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  2. 化工耐蝕新金屬材料的開發與應用技術研究
    2023-08-01 17:02:59 作者:腐蝕與防護 來源:腐蝕與防護 分享至:

     

     

     

     

    化工生產進入現代化、規范化行列,化工實際生產中對應用材料標準愈發嚴格,為滿足此類高要求、高標準,應積極研發新材料,為其生產提供保障。新型金屬材料主要是指具有特殊物理性能的新金屬材料,其在研制和開發中除沿用傳統工藝技術外,還選用各類新興材料和技術,增強其自身實際耐腐蝕性。化工生產特征為高危性、復雜性,需結合未來實際發展,研發新金屬材料,選取合理措施增強其耐蝕性,為化工生產提供生產材料,促進此類材料應用范圍的擴展。

     

     


    化工耐蝕新金屬材料的類型



     

     

     

     

     

    1    新型耐蝕合金材料

     

     

    合金作為新興材料,其憑借自身多個優勢廣泛用于不同領域中,獲取了較好的應用成效。我國科學技術高速發展,工作人員在研發工藝中,不僅需考量技術應用合理性和時效性,而且需注重其節能環保成效。為積極響應國家綠色環保戰略目標,越來越多的生產單位重視研發節能型合金,且在實踐中完善和優化,促進其面向更大范圍內使用。

    為研發較少甚至不含有珍稀金屬的合金材料,尤其是針對含有Cr、Ni元素較少的不銹鋼進行了深層次開發。當下相關研究學者將研究重點放在Fe-Al-Mn體系,相關資料數據表明,Mn30AL10型鋼作為現下已經研發出的新型化金屬材料,其自身耐蝕性較強,實際應用價值較高。部分研究顯示,有國家研制出Cr15NiJ5Mo型不銹鋼,此類不銹鋼主要適用于酸性油氣井內,其實際應用成效較好,可替代原有的雙相鋼。以Mo、Nb和Cu為基礎元素,利用其靈活性,實現復合化處理,具備較為顯著的成效。

    節約型鋼可實現節約資源目標,成為我國研發的重點,高耐蝕材料研發和探索的主要方向為高合金化材料,針對不銹鋼較大的市場需求,可研發更為豐富的耐化工強腐蝕的材料。 

     

     

     

     

     

     

     

     

    2非晶鈦合金材料

     

    非晶鈦合金材料是常見的多元合金,其內部組成包含多元化的金屬及類金屬,也被稱為金屬玻璃。非晶鈦合金原子實際排列處于無序化下,很難產生位錯等現象,即便產生成分偏析,對此類材料的影響較小,表明該材料耐蝕性較強,機械強度較高。
    研發非晶態耐蝕合金的前期,實際操作人員選用珍稀金屬作為核心成分,后續對Ni、Fe等合金材料成功研制后,其材料內部構成實際成分發生較大變化,顯著增強了實際應用成效。
    具體而言,Fe-Al-Mn合金最大限度使用快凝技術,促使其呈現為非晶化的狀態,更增強其耐蝕性能。Al-Fe-B作為高質量的材料之一,也獲得了更為普遍的使用,鋁基非晶態合金也是性價比較高的材料之一,其最為關鍵的特征是高強度。Al-La-Ni合金材料內部含有大量的鋁,采取相應措施將其晶化處理后,可有效強化材料內部斷裂強度,即便處于較高溫度狀況下也可處于原有斷裂強度范圍內。相較于傳統合金,此類材料實際應用性能更優化,堅韌性和腐蝕性能較為優良。

     

     

     

     

     

     

     

    3   鎂合金材料

     

