摘要：哈(ha)氏(shi)(shi)合(he)金公司不斷發明新的(de)(de)哈(ha)氏(shi)(shi)合(he)金廣泛應用(yong)于(yu)化工及其(qi)他行業中來抵抗各種嚴苛(ke)的(de)(de) 腐(fu)蝕環境。由于(yu)哈(ha)氏(shi)(shi)合(he)金出(chu)色(se)的(de)(de)性能(neng),它的(de)(de)應用(yong)范圍廣泛,是安(an)全,可靠(kao),性價比高的(de)(de)耐腐(fu) 蝕材料。
關鍵詞(ci)：哈(ha)氏合金(jin),耐腐蝕材料(liao)
Brief: Hastelloy® alloys and Haynes® alloys have been developed over years to provide an excellent corrosion resistance to various medias in chemical and other industries. Due to their wide application range, they are safe, reliable and cost-effective corrosion-resistant materials. Keywords: Hastelloy alloy, Haynes alloy, corrosion-resistant material.
化(hua)工(gong)行業中(zhong)有各(ge)種(zhong)各(ge)樣的(de)(de)化(hua)學介質,在(zai)不(bu)(bu)同的(de)(de)工(gong)藝環(huan)境下(xia),它們表現出了(le)不(bu)(bu)同程度的(de)(de)腐(fu)蝕性(xing)。 而哈氏(shi)合(he)金作為高級的(de)(de)鎳基合(he)金對多種(zhong)惡劣的(de)(de)腐(fu)蝕環(huan)境都有優(you)異(yi)的(de)(de)抗(kang)腐(fu)蝕性(xing)能(neng),是實現很(hen)多 化(hua)工(gong)工(gong)藝不(bu)(bu)可或(huo)缺的(de)(de)材料(liao)。同樣的(de)(de)在(zai)其他有嚴重(zhong)腐(fu)蝕的(de)(de)工(gong)業中(zhong),也有廣泛的(de)(de)應用。本文將講述哈氏(shi)合(he)金的(de)(de)發展史,特點,類型。
哈(ha)氏合金的名稱源于Hastelloy®,是(shi)美國Haynes International公(gong)司(si)(前(qian)身為Haynes Stellite Works)的商(shang)標。這個是由HAYNES中的HA,STELLITE的STELL及(ji)ALLOYS中的OY組 成(cheng)的。Haynes公司發明的第一個哈氏合金是Hastelloy® B,用于航空器的(de)火箭(jian)噴嘴。緊跟B 合金之后的Hastelloy® C合金在化(hua)工工業得(de)到迅速而廣泛的應(ying)用(yong)。除(chu)了在各種化工(gong)及石油化工(gong)行業(ye)扮演(yan)主要角色外,此合金還曾經應用于核能源工(gong)業(ye)及制藥工(gong)業(ye)。接著,Haynes公司 繼續開(kai)發(fa)出了(le)有極好耐高溫(wen)性能(neng)的Hastelloy® X合金,并取(qu)得極大成功。隨(sui)著當(dang)時噴氣式 飛機(ji)工業急速的(de)增長,這個(ge)合金成為發動機(ji)生產商的(de)首選(xuan)。一(yi)些石化(hua)工業中的(de)火炬也是用它制作而(er)成的(de)。
到了(le)二十世紀六(liu)十年代,哈氏耐腐蝕合(he)金(jin)得到了(le)突破性的發(fa)展。以前阻礙Hastelloy合金發展的蕞(zui)大障礙是該合金需要焊后固溶處理,不然焊接熱影響區的抗腐蝕性能會大大下降,而焊接是絕大多數設備生產中所必須的加工過程。Hastelloy® C-276為此難題(ti)提(ti)供了解決方案(an)。由于氬氧脫碳(tan)重熔精煉工(gong)藝的出現(xian),使得合金能(neng)(neng)夠達到極(ji)低的碳(tan)硅含量(liang),保證了在(zai)焊接區域仍(reng)能(neng)(neng)具有和(he)基材一(yi)樣的抗腐(fu)蝕(shi)性能(neng)(neng)。近代的抗腐(fu)蝕(shi)合金基本(ben)上都是通過這種技(ji)術保證極(ji)低的 碳(tan)硅含量(liang)。
