CN102383082A

CN102383082A - 一种提高还原蒸馏炉使用寿命的方法

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Publication number: CN102383082A
Application number: CN2011103077001A
Authority: CN
Inventors: 高波; 曹辉; 涂赣峰; 李世伟; 尹少华
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2012-03-21

Abstract

本发明公开了一种提高还原蒸馏炉使用寿命的方法，该方法将纯Al或铝基合金通过热浸镀的方法浸镀到还原蒸馏炉的外表面，使用的铝基合金的成分按重量百分比计：Si含量为0～20％、Mo含量为0～3％、Ni含量为0～5％、稀土类元素RE含量为0～0.7％、余量为Al。采用本发明的方法可以提高还原蒸馏炉设备的使用寿命5-8倍，经济效益十分明显。

Description

一种提高还原蒸馏炉使用寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种提高还原蒸馏炉使用寿命的方法。

背景技术

还原蒸馏炉是生产海绵钛的主体设备，一般是由一定厚度的耐热钢板焊接而成。在海绵钛生产过程中，还原蒸馏炉一直处于高温受热状态，特别是炉体的表面，几乎全部暴露在空气当中，和高温氧气及二氧化碳气体接触，极易发生高温氧化腐蚀，其氧化腐蚀速度为常温状态下的数十倍，甚至是数百倍。而且炉体和氧化铁层的膨胀系数各不相同，通常会使氧化铁层产生诸多裂纹，致使其不断剥落，炉体很快变薄，直到失去了足够的强度，不得不更换成新的还原蒸馏炉。事实上，钢铁制品在高温状态下氧化剥落一直是工业生产中经常遇到的一大技术难题。

其实在常温状态下，钢铁材料同样要受到大气腐蚀，所以也要通过采取与空气隔绝的方式进行钢铁制品的表面防护，其中很重要的一种技术就是21世纪发展起来的一种耐蚀性能优良的涂覆工艺，即在钢铁材料的表面进行热浸镀金属或金属合金材料，依靠热浸镀铝这种技术在钢铁材料表面扩散形成的合金层具有抗氧化、耐磨、硬度高以及耐工业介质腐蚀等优点，其中热浸镀铝技术作为一种简单高效的表面处理技术，既可有效提高碳钢的耐腐蚀及抗氧化能力，同时又能保证碳钢的力学性能。因此，热浸镀铝钢板的材料已广泛应用于石油化工和冶金、建筑等领域。

发明内容

本发明利用热浸镀技术，选择一种或多种金属元素，通过热浸镀的方式，将高温耐蚀的金属及其合金材料热浸镀到还原蒸馏炉的表面，以此避免其钢铁材质同高温氧化气体的直接接触，达到减少材料氧化，延长炉体使用寿命的目的。

根据本发明的提高还原蒸馏炉使用寿命的方法，将纯Al或铝基合金通过热浸镀的方法浸镀到还原蒸馏炉的外表面。

根据本发明的实施例，使用的铝基合金的成分按重量百分比计：Si含量为0～20％、Mo含量为0～3％、Ni含量为0～5％、稀土类元素RE含量为0～0.7％、余量为Al。

