D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1990.02.026 北京科技大学学报 第12卷第2期 Vo1.12No.2 1990年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing March 1990 Fe25Cr20Ni2,4Si合金在H2S-H2中 的高温疏化行为 周春根黄震中朱日彰 滴要:本文使用连线称重装置和非连绕称重装置对Fc25Cr20Ni2.Si合金在 H2S-H2气氛中的高温疏化行为进行了研究。结果表明:这种合金的硫化动力学行为遵循 抛物线规律。腐蚀产物有三层:最外层(称OL-I层)由F©-Ni-S系统组成,中间层(称 OL-I层)由Fc-Cr-S系统组成,内硫化层(Subscale)由一些弥散的硫化物相组成。 标记实验的结果表明:合金在疏化过程中,腐蚀产物的最外两层的生长是由金属离子向外扩 散控制,而内硫化层的生长是由分解机理控制。 关键词:动力学,硫化,腐蚀,扩散 Sulfidation Kinetics of Fe25Cr20Ni2,4Si in H2S-H2 Atmosphere Zhou Chungen Huang Zhenzhong Zhu Rizhang'. ABSTRACT:The sulfidation kinetics of Fe25Cr20Ni2.4Si were carried out at H2S-H:atmospheres by means of continuously-weighing device and non-conti- nuously weighing device.Sulfidation kinetics curves of the alloy obeys parabolic law.The composition and morphology of sulfide scales were also studied.All sulfide scales consist of two surface layers in addition to subscale.Two surface layers are controlled by predominante diffusion of metals.The subscale grow is controlled by the inward diffusion of sulfur. KEY WORDS:kinetics sulfidation,corrosion,H2S,diffusion 在煤的转化、石油化工等企业中存在着严重的高温硫腐蚀,因此研究高温硫化具有很重 要的意义。目前,对Fe25Cr20Ni2.4Si合金的硫化行为的研究未见报道,本文对这种合金的 硫化行为进行了较为详细的研究。 1989-04-12收稿 ·表面科学与脑蚀工程系(Dcpt,of Surface Sci,and Corro,Bng,) 137
权 第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 、 。 名 合金在 一 中 气 、 的高温硫化行为 周春根 黄震 中 朱 日彰 ’ 摘 要 本 文 使 用 连 续 称 重 装 置 和 非 连 续 称 重 装 置 对 合 金 在 一 气氛中的 高温 硫化 行 为进 行 了研究 。 结果 表明 这 种 合金 的硫化 动力学 行 为 遵循 抛 物线规 律 。 腐蚀 产物 有三层 最外层 称 一 层 由 卜 卜 系统组成 , 中间层 称 一 工层 由 一 一 系统组成 , 内 硫 化 层 由一 些 弥 散 的硫化 物相组 成 。 标 记 实验 的结果表明 合金 在 硫化过程 中 , 腐蚀 产物 的最外 两层 的生 长是 由金属 离子 向外扩 散 控 制 , 而 内硫化 层的生 长 是 由分 解机理控 制 。 关 键词 动力学 , 硫化 , 腐蚀 , 扩散 。 一 赵 万 二 夕 “ 之 ’ 一 一 一 一 住 一 一 · , , 声 , 在煤 的转化 、 石 油化工等企业 中存在着严重 的 高温 硫 腐蚀 , 因此研究高温硫 化具有很重 要的意义 。 目前 , 对 合金 的硫化行为 的研 究未见报道 , 本文 对这 种合金 的 硫化行为进 行了较为详细 的研究 , 一 一 收稿 表面 科学 与腐蚀工程系 DOI :10.13374/j .issn1001-053x.1990.02.026