二十世紀七八(ba)十年代(dai),耐(nai)腐蝕合金性能再次得到提(ti)升(sheng),并且(qie)開始針(zhen)對不同的(de)環境進(jin)行專(zhuan)門的(de) 優化。Hastelloy® B-2合(he)金是在B合(he)金(jin)的(de)基礎上(shang)改進得到(dao)的(de),但它卻是一個針對還原性(xing)環境(jing) 的(de)耐腐蝕(shi)合(he)金(jin)。它有著優異的(de)抗腐蝕(shi)性(xing)能,但加工性(xing)較差(cha)。C-276雖然獲得巨大(da)的(de)成功,但 它焊接(jie)區域(yu)的(de)性能仍然不理想,Hastelloy C-22的出(chu)現不僅解決這個問題而(er)且在(zai)大多數情況下都(dou)達到了更好的耐腐蝕性能。在(zai)抗(kang)氧化性環境(jing)方(fang)面Hastelloy® G-3, G-30®合(he)金(jin)相繼問世, 它(ta)們(men)在(zai)強氧(yang)化性或混(hun)合(he)酸的環(huan)境下(xia)表(biao)現(xian)優異。高溫(wen)合(he)金(jin)方(fang)面,Haynes® 230合金的(de)發明不僅 使得(de)(de)航(hang)空航(hang)天工業得(de)(de)到(dao)進步,它優(you)異的(de)高溫強度和抗氧化性能(neng)力也推動了化學工業的(de)進步獲得(de)(de) “Chemical Processing” 獎
二(er)十(shi)世紀九十(shi)年代,Hastelloy® B-3®的發明徹底改變了 B-2在通過中(zhong)間溫度時容易析出 Ni-Mo沉淀相(xiang)導(dao)致沉淀的缺點,加工(gong)性(xing)能得到(dao)很(hen)大改善。為(wei)了進一(yi)步(bu)拓展C系列(lie)合金的適用范圍,在Hastelloy® C-2000®加入銅,在(zai)很大(da)程度上拓展了(le) C-2000®在(zai)還原性環境(jing)中的抗腐蝕能力(li),尤其(qi)是硫酸和氫氟酸。新型的Hastelloy® G-35®合金雖然(ran)歸入G系(xi)列,但它本 質上是一種鎳-鉻-鉬合金,成份上更接近C系列合(he)金。只是因為它的發明(ming)仍(reng)然是針對強氧化 性以及(ji)混(hun)合(he)酸環境設計的,所以商業牌號仍(reng)然歸入(ru)G系列。
抗腐蝕材料按照其性(xing)質可分為非金屬材料和金屬材料。
常見(jian)的(de)非(fei)金(jin)屬材料有(you)陶(tao)瓷(ci),玻(bo)璃鋼,搪瓷(ci),石墨,塑料等等,它們的(de)優點(dian)是幾乎不會發(fa)生腐 蝕(shi),但是它們多數只能(neng)應用到200°C,而且不(bu)能承受高的(de)壓力。由于不(bu)能焊接,它們(men)制造的(de) 設備相對較小(xiao),也(ye)不(bu)易修補(bu)。
金屬(shu)抗(kang)腐蝕材料按(an)照其本質來說(shuo)主要有鐵基合金（不(bu)銹(xiu)鋼）,鎳(nie)(nie)基合(he)金(jin)(jin)以及活性金(jin)(jin)屬。哈氏合(he)金(jin)(jin)就屬于高等的(de)(de)鎳(nie)(nie)基合(he)金(jin)(jin)。由于鎳(nie)(nie)本身為面心(xin)立方結(jie)構,晶(jing)體學上的(de)(de)穩定(ding)性使得它能夠比 鐵基合(he)金(jin)(jin)容納更多的(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元素（鉻,鉬等）以達到抵抗各種環境的(de)(de)能力(li)。