渗铝钢及其在硫酸装置中的应用
常州市武进阳光渗铝钢有限公司张宏伟
中石化南京设计院
摘要：本文叙述了渗铝钢的组织结构特点，重点论述了其机械性能和抗高温氧化、耐腐蚀的性能，并说明了其加工工艺性能。实践证明，渗铝钢在硫酸装置中的应用是成功的，并且具有良好的推广价值。
关键词：渗铝；机械性能；抗高温氧化；耐腐蚀；硫酸装置；应用
1、 概述
随着硫酸技术的不断进步，生产硫酸的装置向着多样化（如硫磺制酸、冶炼气制酸等）、大型化发展，新设备、新材料的应用使硫酸生产装备上了一个新台阶，为降低成本、节约投资打下了良好的基础。渗铝钢的应用就是一个例子。
渗铝钢是将金属（包括低碳钢、不锈钢、铸铁等）进行表面化学热处理，使钢材表面形成0.1-0.3mm厚的铝--铁合金层，从而使其使用温度比原母材提高200-300℃，对于低碳钢还可显著提高其抗氧化耐腐蚀性能，延长使用寿命，在某些场合甚至可代替耐热钢或不锈钢使用。
2、 渗铝钢的组织结构和性能 2．1组织结构
热浸渗铝是指在融熔铝液中，使钢材表面形成铝--铁合金镀层的一种表面化学热处理方法。热浸铝层按其生产方法可分为浸渍型的扩散型两种。工件经热浸后直接从熔融铝液中取出经空冷凝固即为浸渍型，其表面不光滑，常有铝吸附和过剩的铝液凝固，且厚度不均匀。典型的浸渍型渗铝组织大致可分为两层：外层为纯铝，化学成分与原铝液成分相近，在纯铝层的下面是铝--铁相互扩散而形成的化合物层，呈不整齐齿状的钢基分布。扩散型则是把经过热浸铝后的工件放入空气电炉中，加热到850-920℃，保温3-4小时，然后取出空冷，在这种扩散退火处理过程中，表层的铝熔化并向金属基体内扩散渗透，纯铝层消失，齿状特征也不存在，从而形成铝--铁化合物和固熔体结晶组织的表面，这种表面具有耐高温、抗氧化和防腐蚀的性能。国内外的多次实验及实践均证明：只要渗铝层表面具有不低于7%的含铝量，就能保护金属基体，减慢以至阻止氧化和腐蚀。 浸渍型热浸铝层工艺流程：
除油--除锈--预镀--热浸铝--校正--清理--检验。 扩散型热浸铝层工艺流程：
除油--除锈--预镀--热浸铝--校正--清理--检验--扩散处理--校正--清理--检验。
渗铝层的厚度和浓度是评价渗铝工件渗铝质量的两个主要指标，但更关键的是渗铝工件表面铝的浓度而不是厚度，渗铝层薄而铝浓度高的比渗铝层厚而铝浓度低的更能耐高温氧化和腐蚀。
2．2机械性能
工件渗铝后，其机械性能变化不大，对于低碳钢由于采用高温扩散退火，其抗拉强度略有下降（约下降0.2-0.3MPa），渗铝层的硬度很高，耐磨性也较好。高温短时强度通过渗铝后有所改善，而且蠕变值有较大的提高。
2．3抗高温氧化性能
我们知道，铝是一种较活泼的金属，在大气中其表层极易与氧结合形成氧化铝薄膜，这种氧化铝薄膜是稳定、致密、无孔和连续的。它能阻止金属基体和高温或腐蚀介质的直接接触，避免其受到氧化。 但是，由于铝的熔点较低，仅600多度，如果金属表面喷铝，由于铝层是喷镀上去的，没有形成铝--铁化合物，在高温下铝层易融化或脱落，使用效果不好。而渗铝后形成的铝--铁合金熔点高达1135-1200℃，当渗铝工件渗铝层表面含铝量大于7%时，其致密的结构就能阻止氧和其它有害介质的侵蚀，把钢基体与介质隔离开，抑制了金属元素和介质通过它的扩散和界面反应。试验表明，钢材渗铝后，其使用温度可提高200-300℃。
