專利名稱：一種提高還原蒸餾爐使用壽命的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高還原蒸餾爐使用壽命的方法。
背景技術(shù)：
還原蒸餾爐是生產(chǎn)海綿鈦的主體設(shè)備，一般是由一定厚度的耐熱鋼板焊接而成。 在海綿鈦生產(chǎn)過程中，還原蒸餾爐一直處于高溫受熱狀態(tài)，特別是爐體的表面，幾乎全部暴露在空氣當(dāng)中，和高溫氧氣及二氧化碳氣體接觸，極易發(fā)生高溫氧化腐蝕，其氧化腐蝕速度為常溫狀態(tài)下的數(shù)十倍，甚至是數(shù)百倍。而且爐體和氧化鐵層的膨脹系數(shù)各不相同，通常會使氧化鐵層產(chǎn)生諸多裂紋，致使其不斷剝落，爐體很快變薄，直到失去了足夠的強度，不得不更換成新的還原蒸餾爐。事實上，鋼鐵制品在高溫狀態(tài)下氧化剝落一直是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的一大技術(shù)難題。其實在常溫狀態(tài)下，鋼鐵材料同樣要受到大氣腐蝕，所以也要通過采取與空氣隔絕的方式進行鋼鐵制品的表面防護，其中很重要的一種技術(shù)就是21世紀發(fā)展起來的一種耐蝕性能優(yōu)良的涂覆工藝，即在鋼鐵材料的表面進行熱浸鍍金屬或金屬合金材料，依靠熱浸鍍鋁這種技術(shù)在鋼鐵材料表面擴散形成的合金層具有抗氧化、耐磨、硬度高以及耐工業(yè)介質(zhì)腐蝕等優(yōu)點，其中熱浸鍍鋁技術(shù)作為一種簡單高效的表面處理技術(shù)，既可有效提高碳鋼的耐腐蝕及抗氧化能力，同時又能保證碳鋼的力學(xué)性能。因此，熱浸鍍鋁鋼板的材料已廣泛應(yīng)用于石油化工和冶金、建筑等領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用熱浸鍍技術(shù)，選擇一種或多種金屬元素，通過熱浸鍍的方式，將高溫耐蝕的金屬及其合金材料熱浸鍍到還原蒸餾爐的表面，以此避免其鋼鐵材質(zhì)同高溫氧化氣體的直接接觸，達到減少材料氧化，延長爐體使用壽命的目的。根據(jù)本發(fā)明的提高還原蒸餾爐使用壽命的方法，將純Al或鋁基合金通過熱浸鍍的方法浸鍍到還原蒸餾爐的外表面。根據(jù)本發(fā)明的實施例，使用的鋁基合金的成分按重量百分比計Si含量為0 20%,Mo含量為0 3%、Ni含量為0 5%、稀土類元素RE含量為0 0. 7%、余量為Al。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述鋁基合金的成分中的稀土類元素RE可以為金屬La、金屬Ce、La和Ce混合稀土以及金屬Nd共4種中的任意一種。根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以使用如下的熱浸鍍方法完成還原蒸餾爐外表面的浸鍍工藝過程(1)堿洗除油用重量百分比濃度為10 20%、溫度為40 80°C的NaOH溶液對焊接好的還原蒸餾爐進行堿洗除油處理；(2)水洗除堿用蒸餾水或者自來水清洗經(jīng)過堿洗除油處理后的爐體表面，清洗掉爐體表面殘留的堿液；(3)酸洗除銹用重量百分比濃度為5 20%的HCl溶液，清洗水洗除堿后的爐體表面；(4)水洗除酸用蒸餾水清洗酸洗除銹后的爐體表面，清洗掉爐體表面殘留的酸液；(5)助鍍處理將除酸后的鍋體放入到助鍍劑中進行助鍍處理；(6)表面烘干熱浸鍍前，需在80 160°C下對于經(jīng)助鍍處理后的還原蒸餾爐進行烘干，烘干時間為2 30分鐘；(7)熱浸鍍將經(jīng)助鍍和烘干后的還原蒸餾爐浸入到Al或Al基合金液中熱浸鍍1 20分鐘，熱浸鍍液的溫度為710V 780V。