加上鎳(nie)(nie)本身的(de)(de)就具(ju) 有(you)(you)一定(ding)的(de)(de)抗腐(fu)蝕能力(li),尤其是抵抗氯離(li)子(zi)引起的(de)(de)應力(li)腐(fu)蝕能力(li)是所有(you)(you)的(de)(de)不(bu)銹(xiu)鋼所不(bu)能比擬的(de)(de)。無論(lun)是普通(tong)的(de)(de)300系列不銹鋼（304,316L等),還是抗(kang)腐(fu)蝕能力(li)較強的(de)奧氏(shi)體不(bu)銹鋼 (904L,254SMO等）,雙相鋼（2205,2507等）及含銅的20合(he)金系列的總體抗(kang)腐蝕(shi)能(neng)力都不及(ji)鎳基合(he)金（哈(ha)氏合(he)金),這種抗(kang)腐蝕性的(de)差距在還原性的(de)環(huan)境,復雜(za)的(de)混合(he)酸環(huan)境以(yi) 及含有鹵(lu)素離(li)子(zi)的(de)溶液中尤其明顯。圖1為Hastelloy® C-2000®和幾種鐵基材料(liao)在鹽(yan)酸中
0.1mm/y等(deng)腐蝕(shi)線的比較
活性(xing)(xing)金屬(shu)（鈦,鋯,鉭）有(you)著(zhu)非常好的(de)(de)抗腐蝕能力,尤其是(shi)鈦材在國(guo)內有(you)著(zhu)廣泛的(de)(de)應用,主 要(yao)用于(yu)替代一些不銹鋼無法適應的(de)(de)腐蝕環(huan)境。但是(shi),鈦主要(yao)通過形成致密的(de)(de)氧化膜來提供保護,在還原性(xing)(xing)較強或者(zhe)密閉(bi)性(xing)(xing)高（缺乏氧氣）的(de)(de)環(huan)境（法(fa)蘭,墊(dian)片密(mi)封面）就(jiu)容易(yi)遭到(dao)腐蝕(shi)。而且(qie)鈦的應(ying)用溫度也只能到(dao)300C。鋯、鉭雖然有(you)著極(ji)佳的(de)抗腐蝕能(neng)力(li),但由于(yu)(yu)價(jia)格昂貴, 應用(yong)(yong)受到局限。所(suo)有(you)的(de)活性金屬(shu)都不(bu)能(neng)用(yong)(yong)于(yu)(yu)含氟環境(jing)(jing)。而多數哈氏合金則(ze)能(neng)應用(yong)(yong)于(yu)(yu)更廣泛的(de)環境(jing)(jing)以及溫度區間(jian),也是為數不(bu)多能(neng)夠抵抗氟離子的(de)金屬(shu)材料(liao)之一。
哈氏合金(jin)本身屬(shu)于鎳(nie)基合金(jin),但不同于一般的純(chun)鎳(nie)（Ni200)和Monel,它以鉻鉬作為主要 的合金元素,旨在提高對各種介質和溫度的適應能力,并針對不同行業應用進行了專門的優 化。目前化工行業普遍追求高產能,不斷改進工藝,以提高溫度壓力來加快反應速度,這樣 生產就容易出現難以預計的情況,造成非計劃檢修。哈氏合金正是針對這樣的一種需求,適 應各種無法預料的惡劣環境,將非計劃檢修降到蕞低。同時,它還具有很好的加工焊接性能, 便于現場維修。
目前,抗腐蝕哈(ha)氏合金主要(yao)分為C系列,B系列,G系(xi)列及D系列合(he)金,表(biao)1列出了部分 常用哈氏合金的成分。
C系(xi)列合金就(jiu)是鎳-鉻-鉬(mu)(mu)合(he)金。由于鉻能在合(he)金表(biao)面形成(cheng)致密的氧化(hua)膜（鈍(dun)化(hua)),提供(gong)(gong)抗氧 化(hua)環(huan)境能力(li),而鉬(mu)(mu)主要提供(gong)(gong)抗還原環(huan)境能力(li)。因此C系列(lie)合(he)金(jin)可(ke)以應用于既有氧化介質(zhi)又 有還原介質(zhi)的(de)環境當中。C系列合金是應用蕞(zui)廣泛的合金,尤其是C-276合金(jin),自(zi)60年代發明后,經過(guo)40余(yu)年的(de)考驗后(hou)依然顯示出強大的(de)生命力。