耐碱蚀性能的试验结果与铸铁材质关系分析

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：如果碱液浓度超过80%，则普通的铁碳合金将受到严重的腐蚀。试验结果表明：耐电化学腐蚀性能高低的排序为：5-2、1-2、3-2、1-1，即镍铬合金灰铸铁的耐电化学腐蚀性最好，其次是稀土灰铸铁和锡铜合金灰铸铁，普通灰铸铁最差。

氯碱工业是现代化学工业中主要的基础工业，烧碱是其基本化工原料之一。随着石油、塑料、人造纤维及造纸等工业的发展，对烧碱的需求量不断扩大，导致生产烧碱的主要设备——固碱锅的用量不断增加。

碱锅的需求量很大，其使用寿命又较短，因此，研究如何提高铸铁的耐碱蚀性能具有重要意义。

一、概况

铸铁的基体组织和石墨特征对耐蚀性能有着很大的影响，最好是致密、均匀的单相组织，即奥氏体或铁素体。在其他条件相同的情况下，铁素体基体的耐蚀性比珠光体好。碳的存在形式，则以碳化物状态最为有利。石墨的大小及数量有着相互矛盾的影响，中等大小而又不连贯的石墨对耐蚀性较为有利。至于石墨的形状，则最好是球状或团絮状。

要提高铸铁的耐蚀性能，主要靠加入合金元素来实现，以改善结晶组织、石墨特征及形成良好的保护膜等。合金元素中，镍能提高铸铁的热力学稳定性，并能促使腐蚀电位正向移动。镍是容易钝化的金属，将促使铸铁钝化。加入少量的镍，就能在细化珠光体的同时，促进铸铁表面生成粘附牢固、致密的保护膜，从而可提高铸铁的耐蚀性。在电解法或苛化法制碱中，铸铁的腐蚀率随着含镍量的增加而降低。铬也是容易钝化的金属，可在氧化性介质表面形成牢固而致密的氧化膜。在铸铁中加入少量的铬，就能提高其耐蚀性。

镍资源比较丰富的国家采用低合金镍铬铸铁[w（Ni）=0.8%～1.0%，w（Cr）=0.6%～0.8%]生产大型固碱锅。我国在20世纪50年代末期，也曾采用过这种铸铁生产碱锅。由于我国的镍资源缺乏，这种铸铁的成本太高，而碱锅的使用寿命也并不是很长，故后来改用普通灰铸铁，其化学成分为：w（C）=2.8%～3.4%，w（Si）=1.4%～2.0%，w（Mn）=0.5%～0.9%，w（P）≤0.30%，w（S）≤0.12%。这种铸铁的耐碱蚀性能较差，制成的固碱锅的使用寿命较短。

二、耐碱蚀铸铁化学成分的选择

常温下的低浓度碱液可以使铁碳合金表面生成钝化膜，所以一般采用铁碳合金作为制碱设备，而无需采取特殊的防腐蚀措施，这也正是对碱蚀的研究不够的原因之一。当碱液的浓度高于30%时，钝化膜的保护性能随碱液浓度的升高而降低。如果碱液浓度超过80%，则普通的铁碳合金将受到严重的腐蚀。

根据大型固碱锅的结构特点及使用条件，结合我国的资源优势，不采用贵重稀缺的合金元素，而仅添加微量的稀土合金，便可改善铸铁的结晶组织与性能，且成本较低，可以满足生产需要。

加入微量稀土合金的主要优点是：起变质作用，改变石墨形态，使普通铸铁中的粗大石墨变成厚片状石墨等；起精炼作用，可脱气、脱硫和去除夹杂物等，从而提高铁液的纯净度；起合金化作用，使铁的晶格结构发生变化，并使结晶核心增加，细化晶粒；改善铸造性能，如提高铸铁的流动性，减少铸造缺陷等。因此，稀土合金可显著提高铸铁的力学性能及耐蚀性等。

早在1988年，国内工厂与高等院校共同努力，对稀土灰铸铁碱锅进行了一年多的试验研究，取得了很好的成果。在试验研究中，对11种不同的灰铸铁进行比较，其化学成分及力学性能见表9-1。其中，稀土灰铸铁（试样编号为1-2）具有较好的力学性能。其金相组织为A型片状石墨，珠光体基体加少量的铁素体和磷共晶体，如图9-2所示。