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述助鍍劑可以以水為溶劑，且每升助鍍劑中含Na3AlF6*0. 05 0. 42g、含 ZnCl2 為 30 120g、含 NH4Cl 為 2 50g、含 NaF 為 0. 05 20g。根據(jù)本發(fā)明的提高還原蒸餾爐使用壽命的方法可以提高還原蒸餾爐設(shè)備的使用壽命5-8倍，經(jīng)濟效益十分明顯。
具體實施例方式下面將詳細地描述本發(fā)明的示例性實施例。經(jīng)過反復(fù)實驗，發(fā)明人選擇鋁元素作為還原蒸餾爐熱浸鍍的首選金屬元素。研究表明，熱浸鍍鋁可顯著提高還原蒸餾爐的耐蝕性、高溫抗氧化性，因此，熱浸鍍鋁是提高還原蒸餾爐壽命的合適辦法。但是，普通的熱浸鍍鋁其鍍層中存在較為粗大的針狀相，表面則存在較多的氧化物夾雜和氣孔等缺陷，這些針狀相、夾雜和氣孔等缺陷的存在不同程度的影響著還原蒸餾爐的耐蝕性效果。因此發(fā)明人進行了在鋁液中加入各種合金元素的實驗，經(jīng)分析研究，在熱浸鍍鋁中適度加入Si、Ni、Mo和RE四種元素中的一種或多種，涂鍍到還原蒸餾爐表面后能夠起到更好的高溫抗氧化效果，從而使還原蒸餾爐的使用壽命得到數(shù)倍提尚οSi、Ni、Mo和RE四種元素的加入，分別起到如下作用。Si的作用(I)Si是鋁合金中最常見的合金元素，Si的加入可以顯著降低鋁液的黏度，提高其流動性，因此可以降低鍍鋁合金層的厚度，降低生產(chǎn)成本；(2) Si的加入可以提高鋁合金的強度、耐磨性和高溫穩(wěn)定性，提高合金的機械性能，因此Si的加入可以提高鋁合金鍍層與還原蒸餾爐的結(jié)合強度和抗開裂性能。Ni的作用(I)Ni本身就是耐高溫腐蝕的良好材料，常作為不銹鋼的合金元素，與Al配合使用會提高鋁的抗氧化性能；(2)Ni的加入可以提高Al液的流動性，降低鍍鋁層的厚度；(3) Ni的加入還可以提高鍍鋁層的光亮度和致密性。Mo的作用(1)提高鋁合金鍍層的抗高溫氧化性能；(2)提高合金鍍層的力學(xué)性能。稀土元素RE的作用(1)加入適量的稀土元素RE，可以和鋁液中的雜質(zhì)形成高熔點化合物，凈化了鋁液，提高了鋁液的流動性。在同樣的工藝下，鋁液更易沿還原蒸餾爐表面流下，從而使鍍層中的Al層變薄，降低生產(chǎn)成本。(2)加入RE后內(nèi)層中白色針狀FeAl3相逐漸變得短而細小，從而提高鍍層的韌性塑性并阻止裂紋的擴展。(3)添加稀土元素后，可以促進內(nèi)層合金層的形成，相同條件下會提高中間層的厚度，這對提高鍍層的抗高溫氧化性是有利的。(4)RE的加入量會改變中間層的形狀，使疏松不連續(xù)中間層變得均勻、緊密，改善鍍層的質(zhì)量，防止局部腐蝕。(5)阻止有害原子擴散。稀土元素作為表面活性物，可在金屬表面形成致密均勻的氧化膜，在相當(dāng)程度上阻止外界雜質(zhì)原子向合金鍍層內(nèi)部擴散，消除有害雜質(zhì)對合金的不利影響，減少了由于雜質(zhì)所引起的鍍層缺陷，從而延緩了還原蒸餾爐氧化和腐蝕過程。