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1、奥氏体不锈钢工业中的应用介绍September 7, 2010 | tags 不锈钢应用奥氏体不锈钢 | views 67 Comments 0 摘要:本文通过不同介质对生产装置腐蚀防护的要求进行分析,重点介绍不锈钢中使用量最大的奥氏体不锈钢在石油、化学、轻工、食品、医药等行业中的应用。奥氏体不锈钢是不锈钢类中钢种最多、使用量最大的一种(约占整个不锈钢产量的 6570%)。最常用的奥氏体不锈钢是 Fe-Cr-Ni 系合金(即美国的 AISI300 系,与我国钢号对照见表1);Fe-Cr-Ni-Mn 系(即美国 AISI200 系,与我国钢号对照见表2);特殊奥氏体不锈钢(见表3)等三种。表1
2、美国 AISI300 系与我国钢号对照钢号钢号钢号AISI中国AISI中国AISI中国3011Cr17Ni 7304N0Cr18Ni 9N316N0Cr17Ni 12Mo2N3021Cr18Ni 93051Cr10Ni 123170Cr19Ni 13Mo3302B1Cr18Ni 9Si308H0Cr21Ni 10317L00Cr19Ni 13Mo3303Y1Cr18Ni 9308LH00Cr21Ni 103210Cr18Ni 11 Ti303eY1Cr18Ni 9Se309 S0Cr23Ni 133470Cr18Ni 11Nb3040Cr18Ni 9310 S0Cr25Ni 20304L00C
3、r18Ni 113160Cr17Ni 12Mo2304LN00Cr18Ni 10N316L00Cr17Ni 14Mo2表2 美国 AISI200 系与我国钢号对照钢号钢号钢号AISI中国AISI中国AISI中国请预览后下载!2011CrMn6Ni 5N2021Cr18Mn8Ni 5N216L00Cr18Mn8Ni 5Mo3N表3 特殊不锈钢与我国钢号对照钢号钢号国外中国国外中国AISI31700Cr17Ni 14Mo3CARPENTER 20Nb300Cr20Ni 35Mo2Cu3NbSANDVIK2R K6500Cr20Ni 25Mo4. 5CuINCOLOY 82500Cr20Ni 42M
4、o3Cu2UDDEHOLM 904L00Cr20Ni 25Mo4. 5CuHASTELLOY G00Cr22Ni 45Mo6Cu2NbJ ESSOP 70000Cr20Ni 25Mo5HASTELLOY C27600Cr16Mo16W4NiSANiCRO 2800Cr26Ni 35Mo3CuINCONEL 6500Cr22Mo9NbNi奥氏体不锈钢从 1913 年在德国问世后,在随后的 80 多年内,其成分在 18-8(Crl8Ni8)的基础上有以下几方面的重要发展:1. 加 Mo 改善了钢的点蚀和耐缝隙腐蚀性; 2. 降低碳含量或加 Ti 或 Nb、Ta 稳定化元素,减小焊接材料的晶间腐蚀倾
5、向; 3. 加 Ni 和 Cr 改善高温抗氧化性和强度; 4. 加 Ni 改善了抗应力腐蚀性能; 5. 加 S、Se 改善了切削性和构件表面精度。由于奥氏体不锈钢具有全面、良好的综合性能,在工业上获得了广泛的应用。1 在化学工业中的应用1.1 硫酸(H2SO4)硫酸、硫铵及合成纤维等化学工业均以硫酸作为基本原料。因此,其装置广泛地使用不锈钢。低的和中等浓度的硫酸为还原性酸,热浓硫酸为强氧化性酸。因此,硫酸浓度、温度不同,应用的材料也不同。一般说,含 Mo 23% 的不锈钢是用在硫酸中的最低牌号,不含 Mo 的 18-8 型钢仅能用于室温下的某些条件,含 Mo 23% 的不锈钢在 5% 的 H2
