酸性液固两相流中不锈钢冲刷腐蚀行为的研究

论文摘要

湿法炼锌料浆介质中含有SiO2等固相颗粒、稀H2SO4及Cl–、F–、Zn2+、Fe3+等杂质离子,料浆泵遭受严重的液固两相流冲刷腐蚀,特别是叶轮的快速损坏使工厂频繁停机检修、更换备件,导致生产效率降低,生产成本增加,给工厂带来巨大的经济损失。虽然工厂在改进料浆泵叶轮结构和叶轮材料采用铜合金、钛合金等高性能金属材料、工程塑料和陶瓷材料等方面作了大量工作,但这一难题一直没有得到很好的解决。到目前为止,有关湿法炼锌料浆介质中材料冲刷腐蚀行为的研究报道极少,因此,开展此领域中冲刷腐蚀的研究极为迫切。本论文以湿法炼锌料浆介质为背景,对三种不锈钢材料的冲刷腐蚀机理和影响因素等展开了系统而深入的研究,以期为料浆泵叶轮的合理选材提供理论依据,同时研究结果对于耐冲刷腐蚀材料的开发以及丰富摩擦学理论将具有重要意义。论文首先对料浆泵叶轮进行失效分析,同时采用电化学方法和旋转圆盘冲刷腐蚀试验装置对湿法炼锌过程的腐蚀性及叶轮不同部位冲刷作用的动力学特性进行了模拟研究。结果表明,现采用的奥氏体不锈钢（0Cr25Ni18Mo）叶轮的失效是腐蚀和机械冲刷共同作用的结果,其中冲刷作用占主导地位;叶轮材料的硬度低、抗冲刷磨损性能差是导致其快速损坏的主要原因。料浆的流速和固体颗粒的浓度,即颗粒的冲击动量对叶轮不同部位损坏程度有重要影响,叶轮外缘由于流速大且固体颗粒浓度高,冲击动量大,因而冲刷腐蚀失重速率大,叶轮中心处附近由于流速小且固体颗粒浓度小,冲击动量小,因而冲蚀失重速率小。电化学分析表明,增大介质中的SO42-、Cl-、F-浓度,使叶轮材料的维钝电流密度ip和致钝电流密度ipp增大、钝化区间缩小、腐蚀速度加大,当SO42-、Cl-、F-同时存在时,对叶轮材料的腐蚀有强烈协同促进作用,从而增大叶轮材料的冲刷腐蚀失重率;而Zn2+、Fe3+、Cd2+等阳离子使材料的腐蚀电位正移,维钝电流密度ip降低、促进材料钝化,对材料的腐蚀有抑制效应,降低试验材料的腐蚀分量,从而使冲刷腐蚀失重率减小。研究结果对耐冲刷腐蚀材料的开发和理论研究都具有重要参考价值。对常用耐蚀或耐磨材料的冲刷腐蚀研究表明,在湿法炼锌介质中,选用传统的耐蚀或耐磨材料作为料浆泵叶轮无法保证其较长服役寿命。而具有一定耐蚀性和一定抗变形或耐磨能力的不锈钢系列材料有可能成为未来耐冲刷腐蚀的首选,初步筛选出了较适合于此介质环境下的3种候选材料:含氮双相不锈钢、17-4PH沉淀硬化不锈钢和σ相强化奥氏体不锈钢。对含氮双相不锈钢的研究结果表明,在模拟湿法炼锌料浆介质中,在试验氮量范围内,随含氮量增加,腐蚀电流密度逐渐减小、钝化区逐渐增大,双相钢的纯腐蚀速率（Vc）逐渐减小。但纯冲刷速率（Ve）和整个材料流失速率（Vt）并未随含氮量的增加而减小,当含氮量在0.1%～0.3%时,钢中奥氏体相（γ）含量为30%～70%、其余为铁素体相（α）,两相比例比较适当,其Ve和Vt较低,双相钢有较好的抗冲刷腐蚀性能,当两相含量相当时,其Ve和Vt最低,双相钢的抗冲刷腐蚀性能最好。硬度不是双相钢抗冲刷腐蚀性能的决定因素,形变强化能力才对其起决定作用。对17-4PH沉淀硬化不锈钢的研究表明, 460℃时效处理时,钢中析出大量弥散分布的富铜相,硬度最高,在模拟试验料浆介质环境下,抗冲刷腐蚀性能最好。与失效叶轮相比,硫酸浓度对17-4PH钢的冲刷腐蚀失重速率的影响显著,当硫酸浓度低时, 17-4PH钢的抗冲刷腐蚀性能比失效叶轮好,当硫酸浓度高时,抗冲刷腐蚀性能比失效叶轮差。对σ相强化奥氏体不锈钢的研究表明,σ相硬度高、在软的奥氏体基体中起到骨架作用,耐磨性得到提高,同时σ相中主要耐蚀合金元素含量高,与基体的电极电位差小,耐蚀性良好,因而具有优良的抗冲刷腐蚀性能。时效处理后析出的细针片状σ相,在软的基体上弥散分布,对钢进一步强化,而基体中的主要耐蚀合金元素的含量没有明显降低,耐蚀性仍很好,因而抗冲刷腐蚀性能得到进一步提高。在模拟湿法炼锌料浆介质中,σ相强化奥氏体不锈钢材料的冲刷腐蚀失重速率比失效叶轮材料相比降低了57%。系统研究了主要环境参数对σ相强化奥氏体不锈钢和失效叶轮材料冲刷腐蚀行为的影响。结果表明VE-C与υ之间满足指数关系:VE-C = k1·υn1 ,在试验条件下,n1值在12.5之间,与通常气固冲蚀的速度指数25要小; SiO2固体颗粒浓度在5%和20%附近时,VE-C增大的幅度显著;VE-C随SiO2粒度Dp增大呈近似线性关系增大;在料浆H2SO4浓度较低时,材料的耐冲刷腐蚀性能主要取决于材料的抗冲刷磨损性能,当H2SO4浓度较高时,材料的耐冲刷腐蚀性能除取决于材料的抗冲刷磨损性能外,还与其耐腐蚀性,尤其是冲刷与腐蚀交互作用的失重速率（Vs）的大小有关。将研究结果绘制出了流速-SiO2颗粒尺寸、流速-SiO2颗粒浓度和流速-H2SO4浓度的材料流失机制图,可以对工况条件变化时材料的流失情况作出预测。通过三种研究不锈钢与失效叶轮材料冲刷腐蚀对比试验表明,在湿法炼锌料浆介质中,σ相强化奥氏体不锈钢材料的抗冲刷腐蚀性能最好,明显高于现使用叶轮材料。因此,利用弱阴极第二相强化是开发料浆泵叶轮等过流部件材料,延长其使用寿命的一种有效途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 1 绪论
