一种用于分酸器的铁素体单相耐蚀合金材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于热浓硫酸分酸器的铁素体单相耐蚀合金材料及其制备方法。材料成分以重量%计为：C3.10%～3.70%，Si2.60%～3.20%，Mn≤0.30%，P＜0.04%，S≤0.02%，Mg残0.03%-0.06%，RE残0.02%～0.05%，Bi、Ba、Ce、Ca微量。本发明制备的铁素体单相耐蚀合金材料，其球化级别率1-3级，基体中铁素体≥98%，无渗碳体。在80℃~120℃、93%浓硫酸中的腐蚀率达到0.0061~0.0092㎜/年，在80℃~120℃、98%浓硫酸中的腐蚀率达到0.0029~0.0074㎜/年，耐腐蚀率为316L不锈钢的数倍，而成本仅为不锈钢的1/3左右。

说明书

技术领域

本发明涉及耐腐蚀材料技术领域，尤其是一种用于热浓硫酸分酸器的铁素体单相耐蚀合金材料及其制备方法。

背景技术

分酸器是浓硫酸生产设备中干吸塔的重要组件，其分酸效果直接影响到气液接触时的干燥、吸收效率。由于干吸塔内腐蚀性气体及干燥、吸收过程中的工况较为复杂，因而有效地控制腐蚀成为了继续研究该产品的重要工作。分酸器用材料目前有三种形式：第一种是无阳极保护的槽式不锈钢分酸器，国内通常采用的是瑞典的Sandvik SX和美国孟莫克公司的ZeCor材料及国产高硅不锈钢，但这几种材料价格非常昂贵，企业都很难承受。第二种是带阳极保护的304L、316L不锈钢，其制作成本相对较低，但由于阳极保护很难全部保护，后期维护费用高。第三种是传统灰铸铁材料，其成本低，自重较重，腐蚀相对高，目前硫酸生产中分酸器大部采用合金铸铁，主要有多元低合金、低铬合金铸铁等，高合金铸铁由于加工性能差、生产成本较高等原因，使其应用受到了很大限制。低铬合金铸铁材料中加入少量Cr、Cu、Mo 、RE等合金元素，促进了灰铸铁中珠光体生成，提高了珠光体的弥散度，并有利于石墨的细化，从而提高了灰铸铁的耐蚀性能。其成本虽低，耐腐蚀性能与不锈钢相差不多，但其自重大，韧性差，在上下及进出浓酸的高压段易出现爆管。而优质不锈钢除价格非常昂贵外，则内含大量的Cr、Ni、Mo元素。由于我国是一个贫铬、镍国家，80%以上铬、镍需要靠进口，近10年来，其价格翻了4-5倍。据这一现实，开发适合我国国情、且满足分酸器工况的低价耐蚀材料，不但可以节约成本，而且可以做到科学、合理利用现有资源，对我国经济可持续的发展具有重要意义。

中国专利CN1403186A公开了一种分酸槽顶部带进料管的合金槽式分酸器，其中分酸器所采用的合金包括含铬的铁合金、含铬的铁镍合金和含铬的镍基合金组成，都是价格较高的材料。

国内外对热浓硫酸分酸器用高耐蚀、低成本的适配耐蚀材料研究、应用也较少，因此，这是一个急需要研发、创新解决的节能减排问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于热浓硫酸分酸器的铁素体单相耐蚀合金材料及其制备方法，它克服了现有浓硫酸（浓度90~99%）分酸器低铬和多元合金铸铁材料中基体为珠光体的多相组织、且耐腐蚀率不高和用不锈钢价格昂贵、耐浓硫酸腐蚀较差等缺点。

本发明的技术方案如下：

一种用于浓硫酸分酸器的耐蚀单相铁素体合金材料，其成分以重量%计为：C 3.10%～3.70%，Si 2.60%～3.20%，Mn≤0.30%，P＜0.04%，S≤0.02%，Mg残0.03%～0.06%，RE残0.02%～0.05%，Bi、Ba、Ce、Ca微量。

