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1、石油机械990 517石油机械 CH I NA PET RO LEU M M A CH I NERY 1999年 第5期 No.5 1999渗铝钢的性能及在石油化工装备中的应用丁庆如摘要 低碳2 0 钢经渗铝处理后，钢基体晶粒细化，强度和韧性略有提高，符合 G B6 99-6 5要求。渗铝后在金属表面形成0 . 10 . 3m m 厚、由A l2O3.Fe O 、Fe A l3、Fe2A l5等 多种金属间化合物组成的渗铝层，其结构致密且完全覆盖金属表面，具有良好的抗氧 化性能，使用温度可提高到8 0 0 ；渗铝层还具有耐H2S、SO2、CO2、NH3和海水腐蚀 的性能和优良的耐磨性能。在石油
2、化工装备的应用实践表明，渗铝钢是一种物美价廉 的材料，能取得较大的经济效益。主题词 低碳钢 渗铝钢 性能 应用Ding Qingru(Equipment Research Institute,Luoyang Petrochemical Engineering Company,Luoyang City,Henan Province).Property of aluminized steel and its application in petrochemical industry.CPM,1999,27(5):5254A low-carbon steel is aluminized and it
3、s strength and hardness can be improved to a certain degree. An aluminized layer 0.10.3mm thick of Al2O3.FeO, FeAl3 and Fe2Al5 compounds is formed on the steel surface, which has good oxidation resistance, corrosion resistance and abrasion resistance. With the aluminized layer, the steel can be used
4、 at 800. Application on petrochemical equipment shows that the aluminized steel is a nice material with low price that can bring high financial profits.Subject Concept Terms low-carbon steel aluminized steel property application在石油化工、冶金、航空工业中，有些机械设备需在中高温( 40 0 8 0 0 ) 、强腐蚀 介质( 如H2S、SO3、SO2、CO2、NH3、有
5、机酸等) 和硬质颗粒( 催化剂) 的冲刷磨损条件 下工作。要求材料具备较好的耐磨、耐蚀和抗氧化特性，而符合这些要求的低档次材 料几乎没有，高档次材料因价格昂贵又不宜采用，于是碳钢渗铝材料应运而生，并得 到了广泛的应用1。渗铝钢的性能f i l e : / / / E| / q k / s y j x / s y j x 99/ s y j x 990 5/ 990 517 . h t m （第 17 页）2 0 10 -3-2 3 8 : 30 : 37石油机械990 517所谓渗铝钢是指碳钢母材通过一定的渗铝工艺处理，形成0 . 10 . 3m m 的渗铝表 层。渗铝层具有耐磨、耐蚀和抗氧化
6、性能，可以满足特殊要求，但碳钢母材本身的性 能不变或有所提高。 1. 机械性能 钢材渗铝温度在A C3点以上奥氏体区，一般为10 0 0 左右，由于渗铝后冷却速度不同，母材可能出现各种不同的相变组织。合金钢容易产生相变，引起机械性能变化， 必须对渗铝钢的各项性能指标重新评价，以防机械性能变坏而发生事故，这是非常繁 杂的工作，因此合金钢渗铝到目前为止应用不广。 低碳钢( C0 . 2 5%) 渗铝后不会产生相变，只有晶粒大小的变化，若渗铝工艺恰 当，晶粒变细小，可提高强度和韧性，故应用最广。以2 0 号钢渗铝为例，渗铝后空冷 速度较快，晶粒细化，由原来的56 级上升到7 8 级，强度和韧性都有所
7、提高；炉冷 速度较慢，晶粒变粗为45级，机械性能有所下降，但仍符合G B6 99-6 5要求，不会影 响使用( 见表1) 。表1 2 0 钢渗铝前后的机械性能比较性 能b( M Pa )s( M Pa )( %)( %) 晶粒度( 级)渗铝后空冷 42 0 48 0 2 6 0 30 0 2 2 2 3 546 07 8渗铝后炉冷36 02 302 14545未渗铝42 02 502 050562 . 抗氧化性能 同一母材钢种，渗铝后比不渗铝抗氧化性能一般有较大幅度提高。例如2 0 钢的使 用温度为50 0 ，渗铝后使用温度可提高到8 0 0 ；1Cr 18 Ni 9T i 不锈钢使用温度为
8、8 0 0 ，渗铝后可提高到10 0 0 12 0 0 。2 0 钢渗铝后在90 0 保温10 h ，抗氧化能力提高 153倍，如图1所示。图1 2 0 号钢抗氧化性能试验曲线f i l e : / / / E| / q k / s y j x / s y j x 99/ s y j x 990 5/ 990 517 . h t m （第 2 7 页）2 0 10 -3-2 3 8 : 30 : 37石油机械990 5173. 耐腐蚀性能 碳钢渗铝后，渗铝层从外向内铝含量不断下降，依次形成的化合物为A l2O3.Fe O Fe A l3Fe2A l5Fe A l2Fe A l Fe3A l (