• 1.1 本论文的研究背景及意义
• 1.2 金属材料冲刷腐蚀的研究概况
• 1.2.1 液固两相流冲刷腐蚀的特点
• 1.2.2 冲刷和腐蚀的交互作用及影响因素
• 1.2.3 金属材料液固两相流冲刷腐蚀理论模型
• 1.2.4 酸性介质下耐冲刷腐蚀用材料的研究现状
• 1.3 本论文的研究目的及主要研究内容
• 2 试验材料与试验方法
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料及化学成分、组织和性能检测
• 2.3 冲刷腐蚀试验
• 2.3.1 冲刷腐蚀试验机的制备
• 2.3.2 试验介质
• 2.3.3 电化学测试
• 2.3.4 冲刷腐蚀各参数的物理意义
• 3 叶轮的失效分析及湿法炼锌过程腐蚀与冲刷特性的分析
• 3.1 引言
• 3.2 叶轮的失效分析
• 3.2.1 料浆泵的工况条件
• 3.2.2 叶轮的失效分析
• 3.3 湿法炼锌过程腐蚀与冲刷特性的分析
• 3.3.1 试验方法
• 3.3.2 料浆的腐蚀性
• 3.3.3 料浆的冲刷特性
• 3.4 本章小结
• 4 常用耐蚀和抗磨材料在模拟介质中的冲刷腐蚀
• 4.1 引言
• 4.2 试验材料及方法
• 4.3 试验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 含氮双相不锈钢冲刷腐蚀行为的研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验方法
• 5.3 含氮量对双相不锈钢组织和冲刷腐蚀行为的影响
• 5.3.1 含氮量对双相不锈钢组织的影响
• 5.3.2 含氮量对双相不锈钢电化学行为的影响
• 5.3.3 含氮量对双相不锈钢冲刷腐蚀行为的影响
• 5.4 热处理温度对双相不锈钢组织和冲刷腐蚀性能的影响
• 5.4.1 固溶处理温度对双相不锈钢组织和冲刷腐蚀性能的影响
• 5.4.2 时效处理温度对双相不锈钢冲刷腐蚀行为的影响
• 5.5 本章小结
• 6 17-4PH 不锈钢在酸性水砂介质中的冲刷腐蚀行为
• 6.1 引言
• 6.2 试验方法
• 6.3 热处理对17-4PH 钢组织和硬度的影响
• 6.3.1 固溶处理温度对硬度的影响
• 6.3.2 时效处理温度对17-4PH 钢组织的影响
• 6.3.3 时效处理温度对17-4PH 钢硬度的影响
• 6.4 时效处理温度对17-4PH 钢冲刷腐蚀性能的影响
• 6.5 硫酸浓度对17-4PH 钢冲刷腐蚀性能的影响
• 6.6 本章小结
• 7 σ相强化奥氏体不锈钢冲刷腐蚀行为的研究
• 7.1 引言
• 7.2 试验方法
• 7.3 σ相强化奥氏体不锈钢材料的设计思路
• 7.4 化学成分和时效处理对σ相强化奥氏体不锈钢组织的影响
• 7.4.1 化学成分对σ相强化奥氏体不锈钢组织的影响
• 7.4.2 时效处理对σ相强化奥氏体不锈钢组织的影响
• 7.5 σ相强化奥氏体不锈钢冲刷腐蚀行为的研究
• 7.5.1 化学成分对σ相强化奥氏体不锈钢冲刷腐蚀行为的影响
• 7.5.2 时效处理对σ相强化奥氏体不锈钢冲刷腐蚀行为的影响
• 7.5.3 σ相强化奥氏体不锈钢冲刷腐蚀微观机理探讨
• 7.6 本章小结
• 8 主要环境参数对不锈钢冲刷腐蚀行为的影响
• 8.1 引言
• 8.2 料浆流速对不锈钢冲刷腐蚀速率的影响
• 8.3 固体颗粒浓度对不锈钢冲刷腐蚀速率的影响
• 8.4 固体颗粒粒度对不锈钢冲刷腐蚀速率的影响
• 8.5 料浆酸浓度对不锈钢冲刷腐蚀速率的影响
• 8.6 冲刷腐蚀材料流失机制图
• 8.7 本章小结
• 9 三种不锈钢材料的抗冲刷腐蚀性能比较及经济分析
• 9.1 引言
• 9.2 冲刷腐蚀比较试验
• 9.2.1 试验条件
• 9.2.2 试验结果及分析
• 9.2.3 经济效益分析及应用前景
• 9.3 本章小结
• 10 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录攻读博士学位期间发表的主要学术论文