    鎂合金作為制造產業內重量最輕的可用金屬材料,其自身性能和特征決定其實際應用范圍較為廣泛,有助于緩解各類資源耗損,減輕能源和環境的壓力,從減排、節約等視角出發,耐蝕性鎂合金材料開發和應用十分關鍵。
    鎂合金自身耐蝕性的增強可通過兩種方式實現,即優化其內部成分和表面技術,在其表面增設保護層,減少外界對其整體的腐蝕作用。當下研究增強鎂合金實際表面耐蝕性的方法較多,具體包括:
    (1) 融入稀土元素,可促使整個鎂合金內部抗氧化性能優化,凈化合金液,大幅度提升整體耐蝕性能,對其適當進行一系列處理加工,其耐蝕性還可增強。部分研究將AM60鎂合金內加入稀土元素,可促使Al元素氧化膜含量,形成新的氧化物膜,促使Mg-Al系合金耐蝕性能提高。通過適當加入合金元素,利用其靈活性完成鎂合金微觀結構的變更和調整,尤其是第二相調控,可大幅度增加鎂合金耐蝕性。
    (2) 激光表面改性。激光表面熔化作為高效的表面處理方法,其內部涵蓋多種工藝,可通過處理控制工藝參數,優化和改變鎂合金微觀結構,促使其耐蝕性進一步強化。據研究人員實踐操作表明,利用激光溶覆Al-Cu合金,顯著增強AZ91HP鎂合金耐磨性和耐蝕性,發現其涂層處于Al-Mg基體內分布硬質相AlCu4和Mg17Al12,涂層形成較為緊密的氧化膜,大幅度增強整個涂層的耐蝕性。
    (3) 物理氣相沉積法。選用PVD過程中可選用兩種方式,促使涂層材料噴出,將其沉積于整個鎂合金表面,兩者相較磁控濺射工藝可確保涂層較為均勻,與基體實際強度結合較高,可廣泛進行使用。
    (4) 熱處理法。鎂合金通過適當的熱處理后,可促使其整個組織更具均勻性,增強其耐蝕性,磁場下鎂合金熱處理研究成為人們關注的焦點,有研究發現熱處理中作用的磁場可細化晶粒,保證第二相析出和成分均勻分布,顯著提高鎂合金的耐蝕性。
    (5) 電沉積法。該技術最為凸顯的優勢是整體操作較為簡易、耗能較低,可處于整個金屬部件表面獲得防腐蝕鍍層,其最為重要的是需制備厚度均勻、緊密的鍍層。多個實踐研究分析,電沉積過程中作用相應的磁場,可控制電沉積過程鍍液傳質行為,甚至可影響整個鍍層組織、組織結構取向,為制備其表面耐蝕性材料提供新思路

     

     

     

    化工耐蝕新金屬材料的應用


     

     

     

     

     

    01   鈦及鈦合金

     

    鈦及鈦合金自身密度較小、耐蝕性較佳,鈦是具備強烈鈍化傾向的金屬,處于空氣和氧化性或中性水溶液內可短周期內生成穩定的氧化性保護膜,即便受多方面因素的干擾促使其膜受損傷,也可自動恢復,鈦在氧化性、中性介質內表現為優良的耐腐蝕性。由于鈦具備較強的鈍化性能,處于多種狀況下與異種金屬接觸時,并不加速腐蝕,可能加速異種腐蝕。鈦內含鐵量對部分介質內耐蝕性能存在一定的干擾,鐵增多的原因多是焊接過程中夾雜部分鐵滲透于焊道內,促使其局部含鐵量顯著增加,其腐蝕具有不均勻性質。

    隨著我國經濟高速發展,此類新金屬材料進入人們視野中,普遍用于汽車、電子、航空與化工等領域中。20世紀80年代,美國航空用鈦占鈦材總用量的74.8%,英國、俄羅斯等國家鈦材也主要用于航空工業,日本超過90%的鈦材用于民用工業。航空作為其核心應用陣地,鈦零件在多個飛機構件上發揮關鍵作用。同時在航海業的船舶制作中,鈦具有較佳的應用成效,近年來海洋油氣勘探與開發方面鈦發揮了重要作用,主要用于建造懸浮式生產作業船。船用緊固件也同樣使用鈦合金,為滿足海洋工程需求,我國開發了Ti75、Ti31和Ti631。另外,在能源工業內選用已知鈦可作為發電裝置冷凝器和熱交換器,用鈦量顯著增加。