但是，随着工件使用温度的升高，高温氧化加剧，高温氧化的发展取决于渗层/氧化膜/气体两个界面上化学反应的进行，而这两个界面的化学反应则受氧化膜结构的组成所控制。在高温下，由于扩散的化时生成的氧化铝消耗了部分的铝，同时还有部分的铝原子蒸发，导致渗层表面的铝浓度降低，从而产生表面铝的贫化现象，致使氧化介质通过氧化膜的速度加剧，界面反应加速，造成渗层的铝--铁合金氧化消耗率大于其生成增长率，最终导致铝--铁合金的减少乃至消失，所以，工件的使用温度越高，其使用寿命越短。因此，在不同的使用环境下应使用不同成分的基材，才能形成不同结构的氧化膜，以期得到最好的使用效果。 某些钢材在渗铝前后开始氧化的温度如表1所示，如果使用时间在1000-1500小时以内，可按表列温度乘以00.9-0.85的系数，即可作为使用温度，如果使用时间在5000小时以上，则乘以0.85-0.8的系数。 表1 部分钢材渗铝前后开始氧化的温度
钢种 低碳钢 铸铁 含铬铸铁（Cr1.5） 0 Cr13 0 Cr18Ni9 Cr25Ni20 母材（℃） 570 600 650 750 950 1200 渗铝（℃） 1000 900 950 1150 1250 1300 10号钢试样渗铝前后在加热5小时后的氧化增重速度测定数据见表2 表2 试样在不同温度下加热5小时的氧化增重速度（g/m2 h）
温度（℃） 试样材料及状态 1050 10号钢渗铝前 10号钢渗铝后 210 3-5 1125 287 5-7 1200 334 10-25
部分材料不同温度下氧化速度的测定数据见表3、表4
表3 590℃x1000小时的氧化速度（g/m2 h）
氧化速度 材料 母材 低碳钢 Mo1．0钢 Mo1．5钢 Cr2 Mo0．5钢 Cr1．25 Mo0．5钢 CrMo0．5钢 0．410 0．353 0．354 0．24 0．199 0．16 渗铝后 0．043 - 0．013 - 0．015 - 9．5 - 27．3 - 13．3 - 倍数 表4 800℃x1000小时、900℃x1000小时的氧化速度（g/m2 h）
材料 低碳钢（试验100小时） 低碳钢（沸腾钢）渗铝 低碳钢（镇静钢）渗铝 低碳钢（锻钢）渗铝 0Cr13渗铝 0Cr25渗铝 800℃ 8．59 0．048 0．044 0．037 0．030 0．030 900℃ - 0．1475 0．1117 0．1394 0．0737 0．0680 0Cr18Ni9渗铝 0Cr18 Ni9 0．033 - 0．0444 0．5240 2．4耐腐蚀性能
在工业化生产中，金属的腐蚀现象是十分普遍的，因腐蚀而造成的损失非常惊人。渗铝钢的抗腐蚀性能实际上就是利用铝的电化学特性，把金属同能引起腐蚀的介质隔离开，从而达到防腐蚀的目的。 2．4．1耐高温硫化物的腐蚀
渗铝钢对高温硫化物有很好的抗腐蚀性，试验表明，在480℃温度、硫化氢含量为6%时，低碳钢渗铝后的耐腐蚀性能比不渗铝的提高了29倍，含钼钢则提高了53倍。在温度为650℃、硫化氢含量为100%的工作环境中，低碳钢渗铝后的耐腐蚀性能比不渗铝的提高了290倍，合金钢、0Cr18 Ni9则提高了360倍。 2．4．2耐大气腐蚀
耐大气腐蚀的原理与耐高温硫化物腐蚀的原理是一样的，渗层的铝--铁合金能隔开潮湿空气在钢材表面形成的水膜，使钢材的电化学腐蚀无法产生。
根据国外的报道，美国的阿姆特公司曾在俄洲进行过19年的暴露试验，结果表明：镀锌的试样7年后镀层损坏，12年后30%发生铁锈，但渗铝的试样19年后仍未发生变化。
2．5工艺性能 2．5．1切削性能