根据本发明的实施例，所述铝基合金的成分中的稀土类元素RE可以为金属La、金属Ce、La和Ce混合稀土以及金属Nd共4种中的任意一种。

根据本发明的实施例，可以使用如下的热浸镀方法完成还原蒸馏炉外表面的浸镀工艺过程：

(1)碱洗除油：用重量百分比浓度为10～20％、温度为40～80℃的NaOH溶液对焊接好的还原蒸馏炉进行碱洗除油处理；

(2)水洗除碱：用蒸馏水或者自来水清洗经过碱洗除油处理后的炉体表面，清洗掉炉体表面残留的碱液；

(3)酸洗除锈：用重量百分比浓度为5～20％的HCl溶液，清洗水洗除碱后的炉体表面；

(4)水洗除酸：用蒸馏水清洗酸洗除锈后的炉体表面，清洗掉炉体表面残留的酸液；

(5)助镀处理：将除酸后的锅体放入到助镀剂中进行助镀处理；

(6)表面烘干：热浸镀前，需在80～160℃下对于经助镀处理后的还原蒸馏炉进行烘干，烘干时间为2～30分钟；

(7)热浸镀：将经助镀和烘干后的还原蒸馏炉浸入到Al或Al基合金液中热浸镀1～20分钟，热浸镀液的温度为710℃～780℃。

根据本发明的实施例，所述助镀剂可以以水为溶剂，且每升助镀剂中含Na₃AlF₆为0.05～0.42g、含ZnCl₂为30～120g、含NH₄Cl为2～50g、含NaF为0.05～20g。

根据本发明的提高还原蒸馏炉使用寿命的方法可以提高还原蒸馏炉设备的使用寿命5-8倍，经济效益十分明显。

具体实施方式

下面将详细地描述本发明的示例性实施例。

经过反复实验，发明人选择铝元素作为还原蒸馏炉热浸镀的首选金属元素。研究表明，热浸镀铝可显著提高还原蒸馏炉的耐蚀性、高温抗氧化性，因此，热浸镀铝是提高还原蒸馏炉寿命的合适办法。但是，普通的热浸镀铝其镀层中存在较为粗大的针状相，表面则存在较多的氧化物夹杂和气孔等缺陷，这些针状相、夹杂和气孔等缺陷的存在不同程度的影响着还原蒸馏炉的耐蚀性效果。因此发明人进行了在铝液中加入各种合金元素的实验，经分析研究，在热浸镀铝中适度加入Si、Ni、Mo和RE四种元素中的一种或多种，涂镀到还原蒸馏炉表面后能够起到更好的高温抗氧化效果，从而使还原蒸馏炉的使用寿命得到数倍提高。

Si、Ni、Mo和RE四种元素的加入，分别起到如下作用。

Si的作用：

(1)Si是铝合金中最常见的合金元素，Si的加入可以显著降低铝液的黏度，提高其流动性，因此可以降低镀铝合金层的厚度，降低生产成本；

(2)Si的加入可以提高铝合金的强度、耐磨性和高温稳定性，提高合金的机械性能，因此Si的加入可以提高铝合金镀层与还原蒸馏炉的结合强度和抗开裂性能。

Ni的作用：

(1)Ni本身就是耐高温腐蚀的良好材料，常作为不锈钢的合金元素，与Al配合使用会提高铝的抗氧化性能；

(2)Ni的加入可以提高Al液的流动性，降低镀铝层的厚度；

(3)Ni的加入还可以提高镀铝层的光亮度和致密性。

Mo的作用：

(1)提高铝合金镀层的抗高温氧化性能；

(2)提高合金镀层的力学性能。

稀土元素RE的作用：

(1)加入适量的稀土元素RE，可以和铝液中的杂质形成高熔点化合物，净化了铝液，提高了铝液的流动性。在同样的工艺下，铝液更易沿还原蒸馏炉表面流下，从而使镀层中的Al层变薄，降低生产成本。

(2)加入RE后内层中白色针状FeAl₃相逐渐变得短而细小，从而提高镀层的韧性塑性并阻止裂纹的扩展。

(3)添加稀土元素后，可以促进内层合金层的形成，相同条件下会提高中间层的厚度，这对提高镀层的抗高温氧化性是有利的。

(4)RE的加入量会改变中间层的形状，使疏松不连续中间层变得均匀、紧密，改善镀层的质量，防止局部腐蚀。

(5)阻止有害原子扩散。稀土元素作为表面活性物，可在金属表面形成致密均匀的氧化膜，在相当程度上阻止外界杂质原子向合金镀层内部扩散，消除有害杂质对合金的不利影响，减少了由于杂质所引起的镀层缺陷，从而延缓了还原蒸馏炉氧化和腐蚀过程。