     

     

     

     

     

     

     

    02   鋁及鋁合金

     

    鋁及鋁合金不僅具備較佳的導熱性、易成型,而且經濟性十分凸顯,普遍用于航空航天、交通運輸等領域。首先是民用飛機的應用,每架飛機需要使用鋁合金鉚釘40~150萬個,據波音飛機公司統計,制造各類民用飛機30余萬架,共用鋁材710萬噸,每架使用鋁均量達22噸。鋁鋰合金自身具有高比剛度、耐腐蝕性能,替代原有鋁合金可促使整個構件剛度顯著提升,被視為航天航空最理想的結構材料。

    其次是在汽車領域的應用,汽車鋁合金材料有3/4為鑄造鋁合金,普遍用于最為關鍵的發動機部件、傳動部件和底盤行走等零部件,變形鋁合金主要用于熱交換器系統和車身部件。泡沫鋁被視為未來具有發展潛力的汽車材料,其質量比鋼件更輕,汽車車身構件約20%可選用泡沫鋁材制造,也可減少對環境的污染。

     

     

     

     

     

     

     

    03    鎂及鎂合金

     

    鎂及鎂合金憑借優良的物理、機械加工性能,成為最具開發前景的材料之一,以及21世紀的綠色金屬材料,未來鎂將成為需求增長最快的有色金屬。

     

     

     

     

    一方面,各國對汽車節能和尾氣排放要求愈發嚴格,為實現此類目標,要求汽車制造商需應用更多高新技術,生產自重較輕、耗油量較少,滿足環保需求的汽車。鎂作為實際應用中質量最輕的金屬結構材料,在汽車減重和性能優化改善中成為人們重視的關鍵,各汽車生產廠家將鎂合金制造零件作為核心發展方向。在歐美國家中,不同的汽車廠家將選用鎂合金零件作為車輛發展領先的標識,大眾、奧迪等汽車廠商都紛紛選用鎂合金。

     

     

     

    另一方面,汽車行業對鎂合金大量需求,促進鎂合金生產技術不斷突破,鎂合金實際應用成本下降,助力鎂合金在計算機、儀表儀器領域的應用發展。近年來電子信息行業中鎂合金的實際耗損量增加,是拉動全球鎂消耗量增加的核心因素。

     

     


    化工耐蝕新金屬材料開發應用策略和建議



     

     

     

     

     

    化工耐蝕新金屬材料的開發和應用十分關鍵,需充分結合實際狀況,積極提出相應的開發和應用策略,提高其實際應用成效。為達成該使用目標,應精準掌握未來產業發展需求,提出可行性的開發和應用策略,體現在以下幾方面:

     

    (1) 積極研制和創新。開發和研制化工耐蝕新金屬材料的過程中,相關工作人員需進一步引入并汲取國外先進新型技術手段,加大自主研發力度,在不斷實踐中完善和創新。

     

    基于我國化工耐蝕新金屬材料整體發展層面分析,硫酸、尿酸等化學材料或鈦合金等金屬材料,均是通過學習國外研究獲得。具體而言,初期我國引入發達國家的合金,其耐蝕性有待提升,對其進行優化和改造后,才能增強其耐蝕性,擴展其實際應用范圍。我國科學技術高速發展,無法沿用原有單一仿制海外制作材料的方法,需更深層次地分析各類先進、新型鋼種,系統學習各類更為先進的工藝技術,如冷熱加工工藝、感應焊接技術等。此外,相關人員需逐步增強實驗測試水平,結合實驗結果進行逐步改善和優化,做好相關信息整合分析,創新耐蝕鋼的類別,促進我國化工領域不斷向前發展。

     

