CN115627428B - 海水淡化工程管道及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及不锈钢技术领域，具体涉及一种海水淡化工程管道及其制备方法。本发明通过对奥氏体不锈钢制备工艺的不断改进，在现有奥氏体不锈钢的制备工艺基础上，通过向其中添加纳米钒铝合金粉末和钨粉末，并施加交流电，从而大大提升了其耐高温氧化腐蚀的性能，获得了一款具有优异的耐高温氧化腐蚀性能和耐海水冲蚀的性能的用于海水淡化工程的管道。

Description

海水淡化工程管道及其制备方法
技术领域
本发明涉及不锈钢技术领域，具体涉及一种海水淡化工程管道及其制备方法。
背景技术
全球海水淡化日产量约3500万立方米左右，其中80％用于饮用水，解决了1亿多人的供水问题，即世界上1/50的人口靠海水淡化提供饮用水。全球有海水淡化厂1.3万多座，海水淡化作为淡水资源的替代与增量技术，愈来愈受到世界上许多沿海国家的重视；全球直接利用海水作为工业冷却水总量每年约6000亿立方米左右替代了大量宝贵的淡水资源；全世界每年从海洋中提盐5000万吨、镁及氧化镁260多万吨、溴20万吨等。海水淡化即利用海水脱盐生产淡水，是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。从海水中取得淡水的过程谓海水淡化，所用的海水淡化方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法、以及碳酸铵离子交换法，应用反渗透膜法及蒸馏法是市场中的主流。世界上有十多个国家的一百多个科研机构在进行着海水淡化的研究，有数百种不同结构和不同容量的海水淡化设施在工作。一座现代化的大型海水淡化厂，每天可以生产几千、几万甚至近百万吨淡水。水的成本在不断地降低，有些国家已经降低到和自来水的价格差不多。某些地区的淡化水量达到了国家和城市的供水规模。
然而，海洋环境是一种复杂的腐蚀环境。在这种环境中，海水本身是一种强的腐蚀介质，同时波、浪、潮、流又对金属构件产生低频往复应力和冲击，加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都对腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。海洋腐蚀主要是局部腐蚀，即从构件表面开始，在很小区域内发生的腐蚀，如电偶腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等。此外，还有低频腐蚀疲劳、应力腐蚀及微生物腐蚀等，其对海水淡化工程中所采用的管道的使用寿命具有极大的影响。
近年来，作为对产业设备和结构物的需求，志在耐久性、长寿命化以及免维修化，不锈钢作为符合这些需求的材料而受到关注。另一方面，作为不锈钢的主要原料的以Ni、Mo、Cr为代表的合金元素存在价格的上涨或价格的变动。因此，最近，作为代替整体(无垢)的不锈钢、可以利用不锈钢的优良的防锈性能并且价格稳定、廉价的经济性高的钢材，不锈钢复合钢受到关注。不锈钢复合钢是将作为复合材料的不锈钢与作为母材的普通钢材这两种性质不同的金属叠合而得到的钢材。复合钢通过将不同种金属进行金属学接合而得到，与镀覆不同，不必担心剥离，能够具有凭借单一金属和合金无法实现的新特性。
对于不锈钢复合钢而言，为了确保符合各使用环境的目的的防锈性能，针对各使用环境选择作为复合材料的不锈钢的种类，确保与整体材料同等的防锈性能。这样，不锈钢复合钢的不锈钢材料的使用量少也可以，并且能够确保与整体材料(全厚不锈钢)同等的防锈性能，因此具有能够兼顾经济性和功能性的优点。