6、SO4中可用到 50;含Mo 34% 的不锈钢在 5% H2SO4中则可用到 60;含 Mo 并含 Cu 的不锈钢,较仅含 Mo 的钢使用范围要宽得多。当硫酸中含高价金属离子时,可产生极大的缓蚀作用,扩大一些钢的使用范围;当硫酸中含有 F请预览后下载!-,C1- 等活化离子时,则显著地加速不锈钢腐蚀,从而使一些不锈钢的使用范围变窄。1.2 亚硫酸(H2SO3)含 Mo 不锈钢在亚硫酸中是极耐蚀的。常温的亚硫酸中 18Cr-8Ni 系不锈钢是耐蚀的。但 160、5atm(506.6kPa)以上,上述不锈钢急剧侵蚀,而 316、316L 在 180、10atm(1.013MPa)的亚硫酸中仍有足够
7、的耐蚀性。在 1% 亚硫酸环境中 304、316 在焊后容易引起晶间腐蚀,此时,应选择超低碳不锈钢。1.3 硝酸(HNO3)不锈钢在此氧化性酸中,由于表面生成氧化膜具有极好的耐蚀性。因此,不锈钢在硝酸的制造装置及以硝酸为原料的各种合成化学工业(例如硝铵肥料、火药、丙烯睛等)的装置中被广泛采用。硝酸腐蚀主要是均匀腐蚀或晶间腐蚀,几乎不引起点蚀和应力腐蚀。因此,各种 18-8 型不锈钢均可得到最广泛的应用,如耐浓度 65% 常压下任何温度的硝酸腐蚀,而当浓度 85% 时应选用 00Cr25Ni20Nb 合金,当浓度 85% 和发烟硝酸时,一般只能选用高 Si(4%)不锈钢。1.4 磷酸(H3PO4
8、)磷酸的生产有湿法和热法二种。热法生产的磷酸具有较高的纯度,而湿法生产的磷酸,根据磷矿石的矿源、工业水、硫酸等原料,将含有一定数量的 F-、Cl-、SO42- 等。一般来说 ,在纯磷酸中常用的不锈钢基本上可以解决它的腐蚀问题,例如 18-8 型不锈钢可用于贮藏浓度达 85% 的冷磷酸,而含 Mo 23% 不锈钢的耐蚀性更强 。热法生产磷酸用的装置,采用 18-8、18-12Mo2 即可 。湿法生产磷酸的装置,应根据磷酸溶液中 C1-、F- 等来确定选用材料的 Cr、Mo 含量,一般为高 Cr、高 Mo 材料,常用的材料为 00Cr25Ni5Mo3Cu、00Cr20Ni25Mo4.5Cu、00C
9、r25Ni25Mo5、00Cr26Ni35Mo4Cu、000Cr30Mo2、00Ni56Cr30Mo6W2Cu2、00Ni54Cr38Mo5。1.5 醋酸(HAc)18-8 型不锈钢在纯 HAc 中有着优异的耐蚀性,其中,在 50% HAc 中可用到 80,高于此温度时则可改用 00Cr17Ni14Mo2、00Cr17Ni14Mo3 不锈钢。醋酸生产装 置以及以醋酸为原料的各种合成装置,由于存在其他杂质,例如氯离子、H2SO4、甲酸等,通常的 00Crl7Nil4Mo2、00Crl7Ni14Mo3 不锈钢可能遭受腐蚀,这时应选用 00Cr18Nil8Mo5、00Cr20Ni25Mo4.5Cu、
10、00Cr26Ni35Mo4Cu 或 Ti。请预览后下载!1.6 盐酸(HCl)在盐酸水溶液中,由于 C1- 和 H+ 共同作用破坏了不锈钢的钝化膜,并阻止钝化膜的形成,很容易引起均匀腐蚀、点蚀及应力腐蚀破裂。像 Carpenter20、Werthite 等特殊不锈钢也不能用于盐酸,仅仅可用在很稀的盐酸。1.7 氢氧化钠(NaOH)18-8、18-12-Mo 等 Cr-Ni 奥氏体钢虽然耐碱的性能良好,但是却极易产生苛性应力腐蚀破裂,特别是在中等浓度(4050%)的 NaOH 中更为突出。因此,在 NaOH 工业中 Ni、Monel、Inconel 合金成为主要的材料,而304、304L、316
