酸性液固兩相流中不銹鋼沖刷腐蝕行為的研究.pdf

1、濕法煉鋅料漿介質(zhì)中含有SiO2等固相顆粒、稀H2SO4及Cl–、F–、Zn2+、Fe3+等雜質(zhì)離子，料漿泵遭受?chē)?yán)重的液固兩相流沖刷腐蝕，特別是葉輪的快速損壞使工廠頻繁停機(jī)檢修、更換備件，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，生產(chǎn)成本增加，給工廠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。雖然工廠在改進(jìn)料漿泵葉輪結(jié)構(gòu)和葉輪材料采用銅合金、鈦合金等高性能金屬材料、工程塑料和陶瓷材料等方面作了大量工作，但這一難題一直沒(méi)有得到很好的解決。到目前為止，有關(guān)濕法煉鋅料漿介質(zhì)中材料沖刷腐蝕行為

2、的研究報(bào)道極少，因此，開(kāi)展此領(lǐng)域中沖刷腐蝕的研究極為迫切。本論文以濕法煉鋅料漿介質(zhì)為背景，對(duì)三種不銹鋼材料的沖刷腐蝕機(jī)理和影響因素等展開(kāi)了系統(tǒng)而深入的研究，以期為料漿泵葉輪的合理選材提供理論依據(jù), 同時(shí)研究結(jié)果對(duì)于耐沖刷腐蝕材料的開(kāi)發(fā)以及豐富摩擦學(xué)理論將具有重要意義。 論文首先對(duì)料漿泵葉輪進(jìn)行失效分析，同時(shí)采用電化學(xué)方法和旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)沖刷腐蝕試驗(yàn)裝置對(duì)濕法煉鋅過(guò)程的腐蝕性及葉輪不同部位沖刷作用的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明，現(xiàn)

3、采用的奧氏體不銹鋼(0Cr25Ni18Mo)葉輪的失效是腐蝕和機(jī)械沖刷共同作用的結(jié)果，其中沖刷作用占主導(dǎo)地位；葉輪材料的硬度低、抗沖刷磨損性能差是導(dǎo)致其快速損壞的主要原因。料漿的流速和固體顆粒的濃度，即顆粒的沖擊動(dòng)量對(duì)葉輪不同部位損壞程度有重要影響，葉輪外緣由于流速大且固體顆粒濃度高，沖擊動(dòng)量大，因而沖刷腐蝕失重速率大，葉輪中心處附近由于流速小且固體顆粒濃度小，沖擊動(dòng)量小，因而沖蝕失重速率小。 電化學(xué)分析表明，增大介質(zhì)中的SO4

4、2－、Cl－、F－濃度，使葉輪材料的維鈍電流密度ip和致鈍電流密度ipp增大、鈍化區(qū)間縮小、腐蝕速度加大，當(dāng)SO42－、Cl－、F－同時(shí)存在時(shí)，對(duì)葉輪材料的腐蝕有強(qiáng)烈協(xié)同促進(jìn)作用，從而增大葉輪材料的沖刷腐蝕失重率；而Zn2+、 Fe3+、Cd2+等陽(yáng)離子使材料的腐蝕電位正移，維鈍電流密度ip降低、促進(jìn)材料鈍化，對(duì)材料的腐蝕有抑制效應(yīng)，降低試驗(yàn)材料的腐蝕分量，從而使沖刷腐蝕失重率減小。研究結(jié)果對(duì)耐沖刷腐蝕材料的開(kāi)發(fā)和理論研究都具有重要參考

5、價(jià)值。 對(duì)常用耐蝕或耐磨材料的沖刷腐蝕研究表明，在濕法煉鋅介質(zhì)中，選用傳統(tǒng)的耐蝕或耐磨材料作為料漿泵葉輪無(wú)法保證其較長(zhǎng)服役壽命。而具有一定耐蝕性和一定抗變形或耐磨能力的不銹鋼系列材料有可能成為未來(lái)耐沖刷腐蝕的首選，初步篩選出了較適合于此介質(zhì)環(huán)境下的3種候選材料：含氮雙相不銹鋼、17-4PH沉淀硬化不銹鋼和s相強(qiáng)化奧氏體不銹鋼。 對(duì)含氮雙相不銹鋼的研究結(jié)果表明，在模擬濕法煉鋅料漿介質(zhì)中，在試驗(yàn)氮量范圍內(nèi)，隨含氮量增加，腐蝕