另一方面，不锈钢的钝化被膜容易被氯化物离子破坏，其腐蚀方式采用点蚀(Pitting Corrosion)或者缝隙腐蚀(Crevice Corrosion)的方式。因此，在以硫酸、氢氟酸等为代表的酸中的腐蚀方式呈现全面腐蚀，相对于此，在海水中作为局部腐蚀的起点的耐海水点蚀性成为重要的指标。因此，在海水淡化设备中使用不锈钢复合钢的情况下，要求能够耐受严酷的海水腐蚀环境的耐海水点蚀性。
作为改善耐海水点蚀性的技术，专利CN 113913693 A公开了及一种高强耐蚀海洋工程不锈钢及其制备方法，其在316L奥氏体不锈钢基础上，合理调整铬、镍、锰、钼的含量并配合添加适量的钒、氮、稀土、氮等合金元素，得到晶粒细小的奥氏体组织、从而使低碳奥氏体不锈钢在静态、低盐度海水耐蚀性的前提下，最大限度的降低合金元素镍的含量；通过多种合金元素的协同作用，形成诸多原子半径非常细小的间隙化合物(强化相)，提高非匀质形核率，从而提高不锈钢的耐腐蚀性能和强度。其缺陷在于凝固速率不够快，晶粒尺寸不够小，钢材的强度和耐蚀性能进一步提高。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种海水淡化工程管道及其制备方法。
一种海水淡化工程管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁原料置于1520-1550℃下熔炼至50-80wt％转化为铁水后加入钼原料，继续熔炼至全部原料熔融，得到熔融液a；
(2)将熔融液a调温至1540-1560℃，将镍原料加入熔融液a中，完全融化后再将锰原料加入熔融液a中熔炼得到熔融液b；
(3)将熔融液b升温至1590-1610℃，再将氮化铬铁加入至熔融液b中熔炼得熔融液c；
(4)在1590-1610℃时向熔融液c中加入纳米钒铝合金粉末及钨粉末，并对熔融液c施加交流电4-6分钟，保温静置6-8分钟后离心浇铸；
(5)将步骤(4)的铸管重新加热至1100-1200℃并在氩气环境中保温4-8小时后，以≥50℃/秒的冷却速率水冷至室温，即得到所述海水淡化工程管道。
所述步骤(1)中，铁原料为工业纯铁，钼原料为钼铁；
所述步骤(2)中，镍原料为电解镍，锰原料为金属纯锰；通过陶瓷钟罩式添加器加入；氮化铬铁分4-6次加入；
所述步骤(3)中，氮化铬铁的含碳量≤0.03wt％，氮化铬铁分4-6次加入。
所述步骤(4)中，纳米钒铝合金粉末的粒径为5-20nm、钒含量为65-85wt％，钨粉末粒径为1-2μm。
进一步地，所述海水淡化工程管道，按质量百分比计，包括以下元素成分：Mn14.0-19.0wt％、Cr 16.0-21.0wt％、Ni 3.0-4.0wt％、Mo 2.5-3.5wt％、N 0.4-0.7wt％、W 0.4-1.0wt％、V 0.2-0.3wt％、Al 0.1-0.2wt％、Si≤0.45wt％、C≤0.08wt％、S≤0.01wt％、P≤0.02wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
传统的奥氏体不锈钢的生产工艺中，添加杂元素是提高其性能的有效手段。
Mn：锰是奥氏体形成元素，具有稳定奥氏体组织的作用，同时氮元素在钢中的溶解度很低，而锰的加入则能够提高氮在钢中的溶解度，锰元素还可以和钢液中的硫杂质形成硫化锰，消除钢中残余硫的有害作用，但是过多的非金属夹杂物硫化锰的产生会在一定程度上影响钢的强度和抗腐蚀性能，钢基体与MnS交界处钝化膜薄弱，腐蚀优先从界面处发生，最终造成零部件的失效。同时在海洋环境下使用的材料，还会由MnS非金属夹杂物和海洋微生物产生腐蚀；因此本发明限定锰在海水淡化工程管道中的含量为14.0-19.0wt％。
