化工耐蝕新金屬材料的開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)研究
化工生產(chǎn)進(jìn)入現(xiàn)代化、規(guī)范化行列,化工實際生產(chǎn)中對應(yīng)用材料標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)嚴(yán)格,為滿足此類高要求、高標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)積極研發(fā)新材料,為其生產(chǎn)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(fā)中除沿用傳統(tǒng)工藝技術(shù)外,還選用各類新興材料和技術(shù),增強(qiáng)其自身實際耐腐蝕性?;どa(chǎn)特征為高危性、復(fù)雜性,需結(jié)合未來實際發(fā)展,研發(fā)新金屬材料,選取合理措施增強(qiáng)其耐蝕性,為化工生產(chǎn)提供生產(chǎn)材料,促進(jìn)此類材料應(yīng)用范圍的擴(kuò)展。
一、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(yōu)勢廣泛用于不同領(lǐng)域中,獲取了較好的應(yīng)用成效。我國科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展,工作人員在研發(fā)工藝中,不僅需考量技術(shù)應(yīng)用合理性和時效性,而且需注重其節(jié)能環(huán)保成效。為積極響應(yīng)國家綠色環(huán)保戰(zhàn)略目標(biāo),越來越多的生產(chǎn)單位重視研發(fā)節(jié)能型合金,且在實踐中完善和優(yōu)化,促進(jìn)其面向更大范圍內(nèi)使用。為研發(fā)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(jìn)行了深層次開發(fā)。當(dāng)下相關(guān)研究學(xué)者將研究重點放在Fe-Al-Mn體系,相關(guān)資料數(shù)據(jù)表明,Mn30AL10型鋼作為現(xiàn)下已經(jīng)研發(fā)出的新型化金屬材料,其自身耐蝕性較強(qiáng),實際應(yīng)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(nèi),其實際應(yīng)用成效較好,可替代原有的雙相鋼。以Mo、Nb和Cu為基礎(chǔ)元素,利用其靈活性,實現(xiàn)復(fù)合化處理,具備較為顯著的成效。節(jié)約型鋼可實現(xiàn)節(jié)約資源目標(biāo),成為我國研發(fā)的重點,高耐蝕材料研發(fā)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(fā)更為豐富的耐化工強(qiáng)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(nèi)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(chǎn)生位錯等現(xiàn)象,即便產(chǎn)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(qiáng),機(jī)械強(qiáng)度較高。研發(fā)非晶態(tài)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(xù)對Ni、Fe等合金材料成功研制后,其材料內(nèi)部構(gòu)成實際成分發(fā)生較大變化,顯著增強(qiáng)了實際應(yīng)用成效。具體而言,F(xiàn)e-Al-Mn合金最大限度使用快凝技術(shù),促使其呈現(xiàn)為非晶化的狀態(tài),更增強(qiáng)其耐蝕性能。Al-Fe-B作為高質(zhì)量的材料之一,也獲得了更為普遍的使用,鋁基非晶態(tài)合金也是性價比較高的材料之一,其最為關(guān)鍵的特征是高強(qiáng)度。Al-La-Ni合金材料內(nèi)部含有大量的鋁,采取相應(yīng)措施將其晶化處理后,可有效強(qiáng)化材料內(nèi)部斷裂強(qiáng)度,即便處于較高溫度狀況下也可處于原有斷裂強(qiáng)度范圍內(nèi)。相較于傳統(tǒng)合金,此類材料實際應(yīng)用性能更優(yōu)化,堅韌性和腐蝕性能較為優(yōu)良。
3、鎂合金材料