其制备方法如下：选用一级铸造生铁74%~86％，废钢14%~26％配料，中频感应炉熔炼控温至1500℃~1600℃，直读光谱仪检测铁水成分达到C 3.25%～3.85%，Si 1.35%～1.80%，Mn≤0.20%，P＜0.04%，S<0.03%；将粒度为8mm~25mm 的5-8稀土镁球化剂放入浇包底部，5-8稀土镁球化剂的加入量为铁水部量的1.2%~2.0% ，用粒度为1.00mm~2.00mm的75硅铁覆盖压实，75硅铁的用量为铁水总量的0.50%~0..95%，再用厚度1.00mm~1.5mm的钢板覆盖，然后从熔炼炉中出2/3铁水到浇包中进行球化处理；球化反应结束后，及时从熔炼炉中出剩余1/3高温铁液到浇包中，并同时随铁水加入粒度为1.00mm~2.00mm的75硅铁孕育剂进行孕育处理，75硅铁孕育剂的加入量为铁水总量的0.50%~0..95%，；出铁水结束后用草灰覆盖搅拌并快速扒渣2-3次；然后浇注，浇注温度为1350℃~1420℃，同时随铁水粒度为0.3mm~1mm的RE-Bi-Ba-Ca复合变质剂进行变质处理，RE-Bi-Ba-Ca复合变质剂的加入量为铁水总量的0.05～0.15%，浇注时间控制在8分钟内，最后进行热处理退火：以100℃/小时的速度升温到860℃~880℃，保温4~8小时，炉冷至550℃出炉空冷。

本发明铁基合金有如下优点或积极效果：

1、本发明材料为一种用于浓硫酸分酸器的单相铁素体耐蚀合金材料。现有浓硫酸分酸器用铸铁材料多为珠光体复相灰铸铁或普通球铁。由于铸铁是多相材料，其中石墨的电极电位+0.37，铁素体的电极电位-0.44，渗碳体居中，三相间会发生复杂的电化学反应，导致腐蚀。同时，粗大的片状石墨能形成大量的相互连通的沟槽，容易使电解质入侵造成晶间腐蚀。因此为了减少电化学腐蚀，希望基体各相电位差越小越好，最好为单相组织，石墨成球状，其耐蚀性比多相组织、片状石墨的铸铁或不锈钢在热浓流酸上的耐蚀性高得多。  

本发明采用3.10%～3.70%的低C含量、2.60%～3.20%的高Si含量、≤0.30%的低Mn，以及微量Bi、Ba、Ce、Ca进行变质，确保材料基体获得≥98%的铁素体单相组织，且具有较好的铸造性能；采用＜0.04%的P、≤0.03%的S确保良好的球化效果、较低的夹渣缺陷；采用0.03%~0.06%的残余Mg、0.02%～0.05%的残余RE以获得最佳的球化效果，提高塑性、韧性。

本发明用于热浓硫酸分酸器的单相铁素体合金材料，其球化率1-3级，基体中铁素体98%以上，无渗碳体；伸长率达到10~15%，硬度达到150~180 HB，拉伸强度≥400 MPa。

2、耐热浓硫酸腐蚀性能较好。

本发明的铁素体单相耐蚀合金材料在90℃~130℃、98%浓硫酸中的腐蚀率达到0.0029~0.0074mm/年，在90℃~130℃、93%浓硫酸中的腐蚀率达到0.0061~0.0092mm/年。在100℃、93%浓硫酸中的耐腐蚀率达到316L不锈钢的7倍、304L不锈钢的8倍、2%Cr的低铬铸铁的4倍。

3、性价比较高，铁素体单相耐蚀合金的成本仅为进口316L不锈钢的1/3左右。

具体实施方式

下面用实施例对本发明做进一步说明。                                                 

实施例1：

一种用于90℃、90%浓硫酸分酸器的铁素体单相耐蚀合金材料，其成分以重量 %计为：C 3.15%，Si 3.18%，Mn 0.15%，P 0.033%，S 0.015%，Mg _残0.04%，RE_残 0.03%，Bi、Ba、Ce、Ca微量。

制备方法如下：选用一级Z22铸造生铁76％，废钢24%配料，中频感应炉熔炼控温至1500℃~1600℃，直读光谱仪检测原铁水成分达到C 3.28~3.32%，Si 1.68%~1.73%，Mn≤0.20%，P≤0.04%，S≤0.03%。将粒度为8mm~25mm 的5-8稀土镁球化剂放入浇包底部，5-8稀土镁球化剂的加入量为铁水部量的1.25％，用粒度为1.00mm~2.00mm的75硅铁覆盖压实，75硅铁的加入量为铁水总量的0.90%，再用厚度1.00mm~1.5mm的钢板覆盖，然后从熔炼炉中出2/3铁水到浇包中进行球化处理；球化反应结束后，及时从熔炼炉中出剩余1/3高温铁液到浇包中，并同时随铁水加入粒度为1.00mm~2.00mm的75硅铁孕育剂进行孕育处理，75硅铁孕育剂的加入量为铁水总量的0.90%；出铁水结束后用草灰覆盖搅拌并快速扒渣2-3次；然后浇注，浇注温度为1350℃~1420℃，同时随铁水加入粒度为0.3mm~1mm的RE-Bi-Ba-Ca复合变质剂进行变质处理，RE-Bi-Ba-Ca复合变质剂加入量为铁水总量的0.05%，浇注时间控制在8分钟内。最后进行热处理退火：以100℃/小时的速度升温到860℃~880℃，保温4~8小时，炉冷至550℃出炉空冷。