Si：在不锈钢中添加硅元素可以有效脱除钢中的氧杂质，提高材料的抗氧化性能，但是硅是铁素体形成元素，添加量过多会影响材料奥氏体结构的形成，因此，本发明限定硅含量≤0.45wt％。
Cr：奥氏体不锈钢中的主要元素，主要起提高不锈钢耐腐蚀性能的作用。
Ni：能够促进奥氏体形成，稳定奥氏体组织，但是价格昂贵，本发明通过添加适量氮元素，起到替代镍元素的作用，在保证奥氏体组织稳定的前提下，降低镍的添加量，节约成本。
Mo：可以提高不锈钢的耐腐蚀能力，与不添加钼的不锈钢相比，含钼不锈钢的耐腐蚀性能更佳，但是钼是铁素体形成元素，添加量过多会影响不锈钢中奥氏体组织的形成，因此本发明限定钼含量为2.5-3.5wt％。
N：能够稳定奥氏体组织，部分代替奥氏体不锈钢镍的使用，可以延缓碳化物析出，提高耐晶间腐蚀性，但是氮在不锈钢中溶解度不高，添加量过多将导致氮元素析出，而本发明中通过控制锰元素的添加量使不锈钢中氮的添加量可提高至0.4-0.7wt％。缺
由于海水淡化工程是通过蒸馏海水得到纯净水，不锈钢长期在高温汽体环境工作，由于在高温和水蒸气作用下管道内壁会产生具有内外两层结构的高温氧化腐蚀膜层。在金属的表面都会存在一层致密的氧化层，起着保护内部金属进一步氧化的作用。但是，实际上这一层保护性的氧化层并不是严格的化学计量比，总是存在结构缺陷。水蒸气和氧气容易穿过存在缺陷的氧化层而进一步引起内部金属氧化，同时，内部金属离子也容易扩散出氧化层而被氧化。在高温水蒸气条件下，氧气渗透和金属离子扩散过程进一步加剧，高温氧化过程更加严重，氧化层加厚。氧化膜的膨胀系数与金属的膨胀系数并不一致，在急冷急热过程中容易脱落，失去对金属的保护作用，进一步加快了金属的氧化。因此，管壁不断变薄引起变形加剧，应力增加，最后引起爆管的发生，所以用于海水淡化工程的管道不仅需要具有耐海水腐蚀的性质，还需要具有较为优异的耐高温氧化腐蚀的性能。
本发明通过对奥氏体不锈钢制备工艺的不断改进，在现有奥氏体不锈钢的制备工艺基础上，通过向其中添加纳米钒铝合金粉末和钨粉末，并施加交流电从而大大提升了其耐高温氧化腐蚀的性能，获得了一款具有优异的耐高温氧化腐蚀性能的用于海水淡化工程的管道。本发明认为钨的加入能够使得合金中形成类似于钨钢的结构，能够显著提升管道的耐高温、耐腐蚀性能。虽然钨具有较高的熔点，其没法和其它金属形成熔融液，但是，在对熔融液施加交流电场后，得到的管道具有出色的耐高温氧化腐蚀性能，本发明认为这是由于交流电高频率的电场变换不仅有利于钨颗粒在熔融液中的均匀分散，还能够破碎以钨颗粒为核形成的较大的枝晶，从而得到细小的枝晶状组织，这有利于增强管道的耐高温氧化腐蚀性能。没有适时的在冷却过程中施加交流电，熔融液冷却时，以其中不溶性的较大的钨颗粒为核快速长出较大的枝晶，而由于原子在固相中扩散均匀的过程进行的很慢，致使先析出枝晶与后析出的枝晶处出现间隙，最后获得化学成分不均匀的枝晶，导致管道耐腐蚀性能下降。按常规来说由于直流电产生的磁场会使铁元素产生定向迁移，不仅有利于元素的分散，最终得到的合金的晶界具有明显的排列方向性，更加紧密，减少表面缺陷，从而增强其耐腐蚀能力。但是，由于本发明向熔融液中添加了钨，其具有极高的熔点，无法在熔融液中熔解，所以直流电源产生的元素定向迁移难以较好的分散钨，反而随着元素定向迁移，高熔点的物质以钨为核，大量富集，生成枝晶，导致管道耐腐蚀性更差。