鎂合金作為制造產(chǎn)業(yè)內(nèi)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(yīng)用范圍較為廣泛,有助于緩解各類資源耗損,減輕能源和環(huán)境的壓力,從減排、節(jié)約等視角出發(fā),耐蝕性鎂合金材料開發(fā)和應(yīng)用十分關(guān)鍵。鎂合金自身耐蝕性的增強(qiáng)可通過兩種方式實現(xiàn),即優(yōu)化其內(nèi)部成分和表面技術(shù),在其表面增設(shè)保護(hù)層,減少外界對其整體的腐蝕作用。當(dāng)下研究增強(qiáng)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(nèi)部抗氧化性能優(yōu)化,凈化合金液,大幅度提升整體耐蝕性能,對其適當(dāng)進(jìn)行一系列處理加工,其耐蝕性還可增強(qiáng)。部分研究將AM60鎂合金內(nèi)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(dāng)加入合金元素,利用其靈活性完成鎂合金微觀結(jié)構(gòu)的變更和調(diào)整,尤其是第二相調(diào)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(nèi)部涵蓋多種工藝,可通過處理控制工藝參數(shù),優(yōu)化和改變鎂合金微觀結(jié)構(gòu),促使其耐蝕性進(jìn)一步強(qiáng)化。據(jù)研究人員實踐操作表明,利用激光溶覆Al-Cu合金,顯著增強(qiáng)AZ91HP鎂合金耐磨性和耐蝕性,發(fā)現(xiàn)其涂層處于Al-Mg基體內(nèi)分布硬質(zhì)相AlCu4和Mg17Al12,涂層形成較為緊密的氧化膜,大幅度增強(qiáng)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(qiáng)度結(jié)合較高,可廣泛進(jìn)行使用。
(4) 熱處理法。鎂合金通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?,可促使其整個組織更具均勻性,增強(qiáng)其耐蝕性,磁場下鎂合金熱處理研究成為人們關(guān)注的焦點,有研究發(fā)現(xiàn)熱處理中作用的磁場可細(xì)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(shù)最為凸顯的優(yōu)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(yīng)的磁場,可控制電沉積過程鍍液傳質(zhì)行為,甚至可影響整個鍍層組織、組織結(jié)構(gòu)取向,為制備其表面耐蝕性材料提供新思路。
二、化工耐蝕新金屬材料的應(yīng)用
1、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(qiáng)烈鈍化傾向的金屬,處于空氣和氧化性或中性水溶液內(nèi)可短周期內(nèi)生成穩(wěn)定的氧化性保護(hù)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(fù),鈦在氧化性、中性介質(zhì)內(nèi)表現(xiàn)為優(yōu)良的耐腐蝕性。由于鈦具備較強(qiáng)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(nèi)含鐵量對部分介質(zhì)內(nèi)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(nèi),促使其局部含鐵量顯著增加,其腐蝕具有不均勻性質(zhì)。隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,此類新金屬材料進(jìn)入人們視野中,普遍用于汽車、電子、航空與化工等領(lǐng)域中。20世紀(jì)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(yè),日本超過90%的鈦材用于民用工業(yè)。航空作為其核心應(yīng)用陣地,鈦零件在多個飛機(jī)構(gòu)件上發(fā)揮關(guān)鍵作用。同時在航海業(yè)的船舶制作中,鈦具有較佳的應(yīng)用成效,近年來海洋油氣勘探與開發(fā)方面鈦發(fā)揮了重要作用,主要用于建造懸浮式生產(chǎn)作業(yè)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(fā)了Ti75、Ti31和Ti631。另外,在能源工業(yè)內(nèi)選用已知鈦可作為發(fā)電裝置冷凝器和熱交換器,用鈦量顯著增加。
2、鋁及鋁合金