6、電流密度逐漸減小、鈍化區(qū)逐漸增大，雙相鋼的純腐蝕速率（Vc）逐漸減小。但純沖刷速率（Ve）和整個(gè)材料流失速率（Vt）并未隨含氮量的增加而減小，當(dāng)含氮量在0.1％~0.3％時(shí)，鋼中奧氏體相（g）含量為30％~70％、其余為鐵素體相（a），兩相比例比較適當(dāng)，其Ve和Vt較低，雙相鋼有較好的抗沖刷腐蝕性能，當(dāng)兩相含量相當(dāng)時(shí)，其Ve和Vt最低，雙相鋼的抗沖刷腐蝕性能最好。硬度不是雙相鋼抗沖刷腐蝕性能的決定因素，形變強(qiáng)化能力才對(duì)其起決定作用。

7、 對(duì)17-4PH沉淀硬化不銹鋼的研究表明， 460℃時(shí)效處理時(shí)，鋼中析出大量彌散分布的富銅相，硬度最高，在模擬試驗(yàn)料漿介質(zhì)環(huán)境下，抗沖刷腐蝕性能最好。與失效葉輪相比，硫酸濃度對(duì)17-4PH鋼的沖刷腐蝕失重速率的影響顯著，當(dāng)硫酸濃度低時(shí)， 17-4PH鋼的抗沖刷腐蝕性能比失效葉輪好，當(dāng)硫酸濃度高時(shí)，抗沖刷腐蝕性能比失效葉輪差。 對(duì)s相強(qiáng)化奧氏體不銹鋼的研究表明，s相硬度高、在軟的奧氏體基體中起到骨架作用，耐磨性得到提高，同時(shí)s

8、相中主要耐蝕合金元素含量高，與基體的電極電位差小，耐蝕性良好, 因而具有優(yōu)良的抗沖刷腐蝕性能。時(shí)效處理后析出的細(xì)針片狀s相，在軟的基體上彌散分布，對(duì)鋼進(jìn)一步強(qiáng)化，而基體中的主要耐蝕合金元素的含量沒(méi)有明顯降低，耐蝕性仍很好，因而抗沖刷腐蝕性能得到進(jìn)一步提高。在模擬濕法煉鋅料漿介質(zhì)中，s相強(qiáng)化奧氏體不銹鋼材料的沖刷腐蝕失重速率比失效葉輪材料相比降低了57％。 系統(tǒng)研究了主要環(huán)境參數(shù)對(duì)s相強(qiáng)化奧氏體不銹鋼和失效葉輪材料沖刷腐蝕行為的影

9、響。結(jié)果表明VE-C與υ之間滿(mǎn)足指數(shù)關(guān)系：VE-C = k1·υn1 ，在試驗(yàn)條件下，n1值在1~2.5之間，與通常氣固沖蝕的速度指數(shù)2~5要小； SiO2固體顆粒濃度在5％和20％附近時(shí)，VE-C增大的幅度顯著；VE-C隨SiO2粒度Dp增大呈近似線(xiàn)性關(guān)系增大；在料漿H2SO4濃度較低時(shí)，材料的耐沖刷腐蝕性能主要取決于材料的抗沖刷磨損性能，當(dāng)H2SO4濃度較高時(shí)，材料的耐沖刷腐蝕性能除取決于材料的抗沖刷磨損性能外，還與其耐腐蝕性，尤其

10、是沖刷與腐蝕交互作用的失重速率（Vs）的大小有關(guān)。將研究結(jié)果繪制出了流速-SiO2顆粒尺寸、流速-SiO2顆粒濃度和流速-H2SO4濃度的材料流失機(jī)制圖，可以對(duì)工況條件變化時(shí)材料的流失情況作出預(yù)測(cè)。 通過(guò)三種研究不銹鋼與失效葉輪材料沖刷腐蝕對(duì)比試驗(yàn)表明，在濕法煉鋅料漿介質(zhì)中， s相強(qiáng)化奧氏體不銹鋼材料的抗沖刷腐蝕性能最好，明顯高于現(xiàn)使用葉輪材料。因此，利用弱陰極第二相強(qiáng)化是開(kāi)發(fā)料漿泵葉輪等過(guò)流部件材料，延長(zhǎng)其使用壽命的一種有效途