FS_1硫酸用不锈钢及其应用.docx

FS-1硫酸用不锈钢及其应用刘焕安刘晓东(中国科学院金属腐蚀与防护研究所110015)金属腐蚀与防护国家重点实验室摘要根据硫酸的腐蚀特征以及合金设计的基本出发点,力求研究一种在氧化性介质和还原性介质中都能适用的新型不锈钢。分析讨论了FS-1不锈钢的热处理、组织结构、力学性能、耐腐蚀性能和腐蚀电化学行为。结果表明,FS-1不锈钢在稀硫酸和浓硫酸中均具有优良的耐腐蚀性能,用其制造的稀硫酸泵、DSB液下高温浓硫酸泵和搅拌器,经现场试用效果良好。关键词硫酸溶液不锈钢组织结构力学性能耐蚀性能应用0～65%H2SO4,任何温度下都呈还原性;65%～85%H2SO4,低温呈还原性,高温或沸腾时呈氧化性;85%～100%H2SO4,任何温度下都呈氧化性。除了浓度和温度影响硫酸的腐蚀性外,杂质对硫酸腐蚀性的影响也不容忽视〔2〕。一般地说氧化剂可抑制金属的腐蚀。氧化性酸(如硝酸)和氧化性盐(如硫酸铜、硫酸亚铁和六价铬离子等)都能抑制硫酸的腐蚀。还原性物质即使含量甚微,一般都加速金属的腐蚀。以316不锈钢为例,在20℃的20%硫酸中,属于耐蚀级合金,即腐蚀速率011mm/a。而当硫酸中含0102%Cl-,在20℃时只有硫酸浓度5%,316不锈钢才属于耐蚀级合金。由于硫酸的腐蚀过程十分复杂,在进行合金选材和设计时对各种影响腐蚀的因素必须全面综合地考虑。除上述一些影响腐蚀的因素外,流速、固相颗粒、结垢、表面光度等诸多因素也影响腐蚀。同时耐蚀合金设计和选材时尚应考虑成本、制造以及使用厂家的具体情况。所以合金设计与选材是项复杂的综合的技术问题。FS—1不锈钢就是综合了硫酸的腐蚀特点、材料和制造的经济性以及使用的可靠性而研究开发的新型奥氏体沉淀硬化不锈钢。新钢种设计针对的主要问题是:1硫酸腐蚀特征与合金设计基本思想硫酸在国民经济中具有十分广阔的用途,是重要的化工原料和工艺介质。但是硫酸对金属的腐蚀性很强,而且腐蚀过程十分复杂,在工业生产中不仅使设备的使用寿命降低,甚至会造成停产乃至事故。所以,研究硫酸对金属的腐蚀过程和特点,从而采取相应的防护措施意义十分重大。硫酸对金属的腐蚀属于氢去极化腐蚀,反应可用下式表达:Mn++ne(阳极金属溶解)M2H++2eH2↑(阴极析氢反应)可见溶液中的氢离子浓度是金属腐蚀的决定因素。硫酸在水中离解生成氢离子。从离解反应热力学计算可知〔1〕,硫酸在水中的离解度(也可以说氢离子浓度)随浓度而增大。当硫酸浓度达约85%时,离解度达最大值。进一步提高硫酸浓度,离解度急剧减小,非离解的分子态的硫酸迅速增加。由于硫酸在水中离解的这一特点,致使中等浓度的硫酸具有极强的腐蚀性。而极稀的硫酸和浓硫酸的腐蚀性比较起来就弱得多。腐蚀介质一般可分成氧化性和还原性两大类。硝酸是典型的氧化性酸,盐酸是典型的还原性酸。而硫酸则随浓度和温度不同可能呈氧化性,也可能呈还原性〔2〕:设备·材料·19·刘焕安刘晓东FS-1硫酸用不锈钢及其应用a1设计一种新型不锈钢,既适用于还原性介质也适用于氧化性介质,就是说在浓硫酸和稀硫酸中都适用;b1新不锈钢主要应用于制造泵和阀,所以,除应具有较好的强度和塑性外,尚应具有较高的硬度以保证良好的耐冲蚀磨损性能;c1新不锈钢应具有良好的工艺性能,尤其是铸造性能;d1新不锈钢的造价要低,故应尽量采用廉价合金元素。总之,广谱性、应用性、制造性和经济性是新钢种设计的基点。基于上述考虑,合金设计要点如下:金属铬(Cr)是不锈钢获得耐蚀性能的最基本的合金元素。铬热力学不稳定但容易钝化,铬与铁基合金组成固溶体,能把钝化耐蚀的特点带给合金。在氧化性介质中,铬能使钢铁的表面很快生成Cr2O3保护膜,使钢具有耐蚀性,所以提高铬含量有利合金钝化,提高耐蚀性能。但在还原性介质中,Cr2O3保护膜易于破坏,此时增加铬含量,不一定能提高耐蚀性能。如沸腾的50%硫酸,表现出典型的还原性,试验表明钢中含1215%Cr耐蚀性能最好,铬含量过高耐蚀性能反而降低。在还原性介质中,铬应与镍、钼和铜等合金元素配合使用,合金化效果才更明显。如前所述,为使所研究的不锈钢能够适用于氧化和还原两种介质,铬含量可考虑在13%～20%之间。镍(Ni)是热力学不稳定元素,能够钝化,其钝化能力大于铁小于铬。研究发现,对铁—镍合金而言,腐蚀电位随镍含量的增加向正的方向移动。在还原性的硫酸、盐酸以及氧化性的硝酸中耐蚀性能均随镍含量的增加而提高。从腐蚀角度来看,镍对提高在氧化性或还原性介质中的耐蚀性能方面都是十分有效的合金元素。同时镍又是奥氏体形成元素,可改善合金的工艺和机械性能。无论从哪一方面讲提高合金镍含量都是有利的。但是金属镍是贵重元素,大量加入会提高合金的成本。其加入量应全面综合考虑。金属钼(Mo)是不锈钢和各种耐蚀合金常用的合金化元素。钼能促进合金的钝化,使合金表面形成富钼氧化膜