黃可中

南京南化建設(shè)有限公司 江蘇南京 210044

熱浸滲鋁熱硫耐腐蝕性能與滲鋁層孔隙及裂紋研究

黃可中

南京南化建設(shè)有限公司 江蘇南京 210044

選取20#鋼進(jìn)行熱浸滲鋁法滲鋁,通過滲鋁層檢測及腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,得出滲鋁管的耐腐蝕性能與滲鋁層的原始裂紋等級并無關(guān)聯(lián),為工程選取滲鋁管材料提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

碳鋼熱浸滲鋁鋼孔隙裂紋等級腐蝕試驗(yàn)

滲鋁是一種表面滲金屬的熱處理方法,屬于化學(xué)熱處理的范疇［2］。它是通過物理或化學(xué)的方法,在鋼材表面形成一種鐵鋁合金層,使之具有抗高溫氧化性、耐硫化氫腐蝕以及耐環(huán)烷酸腐蝕等優(yōu)良性能。在某些特定的環(huán)境下可以用普通滲鋁鋼材代替不銹鋼,因此具有很重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值［3］。20世紀(jì)30年代,國外開始出現(xiàn)滲鋁這種化學(xué)熱處理工藝。滲鋁鋼的工藝研究和工業(yè)化生產(chǎn)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家(如美國、俄羅斯、日本)發(fā)展很快,應(yīng)用較多。例如包埋滲鋁鋼在日本、科威特、南非、韓國等國家用于加氫脫硫等裝置上,有的用于反應(yīng)器周圍配管,也有用于加熱爐管等［1］。在20世紀(jì)50年代末,我國也開始研究滲鋁工藝［4］。

目前,滲鋁的主要方法有粉末法、熱浸法(亦稱熔劑法)和熱噴涂法三種。相比之下熱浸法操作及設(shè)備簡單,滲層性能優(yōu)良,是目前所有滲鋁方法中最經(jīng)濟(jì)也是最有應(yīng)用前景的工藝方法。熱浸滲鋁已在電力、化肥、石油、冶金、機(jī)械制造等部門的120多個(gè)廠家推廣使用,取得較好使用效果［5］。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼管為20#鋼,成分如表1所示,鋼管試樣直徑為Φ57mm。進(jìn)行熱浸鋁工藝流程,首先進(jìn)行鋼件表面除油→水沖洗→除銹→水沖洗→表面助鍍→水沖洗→烘干→熱浸鋁→擴(kuò)散滲鋁→水沖洗→晾干入庫。隨機(jī)抽取8組管件作為滲鋁層厚度、孔隙及裂紋檢測的試樣。

表1 20#鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗(yàn)

2.1 滲鋁層厚度檢測

在20#鋼熱浸滲鋁過程中,當(dāng)鋁液與鐵接觸時(shí),由于鐵與鋁之間發(fā)生相界面反應(yīng),首先在界面上形成鋁鐵合金層并產(chǎn)生FeAl3相。而后隨著鋁原子向鐵內(nèi)擴(kuò)散,鐵原子也會穿過合金層與熔融鋁反應(yīng),使FeAl3 相層的厚度增加。此時(shí),由于濃度起伏,在表面的FeAl3中出現(xiàn)了濃度相當(dāng)于Fe2Al5 化合物的微區(qū)。當(dāng)熔體中的鋁原子進(jìn)入FeAl3 層繼續(xù)向鐵內(nèi)擴(kuò)散時(shí),則形成Fe2Al5相。這種相變重結(jié)晶從FeAl3 相表面開始,并使Fe2Al5相沿?cái)U(kuò)散方向長大,形成若干晶粒粗大的柱狀晶。由此可見,熱浸滲層的形成是鐵與鋁液相界面反應(yīng)和反應(yīng)擴(kuò)散的結(jié)果［6］。

將選取的8組滲鋁管試樣沿截面方向截開,鑲嵌或用夾具夾持,并進(jìn)行磨拋,用AxioObserver.A1m型蔡司顯微鏡觀察合金層截面形貌,金相照片如圖1所示。檢測內(nèi)外滲鋁層厚度,檢測結(jié)果見表2。

測厚時(shí),在每個(gè)檢測位置取5點(diǎn)讀數(shù)的平均值作為一次測

量值。每個(gè)測量件的三次測量值都符合規(guī)定為合格。檢測標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 18592-2001“鋼鐵制品熱浸鍍鋁技術(shù)條件”。其擴(kuò)散型滲鋁層厚度合格要求為≥0.10mm,所以經(jīng)檢測8組試件滲鋁層厚度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 內(nèi)、外側(cè)熱浸鍍鋁層金相組織照片

表2 滲鋁層厚度檢測結(jié)果

2.2 滲鋁層孔隙及裂紋檢測

鋼管滲鋁后,其機(jī)械力學(xué)性能變化不大。但滲鋁過程中會出現(xiàn)一些原始孔隙裂紋,對8組試樣進(jìn)行原始孔隙和裂紋情況的檢測,金相照片如圖2、3所示。

