可改善的环节迅速展开专项行动。日前，该公司自主研制了翻袋机，不仅将工作效率提高了4倍以上，还可实现每月大袋打料2万t，预计年可节资2000余万元。

罐装料对运输工具有特殊要求，且运输环节复杂，因此采购成本比大袋料每吨高出了100余元，但是由于人工大袋打料速度慢、效率低，此前该公司一直没有形成规模效应。

4 月末起，该公司转型办与检修厂密切配合、通力协作，开展了自主研制翻袋机的专项行动，运营转型办公室负责设计、改进，检修厂负责制作、调试。经过多次实验和不断的改进，目前，翻袋机已实验成功并交付物配中心投入使用。

该翻袋机为双翻袋设计，每次可同时翻两袋料，并实现自动翻袋和连续作业，满足了翻袋打料要求。

中信重工推出重载型工业专用
高压变频器

中信重工机械股份有限公司近日正式发布其自主研发、具有独立知识产权的CHIC1000、CHIC2000系列重载型工业专用高压变频器。业内专家表示，该系列具有国际领先水平的智能传动产品的推出，可以让相关行业显著提升节能效果和智能控制效果，从而助力相关产业实现安全、节能、绿色发展，更有助于促进我国重型装备转型升级。

近年来，由于能源紧张及生产工艺等方面的要求，高压变频调速已成为矿山企业等大型生产企业节能减排和提升电机系统整体运行效率的不二之选。有检测数据显示，使用变频器的矿井大型提升设备等电机系统节电率为30%左右，最高可达60%。据了解，山西紫金矿业是中信重工本次发布的CHIC1000矿井提升机专用高压变频器的首台套客户。该公司负责人表示，投用一年来，整机运行稳定、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

李家荣(1964-)，男，云南昆明人，铸造工程师，北大工商管理学硕士研究生，主要从事特种适用材料研发及管理工作。

芮争家(1944-)，男，上海人，清华大学教授，工学硕士，主要从事金属材料的研发工作。

TQ111

A

1003-8884(2014)04-0043-04

代金生(1956-)，男，云南昆明人，大学学历，工程师，主要从事硫酸工艺设计及生产管理。