上述制备的铁素体单相耐蚀合金材料，其球化率为2级，基体中铁素体近100%，无渗碳体；伸长率达到11%，硬度达到172HB，拉伸强度 456 Mpa。在90℃、90%浓硫酸中的腐蚀率达到0.010㎜/年，成本仅为316L不锈钢的1/3左右。

实施例2：

一种用于110℃、95%浓硫酸分酸器的铁素体单相耐蚀合金材料，其成分以重量 %计为：C 3.30%，Si 3.05%，Mn 0.13%，P 0.030%，S 0.014%，Mg_残 0.05%，RE_残 0.030%，Bi、Ba、Ce、Ca微量。

制备方法如下：选用一级Z22铸造生铁80％，废钢20%配料，中频感应炉熔炼控温至1500℃~1600℃，直读光谱仪检测原铁水成分达到C 3.45%～3.50%，Si 1.55%～1.60%，Mn≤0.20%，P＜0.04%，S<0.03%。将粒度为8mm~25mm 的5-8稀土镁球化剂放入浇包底部，5-8稀土镁球化剂的加入量为铁水部量的1.55％，用粒度为1.00mm~2.00mm的75硅铁覆盖压实，75硅铁的加入量为铁水总量的0.80%，再用厚度1.00mm~1.5mm的钢板覆盖，然后从熔炼炉中出2/3铁水到浇包中进行球化处理；球化反应结束后，及时从熔炼炉中出剩余1/3高温铁液到浇包中，并同时随铁水加入粒度为1.00mm~2.00mm的75硅铁孕育剂进行孕育处理，75硅铁孕育剂的加入量为铁水总量的0.80%；出铁水结束后用草灰覆盖搅拌并快速扒渣2-3次；然后浇注，浇注温度为1350℃~1420℃，同时随铁水加入粒度为0.3mm~1mm的RE-Bi-Ba-Ca复合变质剂进行变质处理，RE-Bi-Ba-Ca复合变质剂加入量为铁水总量的0. 1%，浇注时间控制在8分钟内。最后进行热处理退火：以100℃/小时的速度升温到860℃~880℃，保温4~8小时，炉冷至550℃出炉空冷。

上述制备的铁素体单相耐蚀合金材料，其球化率2-3级，基体中铁素体98%以上，无渗碳体；伸长率达到13%，硬度达到168 HB，拉伸强度 434 Mpa。在110℃、95%浓硫酸中的腐蚀率达到0.0064mm/年。成本仅为316L不锈钢的1/3左右。

实施例3：

一种用于130℃、99%浓硫酸分酸器的铁素体单相耐蚀合金材料，其成分以重量 %计为：C 3.60%，Si 2.65%，Mn 0.11%，P 0.029%，S 0.013%，Mg_残 0.06%，RE_残 0.04%，Bi、Ba、Ce、Ca微量。

制备方法如下：选用一级Z22铸造生铁84％，废钢16％配料，中频感应炉熔炼控温至1500℃~1600℃，直读光谱仪检测原铁水成分达到C 3.73%～3.77%，Si 1.41%～1.45%，Mn≤0.20%，P≤0.04%，S≤0.03%。将粒度为8mm~25mm 的5-8稀土镁球化剂放入浇包底部，5-8稀土镁球化剂的加入量为铁水部量的1.88％，用粒度为1.00mm~2.00mm的75硅铁覆盖压实，75硅铁的加入量为铁水总量的0.55%，再用厚度1.00mm~1.5mm的钢板覆盖，然后从熔炼炉中出2/3铁水到浇包中进行球化处理；球化反应结束后，及时从熔炼炉中出剩余1/3高温铁液到浇包中，并同时随铁水加入粒度为1.00mm~2.00mm的75硅铁孕育剂进行孕育处理，75硅铁孕育剂的加入量为铁水总量的0.55%；出铁水结束后用草灰覆盖搅拌并快速扒渣2-3次；然后浇注，浇注温度为1350℃~1420℃，同时随铁水加入粒度为0.3mm~1mm的RE-Bi-Ba-Ca复合变质剂进行变质处理，RE-Bi-Ba-Ca复合变质剂加入量为铁水总量的0.15%，浇注时间控制在8分钟内。最后进行热处理退火：以100℃/小时的速度升温到860℃~880℃，保温4~8小时，炉冷至550℃出炉空冷。

上述制备的铁素体单相耐蚀合金材料，其球化率1-2级，基体中铁素体98%以上，无渗碳体；伸长率达到15%，硬度达到162 HB，拉伸强度 415 Mpa。在130℃、99%浓硫酸中的腐蚀率达到0.0045mm/年。成本仅为316L不锈钢的1/3左右。

本发明不限于上述实施例。