由于以上合金元素的綜合作用，與純鋁合金鍍層相比，熱鍍Al-Si-Mo-Ni-RE鍍層的外觀質(zhì)量和使用壽命都得到了進一步的提高，更加適合于熱浸鍍還原蒸餾爐。根據(jù)以上試驗結(jié)果及相關(guān)原理，本發(fā)明公開了一種適于還原蒸餾爐高溫防氧化的鋁基多元素?zé)峤辖疱儗?，該合金鍍層中的合金元素有Al、Si、Mo、Ni和RE，合金鍍層中按重量百分比計Si含量為0 20%，Mo含量為0 3%，Ni含量為0 5%，RE含量為0 0. 7%，余量為Al ；合金中還含有各種原料帶入的其他微量元素，因其僅為0. 05-0. 09%且對于合金的性能不會產(chǎn)生影響，在此忽略不計。這里所說的RE為稀土類元素，可以為金屬 La、金屬Ce、La和Ce混合稀土以及金屬Nd共4種中的任意一種。為了縮短熔煉Al-Si-Mo-Ni-RE合金的時間并減少鋁和RE的燒損，一般以使用中間合金材料的方式來獲取有關(guān)元素，所以熔煉合金需要的原料為工業(yè)鋁錠、工業(yè)硅、Al-Mo 合金(Mo的重量百分含量為8%)、A1-Ni合金(Ni的重量百分含量為5%)、A1-RE合金(稀土元素RE的重量百分含量為15% )，按照實施例1和2中所公布的方法，制作出熱浸鍍用合金，鑄造成母合金備用。具體的實施方法還原蒸餾爐熱浸鍍Al-Si-Mo-Ni-RE鍍層的工藝流程為鋼板焊接制作還原蒸餾爐一堿洗除油一水洗除堿一酸洗除銹一助鍍一表面烘干一熱浸鍍鋁合金鍍層等多道工序。 各工序的工藝參數(shù)如下(1)堿洗除油用重量百分比濃度為10 20%、溫度為40 80°C的NaOH溶液對焊接好的還原蒸餾爐進行堿洗除油處理，除去還原蒸餾爐在其生產(chǎn)、運輸、焊接過程中粘附的油污，為后續(xù)的工藝過程創(chuàng)造條件；O水洗除堿用蒸餾水或者自來水清洗經(jīng)過堿洗除油處理后的爐體表面，清洗掉爐體表面殘留的堿液；(3)酸洗除銹用重量百分比濃度為5 20%的HCl溶液，清洗水洗除堿后的爐體表面，使爐體鋼板表面的鐵銹充分溶解；(4)水洗除酸用蒸餾水清洗酸洗除銹后的爐體表面，清洗掉爐體表面殘留的酸液；(5)助鍍處理將除酸后的鍋體放入到助鍍劑中進行助鍍處理；助鍍劑以水為溶劑，每升助鍍劑中含Na3AlF6為0. 05 0. 42g、含ZnCl2為30 120g、含NH4Cl為2 50g，含 NaF 為 0. 05 20g ；(6)表面烘干熱浸鍍前，需在80 160°C下對于經(jīng)助鍍處理后的還原蒸餾爐進行烘干，烘干時間為2 30分鐘；(7)熱浸鍍熱浸鍍是將經(jīng)助鍍和烘干后的還原蒸餾爐浸入到Al或Al基合金液中熱浸鍍1 20分鐘，熱浸鍍液的溫度為710V 780V。經(jīng)過熱浸鍍后，在鍋體的表面形成一層合金層，對鍋體表面完成全包覆，形成了均勻的保護膜。采用本發(fā)明公開的還原蒸餾爐熱浸鍍鋁或者鋁合金的方法，能夠顯著提高其使用壽命，這是因為浸鍍到還原蒸餾爐表面的熱浸鍍鋁保護層，在高溫狀態(tài)下被氧化成為狀態(tài)穩(wěn)定的氧化鋁，阻止了氧氣對還原蒸餾爐鋼鐵材料的氧化，從而大幅降低了還原蒸餾爐在使用過程中的高溫氧化速度。