C-4開發后主要滿足少部分歐洲(zhou)用戶的需求,目前(qian)只(zhi)有在(zai)較老(lao)的設備中(zhong)才(cai)看得到(dao)。C-22合金在不提(ti)高成本的情(qing)況下增強(qiang)了抗(kang)腐蝕能力,性價比尤其出(chu)色(se)。C-2000®作為新(xin)(xin)一代產品提供了更(geng)大的(de)安全使用(yong)范圍,非常 適合要(yao)改善設(she)備壽命,試驗新(xin)(xin)工(gong)藝的(de)用(yong)戶。目前國內在相當多的(de)行業中已經應(ying)用(yong)了 C系列合金。如精細(xi)化工行(xing)業（TDI,PTA,醋(cu)酸/酐,丙烯酸(suan)等）；環境工程行業（FGD,污水處 理）；板式換熱器行業等。還(huan)有很(hen)多行業目前國(guo)(guo)外已經應用了哈氏合(he)金,而國(guo)(guo)內(nei)仍在試驗(yan)階 段(duan),如制藥行業等。
B系列(lie)合(he)金(jin)為鎳-鉬合金,針對完全還原的環境,提供蕞優越的抗腐蝕能力。B系列(lie)合金(jin)雖(sui)然(ran)在還原(yuan)性環(huan)境中表現優異(yi),但對氧(yang)化性介質（鐵,銅離子）卻非(fei)常敏感。50ppm的鐵(tie)離子 已(yi)經足已(yi)讓B系(xi)列合金抗(kang)腐蝕(shi)能(neng)力有(you)明顯下降。B系列合金由于它性能的特殊性,應用相 對比較集中,其中蕞(zui)主要的就是醋酸生產（羰基合成法),還有一些硫酸回收系統中也用到 該系列合金。目前廣泛應用的牌號為B-3,B-2由(you)于加(jia)工性(xing)能方(fang)面的不足,已經漸(jian)漸(jian)退出市 場(chang)。
G系列合金(jin)為鎳-鉻-鐵合金（G-35®合(he)金除外）。高的鉻含(han)量(liang)使該(gai)系列的合(he)金在抗氧化(hua)性方面非常出(chu)眾。同時,新型的G系列合金(jin)（G-30® G-35®)也有很好(hao)的(de)(de)抗點蝕能力,加上少量 的(de)(de)銅含量,增強了抗硫酸及氫氟酸的(de)(de)能力。因此,G系列合(he)金主要應(ying)用于強(qiang)氧(yang)化性的(de)環境(jing)及 混(hun)合(he)酸的(de)復雜環境(jing)中,如濕法(fa)磷(lin)酸,鋼廠酸洗線。
D系列合金為鎳-鉻-硅合金(jin)。由于該(gai)系列合金(jin)含有一定(ding)(ding)量(liang)的(de)硅,能夠(gou)在表面產生相當穩定(ding)(ding)的(de) 氧(yang)(yang)化膜,針對極端的(de)強氧(yang)(yang)化性環境,但因此該(gai)合金(jin)極難焊接(jie)。目(mu)前批量(liang)生產的(de)D系列合金為D-205,應用于(yu)高溫濃(nong)硫酸(suan)環(huan)境的板式換熱器。該合金目前(qian)通過阿法拉(la)法公(gong)司(si)獨(du)家代(dai)理, 只提供成(cheng)品板。
總結
|
表1常用哈氏合金的公稱化學成分
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合金
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Ni
|
Cu
|
Mo
|
Cr
|
Fe
|
W
|
Mn
|
Si
|
C
|
其它
|
|
C-4
|
65
|
0.5*
|
16
|
16
|
3*
|
-
|
1*
|
0.08*
|
0.01*
|
Ti: 0.07*
|
|
C-22
|
56
|
0.5*
|
13
|
22
|
3
|
3
|
0.5*
|
0.08*
|
0.01*
|
V: 0.35*
|
|
C-276
|
57
|
0.5*
|
16
|
16
|
5
|
4
|
1*
|
0.08*
|
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