渗铝层膜、脆，切削较困难，因此在使用渗铝钢的场合应先把工件加工好后再渗铝，避免渗铝工件的加工成型，否则不但加工困难，而且也破坏了渗层表面的致密层，使其防腐抗氧化性能下降。 2．5．2可塑性
钢材经渗铝后可塑性极差，φ25x2.5的渗铝钢管冷弯试验时，当R=20弯至60度时受拉面发现裂纹；当R=30弯至90度时受拉面发现穿过渗铝层裂纹；大于180度时裂纹延伸至基体内。不出现裂纹的弯曲半径最少要在5倍管径以上。 2．5．3可焊性
渗铝钢焊接时若在氧化铝表层用普通不锈钢条直接打弧，焊接接头中会出现一些蜂窝状气孔或夹渣，这是因为在焊接过程中，铝极易氧化成氧化铝，氧化铝组织致密，熔点高，它覆盖在金属基体表面阻碍金属熔和，且氧化铝比重大，在焊缝中易形成夹渣，一般应在焊接前将焊接部件表面的氧化铝层去除，只保留铝--铁合金层再进行焊接或采用专用的渗铝钢焊条A312SL（奥312渗铝）。
A312SL 是钛钙型药皮的不锈钢型焊条，经过多个工程的使用证明，其焊缝金属与母材过渡平稳，能有效地保护渗铝层，全位置焊接。焊接时交直流两用（AC）65V），焊缝金属具有与渗铝钢相匹配的耐腐蚀性和抗高温氧化性。
具体数值见表5、表6、表7
表5 焊缝金属主要成份（%）
C <0.12 Mn 0.5-2.5 Si <0.90 Cr 22.0-25.0 Ni 12.0-14.0 Mo 2.0-3.0 S <0.030 P <0.035 表6 焊缝金属机械性能
试验项目 保证值 ob(Mpa) >550 δ5（%） >25 表7 焊接参考电流
焊条直径（mm） 焊接电流（A） 2.0 25-50 2.5 50-80 3.2 80-110 4.0 110-160 5.0 160-200 在使用该焊条焊接前，焊条需经300℃左右烘焙1小时，随烘随用，尽可能采用直流电源，因用交流焊接时，熔深较浅。但电流不宜过大，以免焊条发红。
3 渗铝钢在硫酸装置中的应用
硫酸生产装置的特点是高温、腐蚀性强，因此在不同的工段应根据介质的特点选取不同的材料以求得到最好的应用效果。多年的实践表明，渗铝钢在硫酸行业的应用取得良好的效果并有着广阔的应用前景。 3．1换热器
以前，换热器的换热管一般都使用低碳钢，当换热器的温度较高时易产生高温氧化，温度低时又会出现露点腐蚀。因此，虽然设计时经常在换热器的气体进口处设置了保护近，但换热管的使用寿命仍不长，特别是在系统不稳定的情况下，换热管的损坏更快。后来，随着渗铝钢应用的日益普及，我们在设计新换热器时逐步把换热管材料改换成低碳钢渗铝，实践证明，采取这种措施能延长使用寿命一倍以上。
在硫酸装置中，换热器的换热管与管板连接大都采用涨接或先涨后焊，效果不错。但当换热管改为渗铝管后，由于渗铝层硬、脆且可塑性差，因此涨接较困难，有时涨接时不得不磨去钢管两端的渗铝层，工作量很大。且涨接时容易破坏渗层外致密的保护层，考虑到硫酸中的换热器都是常压设备（若是压力容器则另当考虑），根据笔者的经验，换热管与管板的连接采用渗铝钢焊条焊接较好。这种结构的换热器已有十年的使用业绩。
3．2不锈钢转化器
不锈钢转化器具有可靠性较高、使用寿命较长、不掉氧化皮及维修费用较低等优点，在国外应用较普遍。但国内只有部分大型装置才采用不锈钢转化器，影响不锈钢转化器的国内的进一步推广使用的主要因素是国内不锈钢价格的居高不下。据了解，国外不锈钢与碳钢的价格比为1：3，而国内则高达5以上。 针对我国的国情，利用低碳钢渗铝后良好的抗高瀑氧化性能，我们开发了不锈钢--渗铝钢转化器，把转化