而钒的添加可以细化钢的组织和晶粒，使不锈钢强度高，韧性大，耐磨性好，更适于工业应用，同时钒元素是强的氮化物形成元素，与氮的结合力强形成的氮化钒在奥氏体不锈钢中的溶解度极高，因此钒的加入能够进一步提升氮元素在钢中的溶解度；铝元素可以降低管道内的氧元素含量，细化晶粒，并在表面形成致密的氧化膜，提高不锈钢在氧化介质中的耐蚀性。对比例1中将钒铝合金改为钒铁合金，其耐高温氧化腐蚀性能较实施例6下降。在制备过程中，由于熔融液较厚，向其中添加的纳米钒铝合金粉末和钨粉末不能较均匀的扩散分布，导致得到的管道中钒、铝、钨分布不均匀，得到的管道部分区域耐腐蚀性能极差，所以必需控制熔融液的厚度。
本发明有益效果
本发明通过对奥氏体不锈钢制备工艺的不断改进，在现有奥氏体不锈钢的制备工艺基础上，通过向其中添加纳米钒铝合金粉末和钨粉末，并施加交流电，从而大大提升了其耐高温氧化腐蚀的性能，获得了一款具有优异的耐高温氧化腐蚀性能和耐海水的冲蚀性能的用于海水淡化工程的管道。
具体实施方式
本发明以下实施例中，所使用的原料包括：工业纯铁、钼铁(60wt％Mo)、电解镍、氮化铬铁(60wt％Cr，10wt％N)、纯金属锰，纳米钒铝合金粉末的粒径为5-20nm、钒含量为65wt％，钨粉末为W-0级；交流电的电压为100V、频率为50Hz直流电的电压为100V。
实施例1
一种海水淡化工程管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁原料置于1540℃下熔炼至50-80wt％转化为铁水后加入钼原料，继续熔炼至全部原料熔融，得到熔融液a；
(2)将熔融液a调温至1550℃，将镍原料加入熔融液a中，完全融化后再将锰原料加入熔融液a中熔炼得到熔融液b；
(3)将熔融液b调温至1600℃，再将氮化铬铁加入至熔融液b中熔炼得熔融液c；
(4)在1600℃时向熔融液c中加入纳米钒铝合金粉末及钨粉末，并对熔融液c施加交流电5分钟，保温静置7分钟后离心浇铸；
(5)将步骤(4)的铸管重新加热至1150℃并在氩气环境中保温6小时后，以≥50℃/秒的冷却速率水冷至室温，即得到所述海水淡化工程管道。
所述步骤(1)中，铁原料为工业纯铁，钼原料为钼铁；
所述步骤(2)中，镍原料为电解镍，锰原料为金属纯锰；通过陶瓷钟罩式添加器加入；
所述步骤(3)中，氮化铬铁的含碳量≤0.03wt％，氮化铬铁分5次加入。
所述海水淡化工程管道，按质量百分比计，包括以下元素成分：
Mn 18.2wt％、Cr 19.5wt％、Ni 3.0wt％、Mo 3wt％、N 0.70wt％、W 0.6wt％、V0.2wt％、Al 0.1wt％、Si≤0.55wt％、C≤0.08wt％、S≤0.01wt％、P≤0.02wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例2
一种海水淡化工程管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁原料置于1540℃下熔炼至60wt％转化为铁水后加入钼原料，继续熔炼至全部原料熔融，得到熔融液a；
(2)将熔融液a调温至1550℃，将镍原料加入熔融液a中，完全融化后再将锰原料加入熔融液a中熔炼得到熔融液b；
(3)将熔融液b调温至1600℃，再将氮化铬铁加入至熔融液b中熔炼得熔融液c；
(4)在1600℃时向熔融液c中加入纳米钒铝合金粉末及钨粉末，并对熔融液c施加交流电5分钟，保温静置7分钟后离心浇铸；
(5)将步骤(4)的铸管重新加热至1150℃并在氩气环境中保温6小时后，以≥50℃/秒的冷却速率水冷至室温，即得到所述海水淡化工程管道。
所述步骤(1)中，铁原料为工业纯铁，钼原料为钼铁；
所述步骤(2)中，镍原料为电解镍，锰原料为金属纯锰；通过陶瓷钟罩式添加器加入；
所述步骤(3)中，氮化铬铁的含碳量≤0.03wt％。