由于以上合金元素的综合作用，与纯铝合金镀层相比，热镀Al-Si-Mo-Ni-RE镀层的外观质量和使用寿命都得到了进一步的提高，更加适合于热浸镀还原蒸馏炉。

根据以上试验结果及相关原理，本发明公开了一种适于还原蒸馏炉高温防氧化的铝基多元素热浸合金镀层，该合金镀层中的合金元素有Al、Si、Mo、Ni和RE，合金镀层中按重量百分比计：Si含量为0～20％，Mo含量为0～3％，Ni含量为0～5％，RE含量为0～0.7％，余量为Al；合金中还含有各种原料带入的其他微量元素，因其仅为0.05-0.09％且对于合金的性能不会产生影响，在此忽略不计。这里所说的RE为稀土类元素，可以为金属La、金属Ce、La和Ce混合稀土以及金属Nd共4种中的任意一种。

为了缩短熔炼Al-Si-Mo-Ni-RE合金的时间并减少铝和RE的烧损，一般以使用中间合金材料的方式来获取有关元素，所以熔炼合金需要的原料为：工业铝锭、工业硅、Al-Mo合金(Mo的重量百分含量为8％)、Al-Ni合金(Ni的重量百分含量为5％)、Al-RE合金(稀土元素RE的重量百分含量为15％)，按照实施例1和2中所公布的方法，制作出热浸镀用合金，铸造成母合金备用。

具体的实施方法：

还原蒸馏炉热浸镀Al-Si-Mo-Ni-RE镀层的工艺流程为：钢板焊接制作还原蒸馏炉→碱洗除油→水洗除碱→酸洗除锈→助镀→表面烘干→热浸镀铝合金镀层等多道工序。各工序的工艺参数如下：

(1)碱洗除油：用重量百分比浓度为10～20％、温度为40～80℃的NaOH溶液对焊接好的还原蒸馏炉进行碱洗除油处理，除去还原蒸馏炉在其生产、运输、焊接过程中粘附的油污，为后续的工艺过程创造条件；

(2水洗除碱：用蒸馏水或者自来水清洗经过碱洗除油处理后的炉体表面，清洗掉炉体表面残留的碱液；

(3)酸洗除锈：用重量百分比浓度为5～20％的HCl溶液，清洗水洗除碱后的炉体表面，使炉体钢板表面的铁锈充分溶解；

(5)助镀处理：将除酸后的锅体放入到助镀剂中进行助镀处理；助镀剂以水为溶剂，每升助镀剂中：含Na₃AlF₆为0.05～0.42g、含ZnCl₂为30～120g、含NH₄Cl为2～50g，含NaF为0.05～20g；

(7)热浸镀：热浸镀是将经助镀和烘干后的还原蒸馏炉浸入到Al或Al基合金液中热浸镀1～20分钟，热浸镀液的温度为710℃～780℃。

经过热浸镀后，在锅体的表面形成一层合金层，对锅体表面完成全包覆，形成了均匀的保护膜。

采用本发明公开的还原蒸馏炉热浸镀铝或者铝合金的方法，能够显著提高其使用寿命，这是因为浸镀到还原蒸馏炉表面的热浸镀铝保护层，在高温状态下被氧化成为状态稳定的氧化铝，阻止了氧气对还原蒸馏炉钢铁材料的氧化，从而大幅降低了还原蒸馏炉在使用过程中的高温氧化速度。

发明人经过反复试验验证，尽管还原蒸馏炉经热浸镀层后，可以显著提高还原蒸馏炉的抗高温氧化性能，相比而言，热浸镀铝合金镀层的抗高温氧化性能比纯铝更加出色，可以将其使用寿命提高到原来的5-8倍。

还原蒸馏炉使用寿命的提高，一方面可以大幅降低企业的生产设备成本，另一方面减少了还原蒸馏炉的更换次数，自然提高了设备的连续作业效率，从而提高了劳动生产率，使企业的经济效益有了显著提高。

