專利名稱：具有保護(hù)料漿涂敷和中頻感應(yīng)加熱的滲鋁方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬的非機(jī)械方法加工和處理領(lǐng)域，是一種廣泛應(yīng)用于煉油、化工等領(lǐng)域中抗高溫硫、高溫氧化、環(huán)烷酸和海水腐蝕的鋼材滲鋁的新方法和設(shè)備。
現(xiàn)有的技術(shù)中為防止鋼材腐蝕的滲鋁方法有熱浸法(液體法)、粉末法(固體法)、料漿法、氣相沉積法、熔鹽電解法和噴滲法等，而較多采用的是熱浸法和粉末法。如在專利文獻(xiàn)JP57126960、US4546051中所述。
人們已知，滲鋁是使鋼材和鋁元素在沒(méi)有氧氣(防止氧化)、和900℃條件下，鋁元素逐步擴(kuò)散進(jìn)入鋼材的表層，成為能防腐的滲鋁層-鋁鐵合金固熔體的過(guò)程。前述的方法都是外熱的，大多采用在爐子中加熱的方法，一般的料漿滲劑在大約600℃即開(kāi)始熔化，再繼續(xù)加熱升溫到900℃才能進(jìn)行滲鋁擴(kuò)散，這種外部熱源加熱，在升溫過(guò)程中，滲劑溫度高于滲件表面溫度，滲件表面到滲件內(nèi)部也存在一個(gè)溫度梯度，活性元素鋁在滲件表面上形成的速度超過(guò)其在滲件內(nèi)部的擴(kuò)散速度，因此活性元素多在表面上堆積，鋁和鐵首先形成化合物FeAl，沉積在表面上，而不是鋁原子立即向鐵中擴(kuò)散成為鋁在鐵中的固熔體。這就是用爐子加熱滲鋁時(shí)總有脆性外層的原因(容易脫落失去防腐性)。除此之外，由于滲件表層內(nèi)部溫度低，滲鋁速度慢，一般鋼管等滲鋁擴(kuò)散過(guò)程需8-10小時(shí)。而且由于在熱浸過(guò)程中鋁液氧化，浸漬層過(guò)厚，原材料和能量浪費(fèi)較大，成本也較高;滲鋁的質(zhì)量也不理想，易出現(xiàn)漏滲，滲層的深度淺，只能達(dá)到0.1-0.15mm，熱浸法還存在勞動(dòng)條件不好，間斷的高溫作業(yè)，不安全，易出現(xiàn)爆濺和傷人事故。
料漿法滲鋁和粉末法工藝過(guò)程有相似的地方。它是在工件表面上涂以特殊配方的料漿作為滲劑，滲劑料漿的成分有鋁源、活性劑、填料、粘結(jié)劑和稀釋劑。鋁源是供給鋁元素的材料，一般為鋁粉或鋁鐵合金粉。活性劑是催滲劑，其作用是促使產(chǎn)生活性鋁，加速滲鋁過(guò)程，一般用氯化銨等。填料一般用氧化鋁(Al2O3)，稀釋劑用醇類。然后裝箱再放到爐中加熱擴(kuò)散。
滲劑料漿的配方和涂刷方法對(duì)滲鋁層質(zhì)量的影響很大，滲劑料漿中各種成分的用量和比率影響到滲層厚度、表面質(zhì)量以及滲前涂刷和滲后脫殼的難易。傳統(tǒng)使用的滲劑料漿由于各種成分選擇不當(dāng)和用量不當(dāng)，常造成不易涂刷，滲層表面粗糙，附著物多，不易脫殼或有結(jié)瘤存在等缺點(diǎn)。
粉末法滲鋁是將工件放在裝有鋁粉和助劑的箱子里，充入惰性氣體，然后高溫加熱滲鋁，也存在成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、有脆性外層的缺點(diǎn)。其它的如氣相沉積法、熔鹽電解法、和噴滲法等也都存在成本高、效率低、對(duì)大的、長(zhǎng)的工件無(wú)法處理的缺點(diǎn)。快速電加熱法為直接通電加熱，雖然溫升較快，但需要相當(dāng)大的功率，不適于工業(yè)生產(chǎn)。