所述海水淡化工程管道，按质量百分比计，包括以下元素成分：
Mn 18.2wt％、Cr 19.5wt％、Ni 3.0wt％、Mo 3wt％、N 0.70wt％、W 0.6wt％、V0.2wt％、Al 0.1wt％、Si≤0.55wt％、C≤0.08wt％、S≤0.01wt％、P≤0.02wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例3
一种海水淡化工程管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁原料置于1540℃下熔炼至60wt％转化为铁水后加入钼原料，继续熔炼至全部原料熔融，得到熔融液a；
(2)将熔融液a调温至1550℃，将镍原料加入熔融液a中，完全融化后再将锰原料加入熔融液a中熔炼得到熔融液b；
(3)将熔融液b调温至1600℃，再将氮化铬铁加入至熔融液b中熔炼得熔融液c；
(4)对熔融液c施加交流电5分钟，并在1600℃时向熔融液c中加入纳米钒铝合金粉末及钨粉末，保温静置7分钟后离心浇铸；
(5)将步骤(4)的铸管重新加热至1150℃并在氩气环境中保温6小时后，以≥50℃/秒的冷却速率水冷至室温，即得到所述海水淡化工程管道。
所述步骤(1)中，铁原料为工业纯铁，钼原料为钼铁；
所述步骤(2)中，镍原料为电解镍，锰原料为金属纯锰；通过陶瓷钟罩式添加器加入；
所述步骤(3)中，氮化铬铁的含碳量≤0.03wt％，氮化铬铁分5次加入。
所述海水淡化工程管道，按质量百分比计，包括以下元素成分：
Mn 18.2wt％、Cr 19.5wt％、Ni 3.0wt％、Mo 3wt％、N 0.70wt％、W 0.6wt％、V0.2wt％、Al 0.1wt％、Si≤0.55wt％、C≤0.08wt％、S≤0.01wt％、P≤0.02wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例4
一种海水淡化工程管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁原料置于1540℃下熔炼至60wt％转化为铁水后加入钼原料，继续熔炼至全部原料熔融，得到熔融液a；
(2)将熔融液a升温至1550℃，再将镍原料、氮化铬铁加入至熔融液a中熔炼得熔融液b；
(3)将熔融液b降温至1600℃，再将锰原料、硅原料依次加入熔融液b中熔炼得到熔融液c；
(4)在1600℃时向熔融液c中加入纳米钒铝合金粉末及钨粉末，并对熔融液c施加直流电5分钟，保温静置7分钟后离心浇铸；
(5)将步骤(4)的铸管重新加热至1150℃并在氩气环境中保温6小时后，以≥50℃/秒的冷却速率水冷至室温，即得到所述海水淡化工程管道。
所述步骤(1)中，铁原料为工业纯铁，钼原料为钼铁；
所述步骤(2)中，镍原料为电解镍，氮化铬铁分5次加入；
所述步骤(3)中，锰原料为纯锰，硅原料为硅铁，所述锰原料、硅原料通过陶瓷钟罩式添加器加入。
所述海水淡化工程管道，按质量百分比计，包括以下元素成分：
Mn 18.2wt％、Cr 19.5wt％、Ni 3.0wt％、Mo 3wt％、N 0.7wt％、W 0.6wt％、V0.2wt％、Al 0.1wt％、Si≤0.55wt％、C≤0.08wt％、S≤0.01wt％、P≤0.02wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例5
一种海水淡化工程管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁原料置于1540℃下熔炼至60wt％转化为铁水后加入钼原料，继续熔炼至全部原料熔融，得到熔融液a；