表9-1 11种合金铸铁的化学成分及力学性能

图9-2 耐碱蚀稀土灰铸铁的金相组织

a）石墨形态（×100） b）珠光体基体加少量铁素体和磷共晶体（×400）

三、耐碱蚀性能的比较

固碱锅的损坏主要发生在靠近锅底的圆弧部位。该处由于受到加热介质和蒸发介质的温差太大而产生较大的局部应力，同时又受到高温、浓碱的电化学腐蚀，因此形成了复杂的应力腐蚀和电化学腐蚀区。为了比较表9-1中所列各种铸铁的耐碱蚀性能，进行了如下试验。

1.均匀腐蚀试验

均匀腐蚀是指在金属表面上发生的比较均匀的大面积腐蚀，特别是在暴露的全部或大部分表面积上腐蚀均匀。用这种方法测量金属腐蚀速率的经典方法是失重法。它是通过测量试样浸泡在腐蚀介质前、后的质量变化，来确定其腐蚀速率。将各种试验合金铸铁试样放入浓度约50%的NaOH溶液中，分别在80℃和140℃的温度下，经过120h的浸泡腐蚀，其测量计算结果见表9-2和表9-3。

表9-2 11种合金铸铁试样在浓度为50%的NaOH溶液中浸泡120h后的失重腐蚀率 [单位：g/（m²·h）]

表9-3 11种合金铸铁试样在浓度为50%的NaoH溶液中浸泡120h后的耐蚀等级

从表9-2和表9-3中可以看出，稀土灰铸铁（试样编号1-2）在80℃和140℃的浓度为50%的NaOH溶液浸泡腐蚀中，表现出了较好的耐碱蚀性能，其失重腐蚀率接近镍铬合金灰铸铁（试样编号5-2），耐碱蚀性能比固碱锅普通灰铸铁（试样编号1-1）提高了35%～45%。

2.电化学腐蚀试验

烧碱是一种强电解质，因而电化学腐蚀是铸铁在碱液中所发生的重要腐蚀形式之一。选择其中的4种（试样编号为1-1、1-2、3-2和5-2）灰铸铁测试了其电化学腐蚀特性。实验条件为：常温，浓度为50%的NaOH溶液，在普林斯顿公司生产的M173型恒电位仪系统装置上进行。试验结果表明：耐电化学腐蚀性能高低的排序为：5-2、1-2、3-2、1-1，即镍铬合金灰铸铁的耐电化学腐蚀性最好，其次是稀土灰铸铁和锡铜合金灰铸铁，普通灰铸铁最差。

3.应力腐蚀试验

应力腐蚀是由于应力和腐蚀环境共同作用而产生的破坏过程。固碱锅工作过程中始终处于所盛碱液浓度逐渐增加的情况下，在不断反复加热、冷却状态下工作，承受着严重的应力腐蚀。因此，此项试验对固碱锅材料的测试有着特殊的意义。选择其中3种（试样编号为1-1、1-2和3-2）灰铸铁，在德国产的K-S-M021型慢应变速率拉伸机上进行比较试验，其试验结果见表9-4。

表9-43种合金铸铁试样分别在空气和浓度为50%的NaOH溶液中，以2.5×10^-5mm/s的应变速率拉伸的试验结果

从表9-4中可以看出：普通灰铸铁（编号1-1）在无腐蚀介质时，相对其他两种铸铁的各种性能值都不算低，但在有腐蚀介质的情况下，便会降为最低，尤其是强度和韧性，分别降到了无腐蚀介质时的48%和56%。这表明普通灰铸铁的耐应力腐蚀性能最差。

综合以上试验结果，可以选定稀土灰铸铁（编号为1-2）作为目前的耐碱蚀灰铸铁，用于生产固碱锅。它具有较好的综合性能，其耐碱蚀性能接近镍铬合金铸铁（编号为5-2），比原定普通灰铸铁（编号为1-1）提高了35%～45%。

稀土耐碱蚀灰铸铁是在适当调整普通灰铸铁主要合金元素组成的基础上，添加微量稀土金属而得到的。所以，其在成本上与普通灰铸铁相当，比镍铬合金铸铁则便宜得多，并且我国稀土金属资源丰富，故可广泛应用。

耐碱蚀性能的试验结果与铸铁材质关系分析

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