為了克服前述的這些缺點(diǎn)，本發(fā)明的第一個(gè)目的是解決滲鋁質(zhì)量，消除脆性外層及其引起的微裂縫問(wèn)題，第二個(gè)目的是降低滲鋁成本，第三個(gè)目的是可以加工任意長(zhǎng)度的工件和管材，第四個(gè)目的是改善勞動(dòng)條件，安全，不發(fā)生前述的事故，第五個(gè)目的是取消氮?dú)庀暮拖鄳?yīng)的空分設(shè)備，第六個(gè)目的是可以連續(xù)操作，取代現(xiàn)有的間斷操作。
本發(fā)明的概述(參見(jiàn)附圖
)我們認(rèn)為解決脆性外層的關(guān)鍵在于造成與常規(guī)滲鋁方式不同的溫度傳遞，也就是使工件的溫度高于料漿溫度，或與料漿同時(shí)達(dá)到滲鋁溫度，這樣才能滲得快，滲得均勻，質(zhì)量好，無(wú)脆性外層，而且滲得深，可達(dá)0.2毫米厚的鐵鋁合金層。因此本發(fā)明采用中頻電感應(yīng)加熱法，用一臺(tái)感應(yīng)爐(1)控制電流頻率在500～8000赫芝，為便于加工長(zhǎng)工件，用皮帶輸送機(jī)(5)將工件勻速向前移動(dòng)，逐段地進(jìn)行加熱滲鋁，這樣可使涂刷了料漿和保護(hù)料漿的工件很快達(dá)到所要求的溫度900～1300℃，然后立即進(jìn)入恒溫爐(2)進(jìn)行擴(kuò)散滲鋁。恒溫爐可以是外熱的，也可以是內(nèi)熱的，最好還用電感應(yīng)加熱，溫度在900～1100℃，工件在中頻感應(yīng)加熱爐和恒溫爐的總停留時(shí)間很短，只需要4～8分鐘就可以滿足要求。
為避免滲劑料漿中鋁源(鋁粉或鋁鐵合金粉)高溫氧化，保證滲劑中有足夠的鋁源，應(yīng)在滲劑料漿外面再涂以保護(hù)層料漿。
為克服因滲劑料漿和保護(hù)層料漿的配方和涂刷方法不當(dāng)所帶來(lái)的問(wèn)題，本發(fā)明在傳統(tǒng)料漿法基礎(chǔ)上應(yīng)用保護(hù)層料漿及獨(dú)特的涂刷方法，當(dāng)和中頻電感應(yīng)加熱(擴(kuò)散滲鋁過(guò)程)方法結(jié)合時(shí)，能產(chǎn)生質(zhì)量良好的滲鋁層。
經(jīng)我們實(shí)際應(yīng)用證明，若無(wú)保護(hù)料漿層，則滲鋁的效果不好。該保護(hù)料漿的配方是填料-可以用各種礦物巖粉、玻璃粉、氧化鋁和粘土等(40%～70%);粘結(jié)劑-可以用能耐受高溫的材料，例如水解硅酸乙酯、聚合物型粘結(jié)劑、紙漿廢液等(10%～30%);稀釋劑-可以用水和醇類(20%～40%)。在保護(hù)料漿涂刷之后，先要干燥，最好是加熱至40～100℃，這樣的溫度干燥的效果最好，加熱的方式可以采用蒸汽間接加熱，也可以用熱空氣，也可以用紅外線或其它方式加熱。當(dāng)溫度降低到60℃以下時(shí)再自然冷卻，然后再刷一遍，以這種方式最好能涂刷2～3遍。然后送入下一步工序中頻感應(yīng)加熱爐(1)進(jìn)行加熱滲鋁過(guò)程;再送到恒溫爐(2)，進(jìn)行滲鋁的充分?jǐn)U散，然后再送到保溫罩(3)，使工件緩慢降溫，最后用滾式輸送機(jī)(4)將管材管件的滲件運(yùn)出，放在空氣中自然冷卻。在冷卻過(guò)程中，表面的溶渣能自動(dòng)脫殼，用高壓水一般能將表面清洗干凈。