1实验方法 (1)实验材料实验材料是Fe25Cr20Ni2.4Si合金,其化学成分为(wt%):Cr- 24.96:Ni-19.96ySi-2.4;C<0.01yMn-0.15;Mo-0.15,其余为Fe。 材料经真空感应炉冶炼后锻成中18mm的棒,经1050°C保温2,5h后水淬。加工成中13mm ×1.3mm的圆片。边缘打一小孔,以便悬挂。用180~1000*水砂纸逐渐打磨,酒精擦洗烘千。 (2)实验装置本文中使用了非连续称重装置及连续称重装置,其中非连续称重装置以 及其实验方法可行性的研究已被阐述【2]。由于用非连续称重装置来测绘合金的硫化动力学 曲线需较长的时间,所以自行设计了一个连续称重装置来测量合金的疏化动力学曲线。连续 称重装置是用弹簧称称重。 在这个装置中使用了不锈钢弹簧及测高器来测定硫化过程中试样的增重情况。实验温度 用DWT-720型控温仪控制。气体流量由特制的H,S、H2流量计、减压阀控制。由于不秀钢 弹簧离加热炉很远,在不锈钢弹簧部分还有冷却水冷却,所以不锈钢弹资在H,S、H,气氛中, 温度接近室温不会发生腐蚀。 使用连续称重装置来测量合金硫化动力学的步骤与常规步骤相同。 为了弄清Fe25Cr20Ni2.4Si合金的硫化机理,本文采用了Pt标记实验进行研究。Pt标记 实验的具体做法是:用高频点焊机将Pt丝焊在试样的表面,然后将焊好的试样置于规定的温 度和硫压下进行硫化,疏化以后,打磨试样的横截面,最后用打描电镜观察铂标记在腐蚀产 物中的位置,由此来确定合金的硫化机理。 2实验结果 2.1硫化动力学 (1)非连续称重条件下的硫化动力学曲线 7,5 图1是使用非连续称重装置所测得的关于 6,0 Fe25Cr20Ni2.4Si合金在Ps,=758×10-5kPa, 800"℃ 4.5 曲线。 3.0 见,合金的能化动力学曲线遵 物线规律,而且随着温度的升高,抛物线速度 1, 35℃ 常数增大。 60 120180240300360 (2)连续称重条件下的硫化动力学曲线 t,min 图2是试样合金在Ps,=5.9×10-5kPa, I图1非连续称重硫化动力学曲线(P·2=758× 温度为735°C、800°C、850°C条件下的硫化动 10-5kPa) Fig.1 Weight gain vs time by non- 力学曲线。 continuously weighing devicc 从图2可以看出:合金的硫化经过一段时间的孕育期之后,硫化动力学曲线遵守龙物线 规律,而且随着温度的升高,硫化速度增大。 138
实 验 方 法 实验材料 实验 材 料 是 。 合金 , 其 化 学 成 分 为 一 。 一 。 , , 一 一 , 其余为 。 材料经真空感应炉冶炼后 锻成价 的 棒 , 经 。 “ 保温 后 水淬 。 加 工成价 的 圆片 。 边缘打一小 孔 , 以便 悬 挂 。 用 澡 一 水砂纸逐渐 打磨 , 酒精擦 洗烘 干 。 实验装置 本文 中使用了 柞连 续称重装置及 连 续称重 装置 , 其 中非连续称 重装置以 及 其实验 方法可行性 的研究已被阐述 【 ” 。 由于 用 非连 续 称重 装置来测绘 合金 的硫 化 动 力学 曲线需较长的时 间 , 所以 自行设 计了 一 个连 续称重装置 来侧 量 合金 的硫 化动力学 曲线 。 连 续 称重装置是 用弹簧称称重 。 在这个装置 中使 用了 不 锈钢弹簧及 测 高器来 测定硫 化过 程 中试样的增重情况 。 实验温 度 用 一 ” 。 