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铁基材料的特性以及在化工中的应用

2021-04-03 09:17:28

现在已经很少能见到真正的纯铁了,我们概念中的铁实际上都是铁基合金。真正的纯铁柔韧性特别好,这种材料显然是不能作为建筑材料为设备提供强度的。但是偏偏非常幸运的是,在早期人类是无法炼出纯铁的,古人炼出的铁或多或少都含有杂质,主要是碳含量大概在2%-4%之间。而碳的加入反而让铁有了一定的强度,可以作为工具与设备材料,我们炼出了一个不纯的东西,可是偏偏它就有用,可谓是歪打正着。之所以炼出的铁中含碳,那是因为炼铁的过程实际上是用木炭还原铁的氧化物,木炭本身就作为还原剂,因此不可避免的残留在铁中。

铁基材料的特性以及在化工中的应用

铁基合金含碳量对材料性质的影响可谓是非常复杂,涉及到非常多的晶体与固体材料的知识,在这里我们把这个问题简化简化再简化,单纯以含碳量对铁基合金来做个分类。

自然状态下,我们炼出来的铁,其含碳量在2%-4%左右。一般来说,含碳量高的铁硬度大,但韧性也差,表现出来的特点就是易脆。由于材料脆性比较大,因此机加工性能特别差,比如说给铸铁板钻孔,一不小心就能把整块板都钻裂了。因此,要把这种材料加工成我们想要的形状,最可行的办法就是倒模。把铁融化以后变成铁水,然后倒进制定形状的模具里成型。这种加工方法叫做铸造加工,因此我们一般吧含碳2%-4%的铁称为铸铁。

铸铁实际上在生活中非常少见,好像我们比较熟悉的就是大铁锅了,其他的我们认为是铁的东西实际上都是钢。但是在化工生产中,铸铁还是比较常见的,主要是用来制造各种各样的阀门和管件。

铸铁的耐腐蚀性能尚可,至少比碳钢好一点,之所以如此是因为铸铁本身纯度不高,还含有一些其他元素,最终提高了它的耐腐蚀性能。此外铸铁家族里还有一个耐腐蚀性妖孽级别的存在,那就是高硅铸铁,这种铸铁里面含硅可以到10%以上,据说在显微镜下观察可以发现材料表面覆盖着一层二氧化硅。该材料耐腐蚀性能几乎和玻璃一样,百毒不侵。

或是因为巧合,或是因为有意为之,人们发现,对铁进行反复锻造后,铁的韧性和强度都能得到明显增强,一种新的铁基合金——钢被制造了出来。

钢材这里指碳钢,一般要求碳含量在0.02%-2%之间,低于铸铁。根据含碳量不同可以分为低碳钢,中碳钢和高碳钢。一般来说碳含量越高刚才越硬,碳含量越低钢材的韧性越好。钢材可以说是人类发现的最完美的材料,首先是钢材非常便宜,因为铁本身在地壳内丰度就很高,不同与铜,银,金等稀有金属,铁矿还是相当常见的。此外就是钢材的力学系能太好了,强度与钢度完美平衡,恰到好处,而且关键是可以调节,只要变动含碳量,就能得到不同力学性能的产品。在化工生产中碳钢的应用是非常广泛的,既可以做管道,也可以做设备主体,还可以用来做钢结构,用于支撑设备,简直就是万金油一般的存在。

碳钢的腐蚀比铸铁严重很多,上面这张图你看到的罐子都刷了漆,一方面是为了好看一方面也是防腐作用。碳钢直接暴露在空气中会产生严重的腐蚀,主要是由空气,水分共同作用导致的。实际上碳钢在干燥条件下的腐蚀并不严重,在中性与碱性条件下如果隔绝空气也可以有效阻止腐蚀。例如在纯碱工业里由于物料是碱性的且不接触空气,大部分设备都可以用碳钢。

鉴于碳钢的耐腐蚀性问题,人们又开始孜孜不倦地寻找新型材料了,在一个非常巧合的情况下,一种可以耐受腐蚀的铁基合金——不锈钢诞生了碳钢的腐蚀是非常严重的,与很多物料都会起反应,因此必须要想方设法提升碳钢的耐腐蚀能力才能让它应用于更广泛的领域。经过一系列的改进,具有良好耐腐蚀能力的不锈钢终于粉墨登场。