發(fā)明人經(jīng)過反復(fù)試驗驗證，盡管還原蒸餾爐經(jīng)熱浸鍍層后，可以顯著提高還原蒸餾爐的抗高溫氧化性能，相比而言，熱浸鍍鋁合金鍍層的抗高溫氧化性能比純鋁更加出色，可以將其使用壽命提高到原來的5-8倍。還原蒸餾爐使用壽命的提高，一方面可以大幅降低企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備成本，另一方面減少了還原蒸餾爐的更換次數(shù)，自然提高了設(shè)備的連續(xù)作業(yè)效率，從而提高了勞動生產(chǎn)率，使企業(yè)的經(jīng)濟效益有了顯著提高。實施例1鋁合金鍍層的具體成分Si含量為5. 00%，Mo含量為1.00%，Ni含量為1.20%，稀土 La含量為0. 30 %，余量為Al。熔煉合金所需原料的計算方法以熔煉IOOOKg Al-Si-Mo-Ni-La為例，各種原料的用量為采用原料工業(yè)鋁錠、工業(yè)硅、Al-Mo合金(Mo的重量百分含量為8% )、Al-Ni合金(Ni的重量百分含量為5% )、Al-La合金(稀土 La的重量百分含量為15% )。(I)Si 的重量Wsi = IOOOKgX5%= 50Kg ；(2)Al-Mo 合金的重量ffA1_Mo = IOOOKgX 1.00% /8%= 125Kg ；(3)Al-Ni 合金重量WA1_Ni = IOOOKgX 1. 20% /5%= 240Kg ；(4)Al-La 合金重量WA1_La = IOOOKgX0. 30% /15%= 20Kg ；(5) Al 錠的重量 Wai = 1000Kg-125kg-50kg-240kg-20kg = 565Kg。Al-Si-Mo-Ni-La母合金的熔煉方法(1)將565kg鋁錠裝入電阻爐內(nèi)，加熱至820°C，保溫20分鐘。(2)將50Kg工業(yè)硅用石墨鐘罩壓入到熔化的鋁液內(nèi)，保溫30分鐘；(3)根據(jù)前述的計算結(jié)果，將稱好的Al-Mo合金12^(g、Al-Ni合金MOKg、Al-La合金20Kg混合到一起并預(yù)熱至150°C，然后用石墨鐘罩壓入到鋁硅合金液內(nèi)，在820°C下保溫10分鐘，使之各種原料充分熔化；(4)攪拌均勻、撈渣后澆鑄成Al-Si-Mo-Ni-La母合金錠；還原蒸餾爐熱浸鍍Al-Si-Mo-Ni-La合金工藝(1)堿洗除油用濃度為15%、溫度為65°C的NaOH溶液對焊接好的還原蒸餾爐進行堿洗除油處理，去除鋼板生產(chǎn)、運輸、焊接過程中粘附的油污，為后續(xù)的工藝過程創(chuàng)造條件；(2)水洗除堿用蒸餾水(或者自來水)清洗爐體表面，清洗掉爐體表面殘留的堿液；(3)酸洗除銹用濃度為15%的HCl溶液，清洗爐體表面，使鋼板表面的鐵銹溶解；(4)水洗除酸用蒸餾水清洗爐體表面，清洗掉爐體表面殘留的酸液；(5)助鍍處理使用助鍍劑的成分為=Na3AlF6的濃度為0. 30g/L, ZnCl2的濃度為 50g/L，NH4Cl 的濃度為 10g/L，NaF 的濃度為 3g/L ；(6)表面烘干經(jīng)助鍍處理后的還原蒸餾爐在進行熱浸鍍前在120°C下烘干16分鐘；(7)熱浸鍍熱浸鍍是將經(jīng)助鍍和烘干后還原蒸餾爐浸入到Al-Si-Mo-Ni-La的合金液中，在爐體的表面形成一層合金層，對爐體完成全包覆，對爐體形成保護。