实施例1

铝合金镀层的具体成分：Si含量为5.00％，Mo含量为1.00％，Ni含量为1.20％，稀土La含量为0.30％，余量为Al。

熔炼合金所需原料的计算方法：以熔炼1000Kg Al-Si-Mo-Ni-La为例，各种原料的用量为：

采用原料：工业铝锭、工业硅、Al-Mo合金(Mo的重量百分含量为8％)、Al-Ni合金(Ni的重量百分含量为5％)、Al-La合金(稀土La的重量百分含量为15％)。

(1)Si的重量： W_Si＝1000Kg×5％＝50Kg；

(2)Al-Mo合金的重量： W_Al-Mo＝1000Kg×1.00％/8％＝125Kg；

(3)Al-Ni合金重量：W_Al-Ni＝1000Kg×1.20％/5％＝240Kg；

(4)Al-La合金重量：W_Al-La＝1000Kg×0.30％/15％＝20Kg；

(5)Al锭的重量： W_Al＝1000Kg-125kg-50kg-240kg-20kg＝565Kg。

Al-Si-Mo-Ni-La母合金的熔炼方法：

(1)将565kg铝锭装入电阻炉内，加热至820℃，保温20分钟。

(2)将50Kg工业硅用石墨钟罩压入到熔化的铝液内，保温30分钟；

(3)根据前述的计算结果，将称好的Al-Mo合金125Kg、Al-Ni合金240Kg、Al-La合金20Kg混合到一起并预热至150℃，然后用石墨钟罩压入到铝硅合金液内，在820℃下保温10分钟，使之各种原料充分熔化；

(4)搅拌均匀、捞渣后浇铸成Al-Si-Mo-Ni-La母合金锭；

还原蒸馏炉热浸镀Al-Si-Mo-Ni-La合金工艺：

(1)碱洗除油：用浓度为15％、温度为65℃的NaOH溶液对焊接好的还原蒸馏炉进行碱洗除油处理，去除钢板生产、运输、焊接过程中粘附的油污，为后续的工艺过程创造条件；

(2)水洗除碱：用蒸馏水(或者自来水)清洗炉体表面，清洗掉炉体表面残留的碱液；

(3)酸洗除锈：用浓度为15％的HCl溶液，清洗炉体表面，使钢板表面的铁锈溶解；

(4)水洗除酸：用蒸馏水清洗炉体表面，清洗掉炉体表面残留的酸液；

(5)助镀处理：使用助镀剂的成分为：Na₃AlF₆的浓度为0.30g/L，ZnCl₂的浓度为50g/L，NH₄Cl的浓度为10g/L，NaF的浓度为3g/L；

(6)表面烘干：经助镀处理后的还原蒸馏炉在进行热浸镀前在120℃下烘干16分钟；

(7)热浸镀：热浸镀是将经助镀和烘干后还原蒸馏炉浸入到Al-Si-Mo-Ni-La的合金液中，在炉体的表面形成一层合金层，对炉体完成全包覆，对炉体形成保护。热浸镀温度：760℃；浸镀时间：12分钟。

抗高温氧化性能检测：实际的工业生产，未进行任何表面处理的还原蒸馏炉的使用寿命约为6炉次，每炉次的时间为3天。而热浸镀Al-Si-Mo-Ni-La镀层之后的还原蒸馏炉的使用寿命为37炉次，每炉次的时间为3天，使用寿命是原来的6倍。

同样为利用G20钢制作的还原蒸馏炉，经观察：未经任何处理的锅体表面，经一个炉次72小时、1000℃高温氧化后，表层被一层黑色的氧化层覆盖，并且氧化层有裂纹，凸凹不平，部分区域还有剥落。而经过热浸镀Al-Si-Mo-Ni-La镀层后的锅体表面，在1000℃温度下连续受热288小时，虽然高温氧化时间提高了3倍，但是热浸镀Al-Si-Mo-Ni-La镀层后的锅体表层被一层致密的氧化铝和其他金属的氧化物所覆盖，并且腐蚀产物没有裂纹和剥落等缺陷，保护性能依然良好，显示出了出色的抗高温氧化性能。