(2)将熔融液a升温至1550℃，再将镍原料、氮化铬铁加入至熔融液a中熔炼得熔融液b；
(3)将熔融液b降温至1600℃，再将锰原料、硅原料依次加入熔融液b中熔炼得到熔融液c；
(4)在1600℃时向熔融液c中加入纳米钒铝合金粉末，并对熔融液c施加直流电5分钟，保温静置7分钟后离心浇铸；
(5)将步骤(4)的铸管重新加热至1150℃并在氩气环境中保温6小时后，以≥50℃/秒的冷却速率水冷至室温，即得到所述海水淡化工程管道。
所述步骤(1)中，铁原料为工业纯铁，钼原料为钼铁；
所述步骤(2)中，镍原料为电解镍，氮化铬铁分5次加入；
所述步骤(3)中，锰原料为纯锰，硅原料为硅铁，所述锰原料、硅原料通过陶瓷钟罩式添加器加入。
所述海水淡化工程管道，按质量百分比计，包括以下元素成分：
Mn 18.2wt％、Cr 19.5wt％、Ni 3.0wt％、Mo 3wt％、N 0.7wt％、V 0.2wt％、Al0.1wt％、Si≤0.55wt％、C≤0.04wt％、S≤0.01wt％、P≤0.02wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例6
一种海水淡化工程管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁原料置于1540℃下熔炼至60wt％转化为铁水后加入钼原料，继续熔炼至全部原料熔融，得到熔融液a；
(2)将熔融液a升温至1550℃，再将镍原料、氮化铬铁加入至熔融液a中熔炼得熔融液b；
(3)将熔融液b降温至1600℃，再将锰原料、硅原料依次加入熔融液b中熔炼得到熔融液c；
(4)在1600℃时向熔融液c中加入钨粉末，并对熔融液c施加直流电5分钟，保温静置7分钟后离心浇铸；
(5)将步骤(4)的铸管重新加热至1150℃并在氩气环境中保温6小时后，以≥50℃/秒的冷却速率水冷至室温，即得到所述海水淡化工程管道。
所述步骤(1)中，铁原料为工业纯铁，钼原料为钼铁；
所述步骤(2)中，镍原料为电解镍，氮化铬铁分5次加入；
所述步骤(3)中，锰原料为纯锰，硅原料为硅铁，所述锰原料、硅原料通过陶瓷钟罩式添加器加入。
所述海水淡化工程管道，按质量百分比计，包括以下元素成分：
Mn 18.2wt％、Cr 19.5wt％、Ni 3.0wt％、Mo 3wt％、N 0.7wt％、W 0.6wt％、Si≤0.55wt％、C≤0.08wt％、S≤0.01wt％、P≤0.02wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
对比例1
一种海水淡化工程管道的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁原料置于1540℃下熔炼至60wt％转化为铁水后加入钼原料，继续熔炼至全部原料熔融，得到熔融液a；
(2)将熔融液a升温至1550℃，再将镍原料、氮化铬铁加入至熔融液a中熔炼得熔融液b；
(3)将熔融液b降温至1600℃，再将锰原料、硅原料依次加入熔融液b中熔炼得到熔融液c；
(4)在1600℃时向熔融液c中加入纳米钒铁合金粉末及钨粉末，并对熔融液c施加直流电5分钟，保温静置7分钟后离心浇铸；
(5)将步骤(4)的铸管重新加热至1150℃并在氩气环境中保温6小时后，以≥50℃/秒的冷却速率水冷至室温，即得到所述海水淡化工程管道。
所述步骤(1)中，铁原料为工业纯铁，钼原料为钼铁；
所述步骤(2)中，镍原料为电解镍，氮化铬铁分5次加入；