使用本發(fā)明滲鋁方法的質(zhì)量是令人滿意的滲鋁鋼的抗高溫氧化性能極好，在800℃下，經(jīng)200小時(shí)，增重極微。而碳鋼和不銹鋼(18-8)增重分別為滲鋁鋼的250倍和3倍。
在抗高溫硫腐蝕試驗(yàn)中，800℃、100小時(shí)情況下，碳鋼和合金鋼(18-8)的增重分別為滲鋁鋼的40倍和8倍。
在抗環(huán)烷酸腐蝕方面，當(dāng)環(huán)烷酸含量為注堿中和量37%時(shí)，抗腐蝕能力比碳鋼提高40倍。
滲鋁20＃鋼的抗應(yīng)力腐蝕性能比不滲鋁的20＃鋼并未降低。
滲鋁后的鋼材或鋼件可以進(jìn)行焊接加工、擴(kuò)口和彎曲。
由于使用中頻感應(yīng)加熱，加熱速度快，過(guò)熱度△T大，奧氏體晶粒小，鋁在奧氏體中的擴(kuò)散速度大，消除了鋁在滲件表面形成鋁鐵化合物FeAl而沉積的現(xiàn)象。所以本發(fā)明中的滲鋁層無(wú)脆性區(qū)，而在現(xiàn)有別的滲鋁工藝中，都有程度不同的脆性外層。
用中頻感應(yīng)加熱方法和料漿法相結(jié)合，得到的滲鋁層厚度為0.15-0.20毫米，而用外部加熱方法得到的只有0.10-0.15毫米。對(duì)低碳鋼滲鋁件進(jìn)行的X射線衍射分析結(jié)果，滲鋁層的金相組織，在表面上(深度0毫米)相組成為α-Fe(Al)固熔體，極少量Al2O3在深度0.02毫米和0.10毫米處均為α-Fe(Al)固熔體。
本發(fā)明的經(jīng)濟(jì)效果是顯著的，滲鋁的成本可以降低到使用常規(guī)方法的一半。在一座年產(chǎn)250萬(wàn)噸的煉油廠中，僅將其常減壓、催化、和焦化三個(gè)裝置中局部用上滲鋁鋼來(lái)代替普通鋼材，按其壽命(從2年提高到15年)計(jì)算，直接效益可達(dá)463萬(wàn)元。
從本發(fā)明的工藝來(lái)看，我們的其它目的也已經(jīng)達(dá)到勞動(dòng)條件好、安全、滲鋁爐可以間斷操作也可以連續(xù)操作，過(guò)程中不需要消耗氮?dú)猓梢约庸と我忾L(zhǎng)度的工件。
實(shí)施例1鋼管滲鋁保護(hù)料漿配方玻璃粉20%搪瓷粉20%礦物質(zhì)粉10%鋁氧粉7%紙漿廢液17%水26%中頻擴(kuò)散條件為頻率2200赫加熱900℃時(shí)間10分鐘實(shí)施例2鋼管滲鋁保護(hù)料漿配方玻璃粉20%搪瓷粉20%礦物質(zhì)粉18%紙漿廢液17%乙醇26%中頻擴(kuò)散條件為頻率1400赫加熱950℃時(shí)間10分鐘
權(quán)利要求
1.本發(fā)明屬于金屬的非機(jī)械法加工和處理領(lǐng)域，用來(lái)取代現(xiàn)有各種防腐用的外熱式滲鋁方法，是一種在料漿法基礎(chǔ)上改進(jìn)的具有保護(hù)料漿涂敷和中頻感應(yīng)加熱的方法(內(nèi)熱法)。其特征是在普通的滲劑料漿涂層的外部，再涂以獨(dú)特的保護(hù)料漿，然后進(jìn)入中頻感應(yīng)加熱爐(1)進(jìn)行滲鋁的方法。