9、 见表2 ) ，耐腐蚀性能极优。图2 是渗铝碳钢在 SO2、SO3气体中的腐蚀曲线，表3是渗铝钢在H2S介质中的腐蚀结果。表2 Fe -A l 化合物的含铝量化合物Fe A l3Fe2A l5Fe A l2Fe A lFe3A l分子量1372 471108 3195含A l 量( %) 5955493314图2 渗铝碳钢在SO3、SO2气体中的腐蚀曲线表3 渗铝钢在H2S介质中的腐蚀钢材试验条件腐蚀率( m g / m2.h )耐蚀指数2 0 钢渗铝6 0 %H2S0 . 0 0 152 92 0 钢0 . 0 4312 0 钢渗铝10 %H2S0 . 0 2 52 902 0 钢7 . 2
10、 31f i l e : / / / E| / q k / s y j x / s y j x 99/ s y j x 990 5/ 990 517 . h t m （第 37 页）2 0 10 -3-2 3 8 : 30 : 37石油机械990 517渗铝钢有较好的抗氯离子腐蚀性能，作为耐海水腐蚀的材料是较优越的，图3是 Q 2 35钢渗铝前后海水腐蚀试验结果。图3 Q 2 35钢渗铝前后海水腐蚀结果4. 耐磨性能 把2 0 钢、渗铝2 0 钢和马氏体钢Cr 8 Cu M o 放在腐蚀磨损试验机上作对比试验，发现 渗铝的2 0 钢耐磨性是未渗铝的7 . 5倍，是马氏体钢Cr 8 Cu M o
11、 的1. 5倍，试验结果见表4。 渗铝层的Fe -A l 化合物极硬，6 0 H RC，图4为2 0 钢渗铝层的硬度分布曲线。表4 几种钢材的磨损试验结果钢 材硬度 ( H V)磨损条件磨损失重 ( g )耐磨指数2 0 钢150磨料为10 50 目石英砂； 介质为自来水，室温；在 转速为18 0 r / m i n 湿磨机磨 2 4h1. 0 38 41渗铝2 0 钢90 00 . 13907 . 5Cr 8 Cu M o8 0 00 . 2 0 415. 1注：试样尺寸为50 m m 2 0 m m 3m m 。f i l e : / / / E| / q k / s y j x / s
12、y j x 99/ s y j x 990 5/ 990 517 . h t m （第 47 页）2 0 10 -3-2 3 8 : 30 : 37石油机械990 517图4 2 0 钢渗铝层硬度分布曲线抗氧化耐磨耐蚀机理钢材抗氧化能力取决于表面氧化膜的保护作用，根据Pi l l i n g -Be d w o r t h 原理2 式中 毕彼值( PB值) ； V1生成氧化物体积； V2膜中消耗金属体积； M金属氧化物质量； d消耗金属的密度； m消耗金属的质量； D生成氧化物密度。 当1时，则V1V2，生成的氧化膜不能完全覆盖整个金属表面，氧化物无保护作用，金属连续进行氧化，氧化的微分方程为
13、d y/d t=k式中 y氧化物的量； t时间； k常数。 积分后：y=k t( 直线关系) 。 当1时，则V1V2，氧化物完全能覆盖金属表面，保护作用有以下两种情况： ( 1) 氧化膜密度小，膜层疏松不致密，铁和氧的原子或离子可在膜中渗透和扩散， 氧化仍可进行。微分方程为d y / d t = k / y ，积分后为y2= k t ( 抛物线关系) ，铁在高温下属此 类。 ( 2 ) 渗铝钢高温氧化时，生成尖晶石结构的A l2O3.Fe O 化合物，这种结构堆垛密度大，无空位，无缺陷，其它元素的原子不易扩散进去，与空气中的氧隔绝，不能继续 氧化。微分方程为d y/d t=k ea y，积分后
14、为ea y=k t( 指数关系) ，式中k 、a 为常数，e= 2 . 7 3( 自 然对数底) 。一旦保护膜生成，延长时间也很难氧化，见图5。f i l e : / / / E| / q k / s y j x / s y j x 99/ s y j x 990 5/ 990 517 . h t m （第 57 页）2 0 10 -3-2 3 8 : 30 : 37石油机械990 517图5 三种氧化膜在高温下氧化量与时间关系高密度的A l2O3.Fe O 化合物不但阻止氧化，而且也阻止腐蚀，腐蚀介质的原子不能与铁原子接触，不能发生化学腐蚀。 另外，钢铁渗铝层是Fe -A l 金属间化合物，
15、此类化合物硬度很高，相当于马氏体钢 硬度，所以耐磨性很好。渗铝钢的应用由于渗铝钢具有耐磨耐蚀抗氧化特性，在工业上应用十分广泛。如炼油厂减压蒸 馏装置，高温部位受环烷酸和硫的腐蚀，过去使用2 0 钢炉管弯头，腐蚀率为0 . 15 0 . 95m m / a ，采用2 0 钢渗铝弯头腐蚀率下降到0 . 0 5m m / a 以下。又如炼油厂干式减压塔内 矩鞍型填料环，分别采用渗铝2 0 钢和l Cr 13、l Cr 18 Ni 9T i 不锈钢制造，生产试用346 天结 果表明，碳钢渗铝环的耐蚀耐磨性是I Cr 13钢的4倍，是1Cr 18 Ni 9T i 钢的3. 5倍。抚顺碳黑 厂高温预热器进
16、口温度2 0 0 ，出口温度50 0 ，烟气中有N2、CO2、CO 、H2、NH4， 产品为50 0 0 t / a 碳黑。原用2 0 钢制造运行8 个月报废，后改用渗铝2 0 钢，使用2 年仍正常 运行。生产硫磺的热交换器，在2 56 450 的40 %H2S的腐蚀下，采用渗铝2 0 钢使用2 年无明显腐蚀3。大连石化公司用渗铝2 0 钢管制造海水进出管道，耐腐蚀性能远远好 于2 0 钢。结 束 语渗铝钢具有优良的耐磨、耐蚀、抗氧化特性。在高温时抗氧化性能优于不锈钢； 耐磨性能相当于马氏体钢；在H2S、SO2、CO2、NH3、CO 和有机酸介质中，有良好的 耐腐蚀性能。渗铝钢是一种物美价廉的材料，它的应用已经取得了较大的经济效益。丁庆如, 高级工程师, 生于1938 年, 196 5年毕业于清华大学金属材料专业, 多年来从事金属 材料腐蚀、磨损及防护的研究工作。地址: (