所述步骤(3)中，锰原料为纯锰，硅原料为硅铁，所述锰原料、硅原料通过陶瓷钟罩式添加器加入。
所述海水淡化工程管道，按质量百分比计，包括以下元素成分：
Mn 18.2wt％、Cr 19.5wt％、Ni 3.0wt％、Mo 3wt％、N 0.7wt％、W 0.6wt％、V0.2wt％、Si≤0.55wt％、C≤0.08wt％、S≤0.01wt％、P≤0.02wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。
测试例1
耐高温腐蚀：参考GB/T 38430-2019《金属和合金的腐蚀金属材料在高温腐蚀条件下的等温暴露氧化试验方法》试验方法。
在500℃，空气+500ppmSO2+1000ppmHCl气氛下，各实施例和对比例制得的海水淡化工程管道在NaCl+KCl+Na2SO4+K2SO4混合碱金属盐(摩尔比为1:1:1:1)的腐蚀下100h的增重量。
表1：海水冲刷腐蚀速率测定结果
高温腐蚀增重(mg/cm2)
实施例1 5
实施例2 10
实施例3 9
实施例4 11
实施例5 7
实施例6 9
对比例1 8
本发明通过对奥氏体不锈钢制备工艺的不断改进，获得了一款具有优异的耐高温氧化腐蚀性能的用于海水淡化工程的管道。由表1可以看出，本发明实施例1制得的用于海水淡化工程的管道其在高温氧化腐蚀条件下，被氧化的速率最慢，这是由于本发明在现有奥氏体不锈钢的制备工艺基础上，通过向其中添加纳米钒铝合金粉末和钨粉末，并施加交流电从而大大提升了其耐高温氧化腐蚀的性能。
实施例2制得的海水淡化工程的管道其在高温氧化腐蚀条件下，被氧化的速率明显变快，这是由于一次性加入氮化金属的量过多导致氮化铬铁周围合金熔液温度急剧降低，从而使合金熔液在合金溶液上层形成凝固层，影响合金元素的均匀分布以及最终高强耐蚀海洋工程不锈钢产品的性能。
实施例3制得的海水淡化工程的管道其在高温氧化腐蚀条件下，被氧化的速率也较快，这是由于其没有适时的在冷却过程中施加交流电，熔融液冷却时，以其中不溶性的较大的钨颗粒为核快速长出较大的枝晶，而由于原子在固相中扩散均匀的过程进行的很慢，致使先析出枝晶与后析出的枝晶处出现间隙，最后获得化学成分不均匀的枝晶，导致管道耐腐蚀性能下降。
实施例4对熔融液施加了直流电，其在高温氧化腐蚀条件下，被氧化的速率反而变快，按常规来说由于直流电产生的磁场会使铁元素产生定向迁移，不仅有利于元素的分散，最终得到的合金的晶界具有明显的排列方向性，更加紧密，减少表面缺陷，从而增强其耐腐蚀能力。但是，由于本发明向熔融液中添加了钨，其具有极高的熔点，无法在熔融液中熔解，所以直流电源产生的元素定向迁移难以较好的分散钨，反而随着元素定向迁移，高熔点的物质以钨为核，大量富集，生成枝晶，导致管道耐腐蚀性更差。
实施例5中没有添加钨，其耐高温氧化腐蚀的能力和实施例1相比任然较差，本发明认为这是由于钨的加入能够使得合金中形成类似于钨钢的结构，能够显著提升管道的耐高温、耐腐蚀性能。虽然钨具有较高的熔点，其没法和其它金属形成熔融液，但是，在对熔融液施加交流电场后，得到的管道具有出色的耐高温氧化腐蚀性能，本发明认为这是由于交流电高频率的电场变换不仅有利于钨颗粒在熔融液中的均匀分散，还能够破碎以钨颗粒为核形成的较大的枝晶，从而得到细小的枝晶状组织，这有利于增强管道的耐高温氧化腐蚀性能。
实施例6中不添加纳米钒铝合金，其耐高温氧化腐蚀性能也较实施例1下降，这是由于钒的添加可以细化钢的组织和晶粒，使不锈钢强度高，韧性大，耐磨性好，更适于工业应用，同时钒元素是强的氮化物形成元素，与氮的结合力强形成的氮化钒在奥氏体不锈钢中的溶解度极高，因此钒的加入能够进一步提升氮元素在钢中的溶解度；铝元素可以降低管道内的氧元素含量，细化晶粒，并在表面形成致密的氧化膜，提高不锈钢在氧化介质中的耐蚀性。对比例1中将钒铝合金改为钒铁合金，其耐高温氧化腐蚀性能较实施例6下降。