2.按權(quán)項(xiàng)1所述的方法，其特征是保護(hù)料漿由粘結(jié)劑、填料和稀釋漿組成。
3.按權(quán)項(xiàng)1和2所述的方法，其特征是保護(hù)料漿的配方比例為粘結(jié)劑10～30%，填料40～70%，稀釋劑20～40%。
4.按權(quán)項(xiàng)3所述的保護(hù)料漿，其特征是料漿的成分包括粘結(jié)劑-可以是水解硅酸乙酯，也可以是聚合物型粘結(jié)劑、紙張廢液等，稀釋劑-可以用水或醇類，填料-可以是各種礦物巖粉、玻璃粉、搪瓷粉、氧化鋁或粘土。
5.按權(quán)項(xiàng)1所述的方法，其特征是保護(hù)料漿的涂刷最好2～3遍。
6.按權(quán)項(xiàng)4或5所述的保護(hù)料漿，其特征是每遍涂刷后，最好加熱到40～100℃進(jìn)行保溫干燥。
7.按權(quán)項(xiàng)5和6所述的方法，其特征是加熱和保溫的方式可以是蒸汽，也可以是熱空氣或紅外線作熱源。
8.按權(quán)項(xiàng)6所述的方法，其特征是保護(hù)料漿干燥后，最好將溫度降到60℃以下時(shí)，再自然冷卻。
9.按權(quán)項(xiàng)1所述的方法，其特征是中頻感應(yīng)加熱爐的電流頻率為500～8000赫芝。
10.按權(quán)項(xiàng)1所述的方法，其特征是當(dāng)遇到長(zhǎng)的工件滲鋁，可通過(guò)皮帶運(yùn)輸機(jī)(5)勻速地逐段送料。
11.按權(quán)項(xiàng)1所述的方法，其特征是出中頻感應(yīng)爐(1)的工件，應(yīng)立即送入恒溫爐(2)。
12.按權(quán)項(xiàng)1和11所述的方法，其特征是出恒溫爐(2)的工件，應(yīng)立即進(jìn)入保溫罩(3)。
13.具有保護(hù)料漿涂敷和中頻感應(yīng)加熱的滲鋁設(shè)備，其特征為包括加熱涂敷了保護(hù)料漿工件的裝置、中頻感應(yīng)爐(1)、恒溫爐(2)、保溫罩(3)、傳動(dòng)機(jī)械裝置(4)和(5)。
全文摘要
具有保護(hù)料漿涂敷和中頻感應(yīng)加熱的滲鋁方法和設(shè)備屬于金屬的非機(jī)械方法加工和處理領(lǐng)域，是一種廣泛應(yīng)用于高溫硫、高溫氧化、環(huán)烷酸和海水腐蝕環(huán)境的鋼材滲鋁新方法，比現(xiàn)有滲鋁技術(shù)的成本降低一半，而且質(zhì)量好、無(wú)脆性外層、勞動(dòng)條件好，其特點(diǎn)是在料漿涂層的外面再涂一層保護(hù)料漿，再進(jìn)入中頻感應(yīng)加熱爐加熱。一座250萬(wàn)噸/年的煉油廠，僅在常減壓、催化、焦化三個(gè)裝置上局部應(yīng)用本技術(shù)，就可獲直接效益463萬(wàn)元。
文檔編號(hào)C23C10/30GK1031572SQ8710132
公開(kāi)日1989年3月8日 申請(qǐng)日期1987年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1987年4月14日
發(fā)明者韋良國(guó), 劉啟孝, 武仲元, 劉秀荷, 余緒備 申請(qǐng)人:齊魯石油化工公司勝利煉油廠, 中國(guó)石油化工總公司洛陽(yáng)石油化工工程公司設(shè)備研究所