型控温仪 控 制 。 气体流 量 由特制的 、 流 量计 、 减 压 阀控 制 。 由于 不 诱钢 弹簧离加 热炉很 远 , 在不锈钢弹 簧部分还有冷 却水冷却 , 所以 不 锈钢弹 簧在 、 气氛 中 , 温 度接近 室 温 不 会发 生 腐蚀 。 使用连 续称重 装置来 测 量合金 硫 化动 力 学的 步骤 与 常规 步骤 相同 。 为了弄 清 。 合金 的硫 化机 理 , 本文 采 用 了 标 记 实验进 行研究 。 标记 实验 的具 体做 法是 用 高频点焊机将 丝焊 在试样的表面 , 然后将焊 好的试样置于 规定 的温 度 和硫压 下进 行硫 化 , 硫 化以后 , 打磨试 样的横截面 , 最后用 扫描电镜 观 察铂 标记在腐蚀产 物 中的位置 , 由此来 确定合金 的硫 化机 理 。 实 验 结 果 硫化动 力学 非连 续 称重 条件下的硫化动力学 曲线 图 是使用 非连 续称重装置所 侧 得的关 于 合金 在 , 一 ’ , 温 度为 、 、 下的硫 化动力学 曲线 。 由图可见 , 合金 的硫 化动力 学 曲线遵守抛 物线规律 , 而且随 着温度的升高 , 抛物线 速度 常数增大 。 连 续称 重条 件下的硫 化动力学 曲线 图 是试样合金在 一 ’ , 温 度为 、 、 条 件下的硫 化动 力学 曲线 。 , 。 。 匡止… 、 丫 ’ 甲,一 一 ,口 口曰 一 ,试 曰一 叼 一 叹 一写 【妇 生 士 , 卜连续 称 重 硫化劝 力学 曲 线 。 一 一 主 从图 可以 看出 合金的硫化经过一段时间的 孕育期之 后 , 硫 化动力 学 曲线遵 守撇物线 规 律 , 而且随 着温 度的升高 , 硫化速度增 大
6.0 /850'c 3 4.5 3,0 1.5 -735C 0 60120180240300360420480 min 图2连续称重硫化动力学曲线(P,2=5.9×105kP) Fig.2 Weight gain vs time by continuously weighing device 2.2硫化物分析 图3为试样合金在P.2=1,40×10-5kPa,温度850°C条件下,硫化240min后,腐蚀产物 的横截面形貌。 从形貌图上可以看出:腐蚀锈层由名层组成:OL-I层、OL-I层和内硫化层。 30 15 r 300”400300 8007元0 D,m 图4a,Fe、Cr、Ni和S在腐蚀产物中的含量分 布图(800C,3.5h) Fig.a Distribution of Fe,Cr,Ni and S (800°C,2.5h) 16f Subscale. 十0L-JⅡ 12 中 图3试样合金于850°C在H2S-H2气氛条件碗 化后,腐蚀产物的横裁面形貌图(1,OL Ⅱ层2,OL-1层,3,内毓化层) Fig.3 Cross-section of sulfide scale 0 (850C,H:S-H:,240min) 100200300400500600700 D,um 图bSi在腐蚀产物中的含量分布 (850°C,3.5h) Fig,4b Distribution of silicon (850"C,3.5h) 139
实 验 方 法 实验材料 实验 材 料 是 。 合金 , 其 化 学 成 分 为 一 。 一 。 , , 一 一 , 其余为 。 材料经真空感应炉冶炼后 锻成价 的 棒 , 经 。 “ 保温 后 水淬 。 加 工成价 的 圆片 。 边缘打一小 孔 , 以便 悬 挂 。 用 澡 一 水砂纸逐渐 打磨 , 酒精擦 洗烘 干 。 实验装置 本文 中使用了 柞连 续称重装置及 连 续称重 装置 , 其 中非连续称 重装置以 及 其实验 方法可行性 的研究已被阐述 【 ” 。 由于 用 非连 续 称重 装置来测绘 合金 的硫 化 动 力学 曲线需较长的时 间 , 所以 自行设 计了 一 个连 续称重装置 来侧 量 合金 的硫 化动力学 曲线 。 连 续 称重装置是 用弹簧称称重 。 