测试例2
室温伸长率：参照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》实施指南。
表2：室温伸长率
室温伸长率/％
实施例1 39.2
实施例2 21.4
实施例3 26.3
实施例4 30.1
实施例5 41.0
实施例6 35.4
对比例1 37.9
由表2可以看出本发明制得的用于海水淡化工程的管道具有较好的室温伸长率，说明管道具有较好的韧性，不易因高压导致管道开裂。实施例1制得的用于海水淡化工程的管道其室温伸长率小于实施例5，这是钨的添加造成的，这表明钨的加入一定程度上会影响管道的韧性。

Claims (6)

1.一种海水淡化工程管道，材料为奥氏体不锈钢，其特征在于，所述奥氏体不锈钢按质量百分比计，包括以下元素成分：Mn 14.0-19.0wt%、Cr 16.0-21.0wt%、Ni 3.0-4.0wt%、Mo2.5-3.5wt%、N 0.4-0.7wt%、W 0.4-1.0wt%、V 0.2-0.3wt%、Al 0.1-0.2wt%、Si≤0.45wt%、C≤0.08wt%、S≤0.01wt%、P≤0.02wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述海水淡化工程管道的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铁原料置于1520-1550℃下熔炼至50-80wt%转化为铁水后加入钼原料，继续熔炼至全部原料熔融，得到熔融液a；
（2）将熔融液a调温至1540-1560℃，将镍原料加入熔融液a中，完全融化后再将锰原料加入熔融液a中熔炼得到熔融液b；
（3）将熔融液b升温至1590-1610℃，再将氮化铬铁加入至熔融液b中熔炼得熔融液c；
（4）在1590-1610℃时向熔融液c中加入纳米钒铝合金粉末及钨粉末，并对熔融液c施加交流电4-6分钟，保温静置6-8分钟后离心浇铸；所述交流电的电压为110-220V、频率为50-120Hz；
（5）将步骤（4）的铸管重新加热至1100-1200℃并在氩气环境中保温4-8小时后，以≥50℃/秒的冷却速率水冷至室温，即得到所述海水淡化工程管道。
2.如权利要求1所述海水淡化工程管道，所述奥氏体不锈钢按质量百分比计，包括以下元素成分：Mn 18.2wt%、Cr 19.5wt%、Ni 3.0wt%、Mo 3wt%、N 0.70wt%、W 0.6wt%、V 0.2wt%、Al 0.1wt%、Si≤0.55wt%、C≤0.08wt%、S≤0.01wt%、P≤0.02wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述海水淡化工程管道，其特征在于，所述步骤（1）中，铁原料为工业纯铁，钼原料为钼铁。
4.如权利要求1所述海水淡化工程管道，其特征在于，所述步骤（2）中，镍原料为电解镍，锰原料为金属锰，其加入方式为陶瓷钟罩式添加器加入。
5.如权利要求1所述海水淡化工程管道，其特征在于，所述步骤（3）中，氮化铬铁的含碳量≤0.03wt%，氮化铬铁分4-6次加入。
6.如权利要求1所述海水淡化工程管道，其特征在于，所述步骤（4）中，纳米钒铝合金粉末的直径为5-20nm、钒含量为65-85wt%，钨粉末粒径为1-2μm。
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