11、、316L 只用于低浓度的溶液或低温高浓度溶液中。不锈钢阀门网。2 在其他的无机化学工业中的应用2.1 食盐中性 NaCl 溶液中,不锈钢的表面钝化膜很容易被破坏而产生点蚀、应力腐蚀等局部腐蚀,特别是高温水溶液中更容易引起局部腐蚀。食盐制造装置的结构材料主要是非金属。但是,近十几年由于要求提高浓缩结晶过程的效率及食盐制造方法的进步,预热器、浓缩结晶罐等设备多采用铜合金和高 Mo 奥氏体不锈钢,而离子分离器、加压鼓风机、泵等部件可使用 00Cr17Ni14Mo2 不锈钢。不锈钢与铜合金一起使用时,由于铜合金的腐蚀生成 Cu2+,Cu2+ 与 Cl- 一起将促使不锈钢产生点蚀等局部腐蚀,因此这种情
12、况下应采用高 Mo 的奥氏体不锈钢。2.2 氯近年氯乙烯、整体模制塑料等出现,使氯的需要急剧增长。食盐水电解得到的氯气经浓 H2SO4 干燥冷却后得到液态氯。在低温干燥氯气中,一般奥氏体不锈钢是耐蚀的,例如 18-8 可用于 150,00Cr18Ni18Mo5、00Cr18Ni18Mo2Cu2 可用到 250,其腐蚀率 0.05mm/a,温度更高可选用 Ni 基合金。在干氯中材料之所以耐蚀,主要是由于金属表面生成一层致密的氯化物,从而保护金属进一步被腐蚀。在湿氯中表现出优异的耐蚀性的金属材料极少,仅有工业纯 Ti、Hastelley 合金B、C 等。因此,在氯的制造装置中,金属材料的使用范围受
13、到限制。食盐电解槽、干燥塔等用橡胶衬里及玻璃钢衬里,而干燥的液化容器等可用 18-8 系不锈钢。请预览后下载!2.3 氨氨的制造方法,根据其使用的原料分为油气化制造氨装置、水电解制造氨装置、焦炉发生煤气、水发生炉气制造氨装置等。这些装置的材料,部分使用碳钢,部分使用特殊材料,如 18-8 不锈钢,Al、In2conel、Ni、Monel 合金等。不锈钢主要用于热交换器以防水的腐蚀,Inconel、Monel、Ni 用于耐无水氨和氨溶液的腐蚀。304L、347 不锈钢用作合成塔内部构件。3 在石油精炼工业中的应用石油精炼装置的代表设备为常压蒸馏装置、减压蒸馏装置、接触分离装置、接触改质装置、加氢
14、脱硫装置、加氢裂化装置。石油精炼中腐蚀性因素多半是与原油一起带入的,其中主要的为有机硫磺化合物(原油中含 0.015%)与无机盐类(几个 ppm200ppm)。加热时它们分解,可能生成 H2S 和氯化氢等活性物质,此外原油中还含所谓环烷酸等有机酸,含量较多时将引起材料激烈腐蚀,除原油带入腐蚀因素外,为了提高精炼效果,除了用水、氢外,还使用硫酸、苛性碱、氨等。石油精炼装置中不锈钢使用大致存在以下问题:1. 应力腐蚀破裂,穿晶破裂(以氯化物为主),晶间应力腐蚀破裂(以硫化物为主); 2. 点蚀; 3. 晶间腐蚀; 4. 环烷酸腐蚀; 5. 渗碳脆化。因此,根据石油精炼装置不同腐蚀情况选用不同材料。
15、如高温硫化物系统考虑 A1 和 Cr 的抗硫腐蚀及高温强度,使用 Cr5-Mo 以上的材料;高温 H2S-H2 系统使用 13Cr-A1、18-8Ni 钢;高温高压 H2 系统选用 Cr-Mo 钢或堆焊 18Cr-8Ni-Nb 钢;低温 H2S-H2O 系统选用 00Crl8Ni10、00Cr17Ni14Mo2 或蒙乃尔合金衬里,H2S-HCl-H2O 系统选用 00Cr18Ni5Mo3Si 以上的耐点蚀、耐应力腐蚀不锈钢;环烷酸系统,低流速情况下选用 00Cr17Ni14Mo2 即可,高流速情况需进一步研究;低温 CO2 腐蚀系统,一般在 200 左右可使用 00Cr18Ni10;制 H2
16、装置中改质炉反应管、高温钢管以及各种加热炉管的吊架、支架可选用 25Cr-20Ni,Inconel 合金 800 等。请预览后下载!4 在石油化学工业中的应用以炼油厂废气或天然气为原料生产乙烯、丙烯、乙炔等中间产品,然后进一步合成制造聚乙烯、聚苯乙烯、丙酮、丁二烯和各种合成树脂等,因合成以后的工艺与一般化学工业类似,所以此处仅以制造乙烯为例加以说明:此装置中使用的不锈钢有加热分解炉管,因钢管表面温度高达 1000,应选用低碳 Cr25Ni20 钢到高碳 Cr25Ni20(HK40)及 Incoloy800。极低温脱甲烷塔可使用 Cr18-Ni8 或 Ni 钢。制造乙炔时要在 1100 以上进行