在这个装置 中使 用了 不 锈钢弹簧及 测 高器来 测定硫 化过 程 中试样的增重情况 。 实验温 度 用 一 ” 。 型控温仪 控 制 。 气体流 量 由特制的 、 流 量计 、 减 压 阀控 制 。 由于 不 诱钢 弹簧离加 热炉很 远 , 在不锈钢弹 簧部分还有冷 却水冷却 , 所以 不 锈钢弹 簧在 、 气氛 中 , 温 度接近 室 温 不 会发 生 腐蚀 。 使用连 续称重 装置来 测 量合金 硫 化动 力 学的 步骤 与 常规 步骤 相同 。 为了弄 清 。 合金 的硫 化机 理 , 本文 采 用 了 标 记 实验进 行研究 。 标记 实验 的具 体做 法是 用 高频点焊机将 丝焊 在试样的表面 , 然后将焊 好的试样置于 规定 的温 度 和硫压 下进 行硫 化 , 硫 化以后 , 打磨试 样的横截面 , 最后用 扫描电镜 观 察铂 标记在腐蚀产 物 中的位置 , 由此来 确定合金 的硫 化机 理 。 实 验 结 果 硫化动 力学 非连 续 称重 条件下的硫化动力学 曲线 图 是使用 非连 续称重装置所 侧 得的关 于 合金 在 , 一 ’ , 温 度为 、 、 下的硫 化动力学 曲线 。 由图可见 , 合金 的硫 化动力 学 曲线遵守抛 物线规律 , 而且随 着温度的升高 , 抛物线 速度 常数增大 。 连 续称 重条 件下的硫 化动力学 曲线 图 是试样合金在 一 ’ , 温 度为 、 、 条 件下的硫 化动 力学 曲线 。 , 。 。 匡止… 、 丫 ’ 甲,一 一 ,口 口曰 一 ,试 曰一 叼 一 叹 一写 【妇 生 士 , 卜连续 称 重 硫化劝 力学 曲 线 。 一 一 主 从图 可以 看出 合金的硫化经过一段时间的 孕育期之 后 , 硫 化动力 学 曲线遵 守撇物线 规 律 , 而且随 着温 度的升高 , 硫化速度增 大
2,3X射线分析 从扫描电镜照片中看出:合金硫化后,腐蚀产物由8层组成,经X射线分析表明: OL-I层主要为(Fe,Ni),Ss及FeS组成;OL-I层主要为FeCr2S4、Cr2Ss组成;内硫化 层由Fe2SiS4、Cr2S、NiS组成。 2.4电子探针结果 图4为试验合金在Ps2=7.84×10-5kPa,温度为800°C条件下硫化后,Fe、Cr、Ni、 S和Si在腐蚀产物中的含量分布。由图看到,内硫化层中Fe、Si、Cr、S和Ni含量都很高; OL-I层中Fe、Cr和S的含量很高,Si和Ni的含量很低,也就是说OL-I层主要由Fe-Cr-S体 系组成;OL-I层中Fe、Ni、S的含量很高,而Si、Cr的含量很低,即该层主要由Fe-Ni-S体 系组成。这个结果与X射线的结果是一致的。 温度735°C,硫压Ps,=1.94×10-5kPa下硫化后腐蚀产物的0L-I层的外表面和0L~I 层的内表面的俄歇分析也得到相同的结果。 2.5标记实验结果 图5为实验合金在Ps,=7.84×10-5kPa,温度为800°C条件下,硫化以后的Pt标记实验 结果。从结果看出,P标记都处在内硫化层上面,这表明外面二层的生长都是由于金属离子 向外扩散的结果,而内硫化层的生长则是由于硫向内扩散所致。 b a 图5实验合金碇化后腐蚀产物的横戴面形貌图 Fig,5 Cross-section of sulfide scale 3讨 论 Fe25Cr20Ni2.4Si合金硫化的动力学曲线表明,合金的硫化遵守抛物线规律。这表明合 140
射线分析 从 扫描 电镜照 片 中看出 合金 硫化后 , 腐蚀产物 由 层 组 成 , 经 射 线 分 析 表 明 一 层 主要为 , 。 及 组 成 一 层 主要为 ‘ 、 组 成, 内硫化 层 由 ‘ 、 、 组 成 。 电子 探 针结 果 图 为试 验 合金 在 · 一 , 温 度为 ’ 条件下 硫化后 , 、 、 、 和 在腐蚀产物 中的含量 分布 。 由图看到 , 内硫化层 中 、 、 、 和 含量都很高 一 层 中 、 和 的含量很 高 , 和 的含量很低 , 也就是说 一 层主要 由 一 ,一 体 系组 成 一 层中 、 、 的含量很 高 , 而 、 的含量很低 , 即该层主要 由 一 一 体 系组 成 。 