熱浸鍍溫度 7600C ；浸鍍時間12分鐘?？垢邷匮趸阅軝z測實際的工業(yè)生產(chǎn)，未進行任何表面處理的還原蒸餾爐的使用壽命約為6爐次，每爐次的時間為3天。而熱浸鍍Al-Si-Mo-Ni-La鍍層之后的還原蒸餾爐的使用壽命為37爐次，每爐次的時間為3天，使用壽命是原來的6倍。同樣為利用G20鋼制作的還原蒸餾爐，經(jīng)觀察未經(jīng)任何處理的鍋體表面，經(jīng)一個爐次72小時、1000°C高溫氧化后，表層被一層黑色的氧化層覆蓋，并且氧化層有裂紋，凸凹不平，部分區(qū)域還有剝落。而經(jīng)過熱浸鍍Al-Si-Mo-Ni-La鍍層后的鍋體表面，在1000°C溫度下連續(xù)受熱288小時，雖然高溫氧化時間提高了 3倍，但是熱浸鍍Al-Si-Mo-Ni-La鍍層后的鍋體表層被一層致密的氧化鋁和其他金屬的氧化物所覆蓋，并且腐蝕產(chǎn)物沒有裂紋和剝落等缺陷，保護性能依然良好，顯示出了出色的抗高溫氧化性能。實施例2鋁合金鍍層的具體成分Si含量為3. 00%, Mo含量為2. 50%, Ni含量為2. 5%, 稀土 Nd含量為0. 20 %，余量為Al。熔煉合金所需原料同實施例1相同，各種原料的用量計算以熔煉 IOOOKgAl-Si-Mo-Ni-Nd母合金為例，計算如下(I)Al-Mo 合金的重量:ffA1_Mo = IOOOKgX2. 50% /8%= 312. 5Kg ；(2) Si 的重量Wsi = IOOOKgX 3%= 30Kg ；(3)Al-Ni 合金重量WA1_Ni = IOOOKgX2. 50% /5%= 500Kg ；(4)Al-Nd 合金重量WA1_Nd = IOOOKgX0. 20% /15%= 13. 33Kg ；(5) Al 錠的重量 Wai = 1000Kg-312. 5kg-30kg-500kg_13· 33kg = 144. 17kg。Al-Si-Mo-Ni-Nd母合金的熔煉方法(1)將稱好的鋁錠144. 17kg和Al-Ni合金500Kg裝入電阻爐內(nèi)，加熱至820°C，保溫20分鐘；(2)將30Kg工業(yè)硅用石墨鐘罩壓入到熔化的鋁液內(nèi)，保溫30分鐘；(3)根據(jù)前述的計算結(jié)果，將稱好的Al-Mo合金312. 5Kg和Al-Nd合金13. 33Kg混合到一起并預(yù)熱至150°C，然后用石墨鐘罩壓入到鋁硅合金液內(nèi)，在820°C下保溫10分鐘， 使之各種原料充分熔化；
(4)攪拌均勻、撈渣后澆鑄成Al-Si-Mo-Ni-Nd母合金錠。還原蒸餾爐熱浸鍍Al-Si-Mo-Ni-RE合金工藝(1)堿洗除油用濃度為15%、溫度為65°C的NaOH溶液對焊接好的還原蒸餾爐進行堿洗除油處理，去除鋼板生產(chǎn)、運輸、焊接過程中粘附的油污；(2)水洗除堿用自來水清洗爐體表面，清洗掉爐體表面殘留的堿液；(3)酸洗除銹用濃度為15%的HCl溶液，清洗爐體表面，使鋼板表面的鐵銹全部溶解；(4)水洗除酸用蒸餾水請洗爐體表面，清洗掉爐體表面殘留的酸液；(5)助鍍處理助鍍劑的成分為=Na3AlF6的濃度為0. 10g/L, ZnCl2的濃度為80g/L，NH4Cl的濃度為18g/L，NaF的濃度為5g/L ；(6)表面烘干經(jīng)助鍍處理后的還原蒸餾爐在進行熱浸鍍前在110°C下烘干15分鐘；(7)熱浸鍍熱浸鍍是將經(jīng)助鍍和烘干后還原蒸餾爐浸入到Al-Si-Mo-Ni-Nd的合金液中，熱浸鍍溫度為750°C，浸鍍時間為8分鐘。經(jīng)實際工業(yè)生產(chǎn)檢測，熱浸鍍Al-Si-Mo-Ni-Nd鍍層之后的還原蒸餾爐的使用壽命為51爐次，每爐次的時間為3天，使用壽命提高到原來的8倍以上。