17、热分解,所以要使用高牌号合金。而对其他过程,除了要求高温强度外,还要求能耐硫酸、磷酸、氢氟酸、盐酸等的腐蚀,所以使用 00Cr18Ni12Mo2、Inconel600、Incoloy800、Carpenter20、Hastelloy 合金B、C、D 等。5 在造纸和纸浆工业中的应用纸浆生产方法有机械研磨纸浆、半化学纸浆、硝酸法纸浆、亚硫酸法纸浆、牛皮纸浆等。其中以机械研磨纸浆、亚硫酸纸浆、牛皮纸浆为主。近年来,随着树种、蒸煮液组成和温度恶化,逐步采用 0Cr18-Ni10。黑液蒸馏的蒸馏管使用 0Cr18Ni10,黑液回收系统的泵的腐蚀严重,希望选用 Worthite 或 Carpen2ter
18、20。亚硫酸纸浆制造装置比其他方法受到的腐蚀严重,因此,使用 00Cr17Ni14Mo2、00Cr17Nil14Mo3。另外纸浆漂白时,一般不锈钢在湿氯、次氯酸溶液中容易引起点蚀,应采用 Hastelloy 合金C、Hastelloy 合金C-22、Ti 或橡胶、玻璃钢衬里、合成树脂容器。6 在合成树脂工业中的应用合成树脂主要有氯乙烯树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂。氯乙烯树脂有两种生产方法,即乙炔法和乙烯法。其装置材料,一般使用碳素钢,近来不锈钢获得广泛应用,也有用 Ni 和玻璃钢作容器衬里。酚醛树脂,由于制造时使用触媒不同,其性能也不同,一般多为酸性触媒和氯基触媒,其大部分设备使用碳钢,部分设备
19、使用不锈钢、Monel 合金。聚酰胺树脂,其种类较多,目前生产较多的是尼龙 6、66、610、11 等。如尼龙 66,其原料乙二酸的制造装置,如溶解罐及硝酸系统,主要使用 304、347 及 430 不锈钢,其他泵类用橡胶衬里,贮罐用玻璃钢、铅衬里。7 在肥料工业中的应用请预览后下载!7.1 硝铵在硝酸铵制造装置中,中和槽、蒸发器、结晶槽、母液贮槽等主要部分可选用 430、304L、321、317 不锈钢及铝。7.2 硫铵硫铵的制造工艺实际是往中和槽及饱和槽中加入稀硫酸和含 NH3 气体制成硫铵母液,然后再析出硫铵晶体。中和槽操作条件为 110。中和槽、离心机、干燥机等采用 316、316L、
20、304、304L 不锈钢,而稀硫酸罐为钢衬铅,泵为高硅铸铁,管道为衬铅或玻璃钢。7.3 尿素近年来尿素肥料大量使用已成为肥料发展的一个重要方向。尿素的生产是从合成氨工厂所得到的氨和 CO2,在高温高压下反应生成尿素,然后除去过剩的氨和未反应的 CO2、水,经结晶 干燥 融解 造粒,生产出 1mm 左右粒状尿素。其生产设备中腐蚀较严重的是反应器、分离器。当有空气吹入(通气)时可使用 Ti 或 316L 钢。在这种环境中,316L 合金中的铁素体部分发生选择性腐蚀,在焊接金属中由于铁素体含量更多,因而腐蚀成更为严重问题。所以,目前已规定了使用铁素体含量 0.51% 以下尿素级 316L。尿素厂管道可选用瑞典 2RE69。冷凝器、分离器可选用尿素级 316(3R60 尿素级)。汽提塔、分离器可选用 00Cr25Ni22Mo2N(2RE69)。8 在食品工业中的应用食品工业使用的不锈钢要求容易洗涤、清扫、卫生。例如制糖工业,与砂糖接触部分过去用铜、钢、铸铁。但是,铜、钢、铸铁长时间使用表面要生成黑的氧化皮,混入糖液无法分离。另外洗涤时还使用苛性钠、稀硫酸。因此,要求设备具备有良好的耐蚀性。近年来
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