这个结果与 射线 的结果是一致 的 。 温度 ’ , 硫压 一 ‘ 下 硫化后腐蚀产物的。 一 层的外表面和 一 层的内表面的俄歇分析也 得到相 同的结果 。 标记 实验结果 图 为实验合金 在尸“ 了 一 “ , 温度为 条件下 , 硫化以后的 标记实验 结 果 。 从结果看出 , 标记都处在 内硫化层上面 , 这表 明外面二层的生 长都是 由于金属离子 向外扩散的结果 , 而 内硫化层的生长则是由于硫 向内扩 散所致 。 图 实验合伞声化后腐蚀产物的横截面 形 貌图 一 讨 论 合金硫化的动力学曲线表明 , 合金的硫化遵守抛物线规律 。 这 表明合
金的硫化是受反应剂在腐蚀产物中的书扩散控制【3]。从标记实验结果可以看出:F25Cr 20N2.4Si硫化以后,Pt标记处在OL~I层与内硫化层的交界处。由此可以得出合金的硫化 机理为:合金在起初的硫化过程中,金属离子向外扩散到气体/硫化层界面同硫反应,形成 了OL-I层及OL-I层。由于外面两层由多相组成,而且它们之间互溶解,因此,各相之间都 互相形成一种机械障碍阻止对方的塑性变形4」,这就导致了外锈层分解。分解产生的流通 过腐蚀产物中的裂纹向内扩散到硫化层/合金界面,同合金元素发生反应,形成了内硫化层。 总之,外两层的生成是由金属离子向外扩散控制,而内硫化层的生成是由外绣层的分解所 致。这个机理与Dravnieksi和Mcdonaldt5],Meussner和Birchenallt8]提出的机理相同。 4结 论 (1)Fe25Cr20Ni2.4Si合金的硫化遵守抛物线规律,而且随着温度的升高,合金的硫化 速度增大。 (2)合金经过碗化以后,腐蚀产物由3层组成。OL-I层由F-Ni-S系组成,OL-I层由 Fe-Cr-S系组成。内硫化层(Subscale)由一些弥散的硫化物相组成。 (3)标记实验结果表明,合金在硫化过程中,腐蚀产物的最外二层的生长由金属离子向 外扩散控制,而内硫化层的生长是由外锈层的分解控制。 参考文献 1 Rao D B,Nelson H G.Oxid Met,1977;11:37 2正才荣,朱日衫,张文奇,中国腐蚀与防护学报,1988;8:220 3 Mrowec S.Corrosion Sci,1967;7:563 4 Bruckman A.Corrosion Sci,1967;7:51 5 Dravnicks A,Mcdonald H.J Electrochem,1948;94:139 6 Birchenall C.Corrosion Sci,1957;13:677 以以冰战战州然出州州以兴州以州州以将州以然X然州州州以*以州名州州州然州战州湖效 等轴细晶锭真空双电极自耗设备和工艺的研究 上海钢铁研究所在北京科技大学的协作下,于1984年首先研制成1台模拟试验炉,治炼 出140mm×150mm,重20kg的细晶锭。在,总结这台试验炉的基础上,接着在1985年研制成国 内第1台,也是迄今为止唯一的1台真空双电极电弧自耗重熔设备。经过1986、1987年两年 的工艺试验和实际使用证明,设备已经达到和超过原订技术指标。目前设备已具有熔炼直径 中80~p250mm、重30~200kg等轴细晶锭的能力。该设备填补了国内技术空白,在国内首创, 已接近(有些方面已达到)目前国际先进水平。设备的“拉锭装置”和“双电极位置与电弧 弧长的微机控制”具有独创性,已申请了专利。 已经对GH-22(Hastellay X)、GH-901、Kg等高温合金,3J22等精密合金,9341高速 钢以及钛合金等11个牌号的材料进行了熔炼试验。其中3J22精密合金已经熔炼出中180mm× 600mm,重120kg的细晶锭,铸锭平均晶粒尺寸为0.17mm。由其加工成p0.5mm的细丝成品 供用户使用,情况良好。该合金的锻造收得率与通常的真空电弧重熔锭相比高30%~40%, 电耗低30%左右。此外还进行了9341高速钢的真空电弧双电极重熔工艺试验研究。试验证 明,在真空条件下,可获得无气孔的等轴细晶锭,从而使碳化物不均匀性显著改善。真空电 弧双电极重熔为解决高速钢等高碳材料的碳化物不均匀性提供了新的工艺途径。 粥粥州兴名州妈州州州烤州州州斜%然州州州就州然州州州州州材然烘以以渊州 141