    (2)精準掌握時代發展趨勢。我國科學技術水平提升,專家研發制作了部分耐蝕性鋼,我國化工生產工藝逐步向高溫等方向發展。對部分裝置受不同程度的腐蝕,相關人員應選取鈦材或其他替代材料,減少實際腐蝕程度。

     

    部分煉油廠生產中,會選取Cr2AlMo鋼實現催化吸收,可較好地替代碳鋼,大幅度增強整體抗蝕性。考量其硬度較高,工作人員對其進行改良優化,減少其碳含量,研發新的鋼材,增強其實際應用操作可靠性及焊接緊密性。我國多個區域的石化廠常將此類鋼用于熱換器內,具備較強的抗腐蝕能力。需強調的是,其他石化設備廠通過減少鋼內實際含碳量的方法,提供去釩處理,聯合使用稀土脫硫等方式,增強鋼的可焊接能力。

     

    從上述實際結果分析可知,研發人員對老鋼種內部構成做好針對性優化和改良,逐步做好提煉工作,充分汲取各類老鋼種優勢的基礎上,充分發揮其實際應用價值,最終滿足新時代石化生產的標準和要求。據相關資料數據顯示,我國在研發初期階段多個冶金單位研發新型耐蝕材料無法獲取較佳的應用成效。18Mo-12Mo鋼被用于多個項目裝置中,受多方面因素的影響,生產中出現各類質量、技術等方面問題,可合理調整其組分,工作人員選用新型的VOD、AOD等現代化冶煉工藝,進一步篩除其中含有的雜質,獲取新的研究成果。

     

    (3)積極完善耐蝕鋼材材料產業發展,加速研發進程。當下我國鋼產量逐步增加,其消耗量也隨之增加,在鋼材大需求背景下,不銹鋼產量和水平無法滿足化工產業客觀要求,需從國外引入不銹鋼,引發此類問題的原因較多,如國產耐蝕鋼產量、品種無法滿足化工生產實際需求,且成套供應方面與實際需求存在較大差距;相較于發達國家,國內耐蝕鋼生產力及對耐蝕鋼質量把控力度不足,部分特殊的耐蝕性合金材料難以達到技術要求。為積極突破發展困境,應加速完善耐蝕材料產業的發展,加大研發力度,減少鋼材進口產量,減少成本,助力該產業穩健發展。

     

     

     

    (4)兼具經濟性和科技含量。為推動化工產業良好發展,工作人員需考量經濟效益、科技水平等方面問題,始終遵循節能綠色的發展理念,以人與自然和諧發展為基礎,保證各類新金屬材料應用最大化。

     

     

     

    化工生產企業選取生產原材料和耐蝕性用材方面要求較為嚴格,不同生產裝置設備具有自身的規范和操作標準,相關人員需做好精準用材、科學選材。若無法正確應用材料,引發各類材料使用浪費等狀況,也會對環境產生嚴重的污染。選擇材料過程中,應基于經濟性、技術性層面做好考量,且從整體宏觀層面做好考量,通過大量實踐經驗分析,相較于不銹鋼耐蝕性低合金鋼自身經濟優勢和價值較為凸顯,科學合理用材過程中,相關人員可同時選用多種材料替代原有不銹鋼。基于技術層面分析,選用鐵素體或雙相不銹鋼等,增強防應力耐腐蝕防破裂的成效。具體應用中,操作人員需充分關注脆性實際轉變溫度,選取低錳高鋁不銹鋼做好防點蝕、縫蝕。

     

     

     



    結束語

     

     

     

    為凸顯化工生產核心競爭優勢,滿足化工生產實際需求,需加大新金屬材料耐蝕性研究,加大此類新金屬材料的研發和實際應用,推動化工產業的良好發展。應不斷探索和研發新金屬材料,掌握其特征和規律,選取可行性較高的方法,增強其耐蝕性,滿足化工等產業需求,促進耐蝕新金屬材料研發進程,獲取可觀的經濟效益,助力我國化工生產水平的提升,也為科技水平的發展開辟新道路。

     

     

     

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