權(quán)利要求
1.一種提高還原蒸餾爐使用壽命的方法，其特征在于，將純Al或鋁基合金通過熱浸鍍的方法浸鍍到還原蒸餾爐的外表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高還原蒸餾爐使用壽命的方法，其特征在于，使用的鋁基合金的成分按重量百分比計Si含量為0 20%、Mo含量為0 3%、Ni含量為0 5%、稀土類元素RE含量為0 0. 7 %、余量為Al。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高還原蒸餾爐使用壽命的方法，其特征在于，所述鋁基合金的成分中的稀土類元素RE為金屬La、金屬Ce、La和Ce混合稀土以及金屬Nd共4種中的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高還原蒸餾爐使用壽命的方法，其特征在于，使用如下的熱浸鍍方法完成還原蒸餾爐外表面的浸鍍工藝過程(1)堿洗除油用重量百分比濃度為10 20%、溫度為40 80°C的NaOH溶液對焊接好的還原蒸餾爐進行堿洗除油處理；(2)水洗除堿用蒸餾水或者自來水清洗經(jīng)過堿洗除油處理后的爐體表面，清洗掉爐體表面殘留的堿液；(3)酸洗除銹用重量百分比濃度為5 20%的HCl溶液，清洗水洗除堿后的爐體表(4)水洗除酸用蒸餾水清洗酸洗除銹后的爐體表面，清洗掉爐體表面殘留的酸液；(5)助鍍處理將除酸后的鍋體放入到助鍍劑中進行助鍍處理；(6)表面烘干熱浸鍍前，需在80 160°C下對于經(jīng)助鍍處理后的還原蒸餾爐進行烘干，烘干時間為2 30分鐘；(7)熱浸鍍將經(jīng)助鍍和烘干后的還原蒸餾爐浸入到Al或Al基合金液中熱浸鍍1 20分鐘，熱浸鍍液的溫度為710V 780V。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高還原蒸餾爐使用壽命的方法，其特征在于，所述助鍍劑以水為溶劑，且每升助鍍劑中含Na3AlF6為0. 05 0. 42g、含ZnCl2為30 120g、含NH4Cl為 2 50g、含 NaF 為 0. 05 20g。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高還原蒸餾爐使用壽命的方法，該方法將純Al或鋁基合金通過熱浸鍍的方法浸鍍到還原蒸餾爐的外表面，使用的鋁基合金的成分按重量百分比計Si含量為0～20％、Mo含量為0～3％、Ni含量為0～5％、稀土類元素RE含量為0～0.7％、余量為Al。采用本發(fā)明的方法可以提高還原蒸餾爐設(shè)備的使用壽命5-8倍，經(jīng)濟效益十分明顯。
文檔編號C23C2/34GK102383082SQ201110307700
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者尹少華, 曹輝, 李世偉, 涂贛峰, 高波 申請人:東北大學(xué)