金的硫化是受反应 剂 在腐蚀产物 中的扩 散控制〔 “ 。 从 标 记 实 验 结 果 可 以 看 出 硫化以后 , 标记处在 一 层 与内硫 化层的交界处 。 由此可以 得 出合金 的流化 机 理 为 合金在起初 的硫化过程 中 , 金 属离子 向外扩 散到 气 体 硫 化层界面 同硫 反 应 , 形成 了 一 层及 一 层 。 由于外面 两层由多相组 成 , 而且它们之 间互溶解 , 因此 , 各 相之 间都 互 相形成一种机械 障碍阻止对方的塑性 变形 〕 , 这就 导致 了 外锈 层分解 。 分解产 生 的 硫通 过腐蚀产物 中的裂纹 向 内扩 散到硫化层 合金 界面 , 同 合金元素发生反应 , 形成了 内硫化层 。 总之 , 外 两层的生 成是 由金 属 离子 向外扩散控制 , 而 内硫 化层 的生成是 由外 锈 层 的 分 解所 致 。 这个机理与 和 ” , 和 「“ 提 出的机理相 同 。 结 论 。 合金 的硫 化 遵守勉物 线 规律 , 而且随着温 度的 升高 , 合 金 的硫 化 速度增 大 。 合金经过硫化以 后 , 腐蚀产物 由 层组 成 。 一 层 由 一 一 系组 成 , 一 层 由 一 一 系组 成 。 内硫化 层 由一些弥 散的硫化物 相组成 。 标记实验结果 表 明 , 合金 在硫 化过程 中 , 腐蚀产物 的最 外二 层 的生 长 由金 属 离子 向 外 扩散控制 , 而内硫 化层 的生 长是 由外锈层 的分解控制 。 参 考 文 献 , 。 , 王 才荣 , 朱 日彰 , 张文 奇 中国 腐蚀 与防护学 报 , 人 一 。 夕 了 , , , 人 , , 陀 , 李心毛二心名李李毛李布弓二戈弓李倪 二心名姿完二希毛姿识 手李弓李令毛李心名吕君吕毛李令名吕弓 矛倪 等轴细 晶锭真空双电极 自耗设备和工艺的研究 上海 钢铁 研究所 在北京科技 大学 的协 作下 , 于 年首先 研制成 台 模拟 试验 炉 , 冶 炼 出价 。 。 , 重 的细 晶锭 。 在总结 这 台试验炉 的基础上 , 接着 在 年 研 制 成 国 内第 台 , 也是迄今为止唯一 的 台真空双 电极 电弧 自耗 重熔 设备 。 经 过 、 年 两 年 的工艺试验 和实际使 用证明 , 设备已经达 到和超 过原订技 术 指标 。 目前设备 已具 有 熔 炼 直径 必 功 、 重 一 。 。 等轴细 晶锭 的能 力 。 该 设备填补 了国 内技 术 空 已接近 有些 方面 已达到 目前国际先进水平 。 弧长的微机控制 ” 具有独创性 , 已 申请 了专利 。 白 , 在 国 内 首创 , 设 备的 “ 拉锭 装置 ” 和 “ 双 电极 位置 与电弧 已经对 一 、 一 、 等高温合金 , 等 精密合 金 , 钢 以及钦合 金等 个 牌号 的材料进行 了熔炼试验 。 高速 其 中 精密合金 已经熔炼 出 功 , 重 的细 晶锭 , 铸 键 平均 晶粒 尺寸为 。 由其加工成叻。 的细丝 成 品 供 用户使用 , 情况 良好 。 该合金 的锻造 收得率 与通常 的真空 电弧重熔锭相 比 高 , 电耗低 左右 。 此 外还进行 了 高速钢 的真空 电弧双 电极重熔 工 艺 试 验研究 。 试验证 明 , 在真空条件下 , 可获得 无气孔 的等轴细 晶锭 , 从而使碳化物不均匀性显著改 善 。 真空电 弧 双 电极 重熔为解决高速钢等 高碳材料 的碳化物不均 匀 性提供 了新的工艺途径 。 二希月 心 吕名只名 产 月副凡 创、 济 乞八 入, 电曰入, 勺‘ 几 人 丫 『 , 响、 州 ‘ 、 广, 丫, 尸、 尸 『、 尹 ,, 、 了 ‘ 、 丫 护宁、 ‘ 甲