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耐鹽酸腐蝕的金屬材料
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介紹 近年來(lái)，隨著石油、化工、制藥、清潔能源等行業(yè)的蓬勃發(fā)展，材料和設(shè)備所處的介質(zhì)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)工程材料的耐腐蝕性能提出了更高的要求。在工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常有這樣的情況，即工況中存在鹽酸。當(dāng)鹽酸介質(zhì)中既有空氣又有氧化劑時(shí)，腐蝕條件變得極其惡劣，腐蝕現(xiàn)象更加嚴(yán)重。特別是含有一定量FeCl3(或氯化銅等氧化性鹽)的熱濃鹽酸，腐蝕性極強(qiáng)，成為工業(yè)金屬和合金以及許多非金屬材料無(wú)法填充的材料空白，也就是說(shuō)很難選擇經(jīng)濟(jì)耐用的耐腐蝕材料。 在當(dāng)前推行清潔能源戰(zhàn)略的形勢(shì)下，從電廠粉煤灰中提取氧化鋁已成為熱點(diǎn)。許多大企業(yè)和研究人員在這一領(lǐng)域投入了大量的精力，并取得了一些成果。 因此，本文從鹽酸的腐蝕特性和影響耐鹽酸腐蝕材料選擇的因素出發(fā)，著重探討耐鹽酸腐蝕的金屬材料，以期為鹽酸法粉煤灰提取氧化鋁工藝及其他類似工況提供科學(xué)依據(jù)。 鹽酸的腐蝕特性 鹽酸是典型的非氧化性強(qiáng)酸，可以完全解離成H+和Cl-。大多數(shù)普通金屬材料在鹽酸體系中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的活化腐蝕，隨著鹽酸濃度和溫度的升高，腐蝕速率顯著增加。此外，在鹽酸介質(zhì)中，由于大量高活性氯離子的存在，可破壞金屬材料表面的鈍化膜，引起材料的全面腐蝕，不銹鋼等多種金屬的點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕開裂。一般來(lái)說(shuō)，選擇耐鹽酸的材料比耐硫酸的材料更困難。雖然單從耐蝕性的角度來(lái)看，一些非金屬材料在鹽酸介質(zhì)中比金屬材料具有更好的耐蝕性，但由于金屬材料具有機(jī)械、耐磨、熱穩(wěn)定性等綜合性能，其應(yīng)用要廣泛得多。然而，一些常見(jiàn)的金屬材料由于耐腐蝕性差而無(wú)法使用。只有鈦、鋯和鉭等少數(shù)特殊金屬具有很強(qiáng)的鈍化傾向，而鎳基和鉬基等合金具有很強(qiáng)的熱力學(xué)穩(wěn)定性，可以在鹽酸介質(zhì)中使用。 影響選擇耐鹽酸材料的因素 在石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)中，合理選擇關(guān)鍵設(shè)備的材料是一個(gè)非常重要而復(fù)雜的問(wèn)題，直接關(guān)系到設(shè)備的性能、使用壽命、安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。一般情況下，應(yīng)根據(jù)工作條件(溫度、壓力、應(yīng)力、磨損、特殊材料、壽命等)選擇合適的材料。)和周圍環(huán)境條件(溫度、濕度、污染、酸堿度等)。 影響金屬材料耐鹽酸腐蝕的因素主要分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因取決于選擇的金屬材料，外因主要是材料所處的外部環(huán)境。金屬材料本身對(duì)鹽酸的耐腐蝕性是選材要考慮的主要因素。主要包括材料中的合金元素和雜質(zhì)，材料的表面狀態(tài)，材料的內(nèi)應(yīng)力，材料的工作條件。這些因素中的任何一個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致材料失效。比如添加耐蝕性強(qiáng)的合金元素，可以顯著提高合金的耐鹽酸腐蝕性能，但這并不一定意味著可以無(wú)限添加。根據(jù)塔曼定律，合金元素的添加量存在一個(gè)臨界值，超過(guò)該值后，合金的腐蝕將發(fā)生巨大變化。因此，有必要添加適量的合金元素。雖然決定金屬材料耐鹽酸腐蝕的關(guān)鍵因素在金屬材料本身，但耐鹽酸腐蝕材料的最終選擇往往取決于外界環(huán)境。例如材料的物理性能、機(jī)械性能和制造成形性滿足系統(tǒng)設(shè)備的總體要求、材料的經(jīng)濟(jì)性和供應(yīng)周期的長(zhǎng)度。 當(dāng)然，以上影響選擇耐鹽酸腐蝕材料的因素是相互獨(dú)立的，它們之間是相互影響、相互制約的關(guān)系�？傊�，在選擇耐鹽酸腐蝕的金屬材料時(shí)，要綜合考慮各種影響因素，從系統(tǒng)整體性出發(fā)，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全平衡的角度權(quán)衡各方案的優(yōu)劣，選擇生產(chǎn)適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、環(huán)保的方案。 耐鹽酸腐蝕的金屬材料 從以上可以看出，耐鹽酸材料的選擇是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要綜合考慮多種因素。由于不同的材料在不同的環(huán)境介質(zhì)中會(huì)表現(xiàn)出不同的耐腐蝕性，因此選擇耐酸金屬材料首先要考慮材料所處的腐蝕環(huán)境(如鹽酸濃度、溫度、其他雜質(zhì))。席勒對(duì)耐鹽酸腐蝕材料進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并繪制了耐鹽酸腐蝕材料的選擇圖。