圖2 內(nèi)側(cè)熱浸鍍鋁層金相組織照片

圖3 外側(cè)熱浸鍍鋁層金相組織照片

孔隙合格級別根據(jù)產(chǎn)品使用條件確定。一般規(guī)定孔隙1-3級合格,4-6級不合格。有孔隙層厚度不得大于熱浸鍍鋁層厚度的四分之三。碳素鋼及低合金鋼擴(kuò)散型熱浸鍍鋁層裂紋級別一般規(guī)定0-3級合格,4-6級不合格。8組試件的孔隙及裂紋評定等級見表3。

根據(jù)測量結(jié)果8組試件孔隙都在合格范圍內(nèi),裂紋檢測其中第4組和第5組裂紋不滿足要求。

表3 滲鋁層孔隙及裂紋檢測結(jié)果

2.3 熱硫腐蝕試驗(yàn)

在化工行業(yè)生產(chǎn)中,尤其是在制酸設(shè)備中,對金屬的耐腐蝕性能要求極高。鋼材經(jīng)過滲鋁處理后,利用鋁的電化學(xué)特性,在金屬表面形成一層穩(wěn)定、致密、無孔和連續(xù)的鋁合金層,可有效阻止腐蝕介質(zhì)侵入,從而達(dá)到防腐蝕的目的［7］。

對滲鋁管的原始裂紋等級對耐腐蝕性的影響做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究,選取5組不同原始裂紋等級的滲鋁管進(jìn)行測試,試驗(yàn)溫度為700℃,試驗(yàn)周期為168h,試驗(yàn)設(shè)備為可控氣氛/真空管式加熱爐(5臺),試樣表面處理過程是采用涂鹽法將試樣表面涂覆煮沸的95%硫酸鈉+ 5%氯化鈉飽和溶液,干燥后在試樣表面均勻沉積出鹽膜(涂鹽量約5mg/cm2),隨后裝入管式爐中進(jìn)行高溫?zé)岣g試驗(yàn)。試驗(yàn)前后試件表面照片如圖4所示。

圖4 驗(yàn)前鋼管(左1、左2)與試驗(yàn)后鋼管(右1、右2)

以目測滲鋁鋼管外表面氧化銹點(diǎn)數(shù)量及分布作為評價(jià)其耐熱腐蝕性能的依據(jù)。其試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 熱浸滲鋁管熱腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

熱硫腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明,在高溫實(shí)驗(yàn)室模擬加速熱硫腐蝕試驗(yàn)條件下,所有樣品表面均出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象,但是腐蝕程度與試件原始裂紋等級并無關(guān)聯(lián),耐腐蝕性能滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)表明,在溫度為700℃、95%硫酸鈉+ 5%氯化鈉飽和溶液的工作環(huán)境中,鋼材滲鋁后的耐腐蝕性能比不滲鋁的提高了近250倍。這說明,滲鋁工藝確能有效的提高鋼材的耐腐蝕性能。

3 結(jié)論

(1)滲鋁管內(nèi)壁合金層略厚于外壁,合金層與基體之間存在呈鋸齒狀的分界線,合金層呈柱狀生長趨勢,沿截面方向,合金層中、含量分布較均勻。

(2)滲鋁管合金層中存在數(shù)量較多、尺寸較大的疏松孔洞,尤其是接近表面處,孔洞中、元素含量無異常。

(3)在溫度為700℃、95%硫酸鈉+ 5%氯化鈉飽和溶液的工作環(huán)境中,鋼材滲鋁后的耐腐蝕性能比不滲鋁的提高了近250倍。

(4)滲鋁管的耐腐蝕性能與試件原始裂紋等級并無關(guān)聯(lián)。選取合格的裂紋等級管材可以滿足工程設(shè)計(jì)要求。

1 盛長松, 李選亭.煉油廠滲鋁鋼技術(shù)的發(fā)展［ J］ .石油化工腐蝕與防護(hù), 2001, 2：1 -4.

2 李忠揚(yáng).鋼的滲鋁［M］ .北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1985.

3 唐超.滲鋁鋼在石油天然氣工業(yè)中的應(yīng)用［J］.石油工程建設(shè),1993, 19 (5)：21-23.

4 陳瑞.滲鋁鋼的耐蝕性能及其在工業(yè)上的應(yīng)用［J］.化工機(jī)械,1991,20 (5)：51-55.

5 郝建堂,張翠蘭,陳冬.我國熔劑法熱浸滲鋁工藝發(fā)展概況［J］.金屬熱處理,1995,(1)：5-5 .

6 丁慶如.碳鋼熱浸滲鋁工藝及應(yīng)用［J］.熱加工工藝,1994,(3)：30-30.

7 丁慶如.滲鋁鋼的性能及在石油化工裝備中的應(yīng)用［J］.石油機(jī)械, 1999, 27(5)：52-54.

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