腐蚀有严重和轻微之分,在一些场合下,我们明明知道介质对材料存在腐蚀,但是出于经济性方面的考虑,只要腐蚀被控制在可以接受的范围内我们还是可以使用这些材料的。有过化工容器设计经验的人都听说过所谓腐蚀余量这个概念,那就是我们在设计容器的时候,有意识地把容器的壁面做厚一点。这样即使有腐蚀存在,因为腐蚀容器变薄,但是剩余部分的厚度仍然能够保证容器的强度。这种情况在化工设计中非常常见,在设计标准中也是允许的,比如说压力容器标准GB150中就规定,如果介质对容器腐蚀轻微,那么腐蚀余量1mm,也就是说在你通过强度计算算出容器厚度后,额外加上这1mm保证设备腐蚀以后也能正常运行。同样这个标准还规定,在介质对容器腐蚀较强的情况下腐蚀余量取2mm。

如何判断介质对容器的腐蚀是强还是弱呢?想当年我还是学生的时候,定腐蚀余量的时候全凭直觉,脑袋一拍就把腐蚀余量定下来了。多年过去后,现在的我已经是老司机了,终于知道了腐蚀能力的定量判断方法——那就是所谓的腐蚀实验。而有了这些定量的方法才使我们通过实验数据来定量判断腐蚀强弱,筛选相关材料成为了可能。

为什么含铬的钢铁能够抵抗腐蚀呢,现在的研究认为,铬能在不锈钢表面生成一层含有铬氧化物的保护膜,这层膜薄且致密,可以有效地抵抗腐蚀。不锈钢的出现对于铁基材料来说是一场革命,之前说过碳钢作为材料在物理性能方面是非常优越的,但是耐腐蚀性不足,不锈钢出现以后大大地扩展了钢材的使用范围。

现在不锈钢已经发展出了成百上千种牌号,根据不锈钢内部结构的分类可以将其分为马氏体不锈钢,奥氏体不锈钢,铁素体不锈钢,双相钢等等。

化工生产中常用的不锈钢牌号

304不锈钢,最常见的钢种,一般被用来做各种容器,保温杯,食品工业中用来做设备,是目前民用比较高档的钢种,属于奥氏体不锈钢。巧的是,某手机品牌还用这种钢来提升逼格。实际上304不锈钢非常普遍的,我们一般自己做设备都用它,价格不贵,也就18000/吨。

201不锈钢,一种便宜的不锈钢,主要是因为我们国家镍,201钢在不锈钢中主要用锰取代镍,因此价格便宜。民用上主要是用来做一些低端不锈钢制品。201钢的价格只有304不锈钢的70%左右。

316L不锈钢,304钢的加强版,由于添加了钼,耐腐蚀性能较304钢有明显提高。

2205不锈钢,也叫2205双相钢,2205双相钢在化工中应用也很广泛,主要是因为对抗氯离子腐蚀的能力比较好。氯离子可以说是不锈钢的噩梦,因为氯离子存在的情况下会对不锈钢产生晶间腐蚀,因此在化工厂中输送含氯的物质,比如说盐水,有人宁可用碳钢也不用不锈钢,但是2205钢在这方面的耐腐蚀性能是非常优异的。

310S不锈钢,这也是不锈钢中的极品,主要用于高温环境,正常不锈钢使用温度不宜超过600度,否则内部结构可能出现改变,强度难以保证,310S在超过600度的情况下,耐腐蚀能力与强度均能维持在较高水平,因此常用于带一定腐蚀的高温环境比如说各种化工用炉,当然310S的价格非常感人,据说做同样那耐压能力的设备,成本超过钛材。

以上的不锈钢牌号都是所谓的美标牌号,我们在生产中普遍使用美标牌号,之所以不用国标牌号是因为国标牌号实在是晦涩难懂,记不住。比如说304不锈钢,其对应的国标牌号为0Cr18Ni9,这个记性差的人还真记不住。总体来说,美标牌号就好象是名字一样朗朗上口,而国标牌号就好象是身份证号码一样难以记忆。但是国标牌号有个优点,就是你一看牌号就知道不锈钢的组成了。

最后说说镀锌钢,也就是我们所说的白铁皮。主要是在钢表面镀一层锌,由于锌金属活动性差,因此可以有一定耐腐蚀目的。在十几年前大家用的自来水管就是这种材料,今天在少数一些地方依旧存在。现在已经逐渐被pp管淘汰了,因为锌本身也是一种重金属,对人类有害的。而且锌的耐腐蚀性实际上相当一般。

来源:YEBOSS的化工知识大杂烩  作者:法式滚筒YEboss

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