圖1顯示了在不同鹽酸濃度和溫度下腐蝕速率為0.05mm/年的等腐蝕線，這通常用作合金選擇的設(shè)計(jì)上限。從圖中可以看出，鹽酸的濃度-溫度狀態(tài)圖分為五個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域適用的溫度和濃度范圍的材料列于表1。值得注意的是，表中所列的各種金屬材料均來(lái)源于大量的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工廠的經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有考慮經(jīng)濟(jì)因素。 圖1.耐鹽酸材料的選擇。 表1.耐鹽酸金屬材料。 表1中所列的材料僅適用于材料處于靜態(tài)或低流速濃鹽酸中的情況。如果鹽酸含有其他雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)顯著改變材料的腐蝕特性，或者酸的高流速會(huì)使材料磨損和腐蝕，則表1中列出的材料可能無(wú)法起到防止鹽酸腐蝕材料的作用。而且我們?cè)谶x材的時(shí)候，還要考慮材料的物理性能、力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性、供貨周期、工作條件等因素進(jìn)行綜合分析比較。 耐鹽酸腐蝕的常用金屬材料介紹及研究進(jìn)展 鎳和鎳基合金 金屬鎳延展性好，硬度中等，通常屬于面心立方晶胞，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。鎳對(duì)非氧化性酸的侵蝕具有良好的抵抗性。此外，鎳是奧氏體穩(wěn)定元素。大量鎳的加入可以顯著提高耐腐蝕合金元素(如鉻、鉬、鐵、銅等)的固溶度)，因而可以形成各種各樣的合金。鎳基合金中添加的鈍化元素可以提高材料的腐蝕點(diǎn)和熱力學(xué)穩(wěn)定性。 在鎳基合金中，哈氏合金是目前公認(rèn)的耐鹽酸腐蝕性能最好的金屬材料之一。 鋯和鋯合金 鋯是周期表中的IV-B族元素，屬于難熔金屬。它具有高熔點(diǎn)、低膨脹系數(shù)、優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的耐腐蝕性能。鋯主要用于核反應(yīng)堆和化工設(shè)備。它非常活躍，可以在相對(duì)較低的溫度下與環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)鋯在加熱過(guò)程中暴露在空氣中時(shí)，其表面會(huì)形成一層致密的氧化膜，使鋯及其合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。鋯及其合金對(duì)大多數(shù)氫鹵酸，尤其是鹽酸、氫溴酸、氫碘酸和次氯酸具有很強(qiáng)的耐腐蝕性。在大氣、沸點(diǎn)或更高溫度下，所有濃度鹽酸的腐蝕速率小于0.13毫米/年。然而，它們昂貴的價(jià)格限制了它們的廣泛使用。 鉭和鉭合金 在鹽酸中耐蝕性最好的材料是鉭和鉭合金，它們?cè)诟鞣N濃度的鹽酸中完全呈惰性，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性。因此，它們可以在鹽酸的環(huán)境中長(zhǎng)期使用。專門的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，鉭在溫度低于190℃、濃度低于25%的鹽酸中的腐蝕速率小于0.025 mm/a。鉭及其合金表面形成非常薄、耐腐蝕且穩(wěn)定的氧化物，因而具有優(yōu)異的耐腐蝕性。但是鉭合金的成本非常昂貴，制造大型設(shè)備不經(jīng)濟(jì)。 鈦和鈦合金 鈦是一種非常活潑的金屬，平衡電位低，在介質(zhì)中極易發(fā)生熱力學(xué)腐蝕。純鈦在5%以上的鹽酸中會(huì)引起腐蝕，但鈦與氧的親和力很強(qiáng)。當(dāng)加入氧化性物質(zhì)時(shí)，如氯化銅、氯化鐵等，可在鈦表面形成致密、惰性的氧化膜，抑制鈦的腐蝕。然而，Ti氧化物膜在濃還原性酸如鹽酸或硫酸中容易失穩(wěn)，這導(dǎo)致質(zhì)量損失率加快。因此，在還原酸性環(huán)境中能提高保護(hù)性氧化膜穩(wěn)定性的合金添加劑是人們所期望的。Nb、Zr和Ni對(duì)Ti的合金化添加可以提高Ti基氧化物的電阻。如果在鈦中加入微量合金元素Pd (0.1%~0.2%)，鈦鈀合金的抗鹽酸腐蝕性能將大大提高。研究表明，鈦鈀合金在208℃時(shí)在5%鹽酸中的腐蝕速率約為0.1 mm / a，在沸點(diǎn)時(shí)，在5%鹽酸中的腐蝕速率約為0.05-0.16 mm/a，是一種很有前途的耐鹽酸腐蝕材料。 觀點(diǎn) 隨著石化等行業(yè)的不斷發(fā)展，設(shè)備必然面臨更高的溫度，更高的鹽酸濃度，鹽酸中更多的固體。鉭材料能更好的服務(wù)于高溫、高濃度鹽酸和高固含量的惡劣環(huán)境。 艾因斯來(lái)發(fā)了一種鉭蒸氣相沉積技術(shù)，即以一種不銹鋼產(chǎn)品作為基體，通過(guò)低溫化學(xué)沉積形成一層金屬鉭，創(chuàng)建一層穩(wěn)定均勻、惰性、耐腐蝕的鉭金屬表面，在整個(gè)沉積過(guò)程中，鉭原子實(shí)際上是成長(zhǎng)在基體表面，所創(chuàng)建的是一種納米級(jí)的“表面合金”。鉭表面合金材料有著與純鉭制品相媲美的優(yōu)良性能，作為一種新型防腐材料，并且具有經(jīng)濟(jì)的價(jià)格和較短的交貨周期。因此應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域有著諸多優(yōu)點(diǎn)。 |
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