鋁及鋁合金不僅具備較佳的導(dǎo)熱性、易成型,而且經(jīng)濟(jì)性十分凸顯,普遍用于航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。首先是民用飛機(jī)的應(yīng)用,每架飛機(jī)需要使用鋁合金鉚釘40~150萬個,據(jù)波音飛機(jī)公司統(tǒng)計,制造各類民用飛機(jī)30余萬架,共用鋁材710萬噸,每架使用鋁均量達(dá)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(gòu)件剛度顯著提升,被視為航天航空最理想的結(jié)構(gòu)材料。其次是在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用,汽車鋁合金材料有3/4為鑄造鋁合金,普遍用于最為關(guān)鍵的發(fā)動機(jī)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(tǒng)和車身部件。泡沫鋁被視為未來具有發(fā)展?jié)摿Φ钠嚥牧希滟|(zhì)量比鋼件更輕,汽車車身構(gòu)件約20%可選用泡沫鋁材制造,也可減少對環(huán)境的污染。
3、鎂及鎂合金
鎂及鎂合金憑借優(yōu)良的物理、機(jī)械加工性能,成為最具開發(fā)前景的材料之一,以及21世紀(jì)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(jié)能和尾氣排放要求愈發(fā)嚴(yán)格,為實現(xiàn)此類目標(biāo),要求汽車制造商需應(yīng)用更多高新技術(shù),生產(chǎn)自重較輕、耗油量較少,滿足環(huán)保需求的汽車。鎂作為實際應(yīng)用中質(zhì)量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,在汽車減重和性能優(yōu)化改善中成為人們重視的關(guān)鍵,各汽車生產(chǎn)廠家將鎂合金制造零件作為核心發(fā)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(fā)展領(lǐng)先的標(biāo)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(yè)對鎂合金大量需求,促進(jìn)鎂合金生產(chǎn)技術(shù)不斷突破,鎂合金實際應(yīng)用成本下降,助力鎂合金在計算機(jī)、儀表儀器領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。近年來電子信息行業(yè)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。
三、化工耐蝕新金屬材料開發(fā)應(yīng)用策略和建議
化工耐蝕新金屬材料的開發(fā)和應(yīng)用十分關(guān)鍵,需充分結(jié)合實際狀況,積極提出相應(yīng)的開發(fā)和應(yīng)用策略,提高其實際應(yīng)用成效。為達(dá)成該使用目標(biāo),應(yīng)精準(zhǔn)掌握未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,提出可行性的開發(fā)和應(yīng)用策略,體現(xiàn)在以下幾方面:
(1)積極研制和創(chuàng)新。開發(fā)和研制化工耐蝕新金屬材料的過程中,相關(guān)工作人員需進(jìn)一步引入并汲取國外先進(jìn)新型技術(shù)手段,加大自主研發(fā)力度,在不斷實踐中完善和創(chuàng)新。
基于我國化工耐蝕新金屬材料整體發(fā)展層面分析,硫酸、尿酸等化學(xué)材料或鈦合金等金屬材料,均是通過學(xué)習(xí)國外研究獲得。具體而言,初期我國引入發(fā)達(dá)國家的合金,其耐蝕性有待提升,對其進(jìn)行優(yōu)化和改造后,才能增強(qiáng)其耐蝕性,擴(kuò)展其實際應(yīng)用范圍。我國科學(xué)技術(shù)高速發(fā)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(jìn)、新型鋼種,系統(tǒng)學(xué)習(xí)各類更為先進(jìn)的工藝技術(shù),如冷熱加工工藝、感應(yīng)焊接技術(shù)等。此外,相關(guān)人員需逐步增強(qiáng)實驗測試水平,結(jié)合實驗結(jié)果進(jìn)行逐步改善和優(yōu)化,做好相關(guān)信息整合分析,創(chuàng)新耐蝕鋼的類別,促進(jìn)我國化工領(lǐng)域不斷向前發(fā)展。
(2)精準(zhǔn)掌握時代發(fā)展趨勢。我國科學(xué)技術(shù)水平提升,專家研發(fā)制作了部分耐蝕性鋼,我國化工生產(chǎn)工藝逐步向高溫等方向發(fā)展。對部分裝置受不同程度的腐蝕,相關(guān)人員應(yīng)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(chǎn)中,會選取Cr2AlMo鋼實現(xiàn)催化吸收,可較好地替代碳鋼,大幅度增強(qiáng)整體抗蝕性。考量其硬度較高,工作人員對其進(jìn)行改良優(yōu)化,減少其碳含量,研發(fā)新的鋼材,增強(qiáng)其實際應(yīng)用操作可靠性及焊接緊密性。我國多個區(qū)域的石化廠常將此類鋼用于熱換器內(nèi),具備較強(qiáng)的抗腐蝕能力。