实施例2

铝合金镀层的具体成分：Si含量为3.00％，Mo含量为2.50％，Ni含量为2.5％，稀土Nd含量为0.20％，余量为Al。

熔炼合金所需原料同实施例1相同，各种原料的用量计算以熔炼1000KgAl-Si-Mo-Ni-Nd母合金为例，计算如下：

(1)Al-Mo合金的重量：W_Al-Mo＝1000Kg×2.50％/8％＝312.5Kg；

(2)Si的重量： W_Si＝1000Kg×3％＝30Kg；

(3)Al-Ni合金重量： W_Al-Ni＝1000Kg×2.50％/5％＝500Kg；

(4)Al-Nd合金重量： W_Al-Nd＝1000Kg×0.20％/15％＝13.33Kg；

(5)Al锭的重量： W_Al＝1000Kg-312.5kg-30kg-500kg-13.33kg＝144.17kg。

Al-Si-Mo-Ni-Nd母合金的熔炼方法：

(1)将称好的铝锭144.17kg和Al-Ni合金500Kg装入电阻炉内，加热至820℃，保温20分钟；

(2)将30Kg工业硅用石墨钟罩压入到熔化的铝液内，保温30分钟；

(3)根据前述的计算结果，将称好的Al-Mo合金312.5Kg和Al-Nd合金13.33Kg混合到一起并预热至150℃，然后用石墨钟罩压入到铝硅合金液内，在820℃下保温10分钟，使之各种原料充分熔化；

(4)搅拌均匀、捞渣后浇铸成Al-Si-Mo-Ni-Nd母合金锭。

还原蒸馏炉热浸镀Al-Si-Mo-Ni-RE合金工艺：

(1)碱洗除油：用浓度为15％、温度为65℃的NaOH溶液对焊接好的还原蒸馏炉进行碱洗除油处理，去除钢板生产、运输、焊接过程中粘附的油污；

(2)水洗除碱：用自来水清洗炉体表面，清洗掉炉体表面残留的碱液；

(3)酸洗除锈：用浓度为15％的HCl溶液，清洗炉体表面，使钢板表面的铁锈全部溶解；

(4)水洗除酸：用蒸馏水请洗炉体表面，清洗掉炉体表面残留的酸液；

(5)助镀处理：助镀剂的成分为：Na₃AlF₆的浓度为0.10g/L，ZnCl₂的浓度为80g/L，NH₄Cl的浓度为18g/L，NaF的浓度为5g/L；

(6)表面烘干：经助镀处理后的还原蒸馏炉在进行热浸镀前在110℃下烘干15分钟；

(7)热浸镀：热浸镀是将经助镀和烘干后还原蒸馏炉浸入到Al-Si-Mo-Ni-Nd的合金液中，热浸镀温度为750℃，浸镀时间为8分钟。

经实际工业生产检测，热浸镀Al-Si-Mo-Ni-Nd镀层之后的还原蒸馏炉的使用寿命为51炉次，每炉次的时间为3天，使用寿命提高到原来的8倍以上。

Claims

1.一种提高还原蒸馏炉使用寿命的方法，其特征在于，将纯Al或铝基合金通过热浸镀的方法浸镀到还原蒸馏炉的外表面。

2.根据权利要求1所述的提高还原蒸馏炉使用寿命的方法，其特征在于，使用的铝基合金的成分按重量百分比计：Si含量为0～20％、Mo含量为0～3％、Ni含量为0～5％、稀土类元素RE含量为0～0.7％、余量为Al。

3.根据权利要求2所述的提高还原蒸馏炉使用寿命的方法，其特征在于，所述铝基合金的成分中的稀土类元素RE为金属La、金属Ce、La和Ce混合稀土以及金属Nd共4种中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的提高还原蒸馏炉使用寿命的方法，其特征在于，使用如下的热浸镀方法完成还原蒸馏炉外表面的浸镀工艺过程：

5.根据权利要求4所述的提高还原蒸馏炉使用寿命的方法，其特征在于，所述助镀剂以水为溶剂，且每升助镀剂中含Na₃AlF₆为0.05～0.42g、含ZnCl₂为30～120g、含NH₄Cl为2～50g、含NaF为0.05～20g。