需強(qiáng)調(diào)的是,其他石化設(shè)備廠通過減少鋼內(nèi)實際含碳量的方法,提供去釩處理,聯(lián)合使用稀土脫硫等方式,增強(qiáng)鋼的可焊接能力。從上述實際結(jié)果分析可知,研發(fā)人員對老鋼種內(nèi)部構(gòu)成做好針對性優(yōu)化和改良,逐步做好提煉工作,充分汲取各類老鋼種優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮其實際應(yīng)用價值,最終滿足新時代石化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。據(jù)相關(guān)資料數(shù)據(jù)顯示,我國在研發(fā)初期階段多個冶金單位研發(fā)新型耐蝕材料無法獲取較佳的應(yīng)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(chǎn)中出現(xiàn)各類質(zhì)量、技術(shù)等方面問題,可合理調(diào)整其組分,工作人員選用新型的VOD、AOD等現(xiàn)代化冶煉工藝,進(jìn)一步篩除其中含有的雜質(zhì),獲取新的研究成果。
(3)積極完善耐蝕鋼材材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展,加速研發(fā)進(jìn)程。當(dāng)下我國鋼產(chǎn)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(chǎn)量和水平無法滿足化工產(chǎn)業(yè)客觀要求,需從國外引入不銹鋼,引發(fā)此類問題的原因較多,如國產(chǎn)耐蝕鋼產(chǎn)量、品種無法滿足化工生產(chǎn)實際需求,且成套供應(yīng)方面與實際需求存在較大差距;相較于發(fā)達(dá)國家,國內(nèi)耐蝕鋼生產(chǎn)力及對耐蝕鋼質(zhì)量把控力度不足,部分特殊的耐蝕性合金材料難以達(dá)到技術(shù)要求。為積極突破發(fā)展困境,應(yīng)加速完善耐蝕材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,加大研發(fā)力度,減少鋼材進(jìn)口產(chǎn)量,減少成本,助力該產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。
(4)兼具經(jīng)濟(jì)性和科技含量。為推動化工產(chǎn)業(yè)良好發(fā)展,工作人員需考量經(jīng)濟(jì)效益、科技水平等方面問題,始終遵循節(jié)能綠色的發(fā)展理念,以人與自然和諧發(fā)展為基礎(chǔ),保證各類新金屬材料應(yīng)用最大化。
化工生產(chǎn)企業(yè)選取生產(chǎn)原材料和耐蝕性用材方面要求較為嚴(yán)格,不同生產(chǎn)裝置設(shè)備具有自身的規(guī)范和操作標(biāo)準(zhǔn),相關(guān)人員需做好精準(zhǔn)用材、科學(xué)選材。若無法正確應(yīng)用材料,引發(fā)各類材料使用浪費等狀況,也會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。選擇材料過程中,應(yīng)基于經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)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(jīng)驗分析,相較于不銹鋼耐蝕性低合金鋼自身經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和價值較為凸顯,科學(xué)合理用材過程中,相關(guān)人員可同時選用多種材料替代原有不銹鋼?;诩夹g(shù)層面分析,選用鐵素體或雙相不銹鋼等,增強(qiáng)防應(yīng)力耐腐蝕防破裂的成效。具體應(yīng)用中,操作人員需充分關(guān)注脆性實際轉(zhuǎn)變溫度,選取低錳高鋁不銹鋼做好防點蝕、縫蝕。
四、結(jié)束語
為凸顯化工生產(chǎn)核心競爭優(yōu)勢,滿足化工生產(chǎn)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(fā)和實際應(yīng)用,推動化工產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展。應(yīng)不斷探索和研發(fā)新金屬材料,掌握其特征和規(guī)律,選取可行性較高的方法,增強(qiáng)其耐蝕性,滿足化工等產(chǎn)業(yè)需求,促進(jìn)耐蝕新金屬材料研發(fā)進(jìn)程,獲取可觀的經(jīng)濟(jì)效益,助力我國化工生產(chǎn)水平的提升,也為科技水平的發(fā)展開辟新道路。
五、夢能服務(wù)與支持
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