ES2312685T3 - Aleaciones de ni-cr-mo resistentes a procesos con acido fosforico por via humeda y al ataque localizado inducido por cloruro. - Google Patents

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Abstract

Una aleación de níquel-cromo-molibdeno resistente al procesamiento por vía húmeda del ácido fosfórico y al ataque localizado inducido por cloruro, que consiste esencialmente de: (Ver tabla) con un balance de níquel e impurezas.

Description

Aleaciones de Ni-Cr-Mo resistentes a procesos con ácido fosfórico por vía húmeda y al ataque localizado inducido por cloruro.
Esta invención se relaciona generalmente con composiciones de aleaciones metálicas no ferrosas, y más específicamente con aleaciones de níquel que pueden ser forjadas, que contienen cantidades significativas de cromo y de molibdeno, junto con los indispensables elementos menores, para permitir un proceso de fusión y de forjado exitosos, y que pose alta resistencia a la producción de ácido fosfórico por vía húmeda y alta resistencia al ataque localizado inducido por cloruro (corrosión por picaduras y grietas), que es reforzado por adiciones deliberadas de nitrógeno.
Antecedentes de la invención
Una etapa importante en la fabricación de fertilizantes es la producción y concentración de ácido fosfórico. Este ácido es elaborado típicamente por medio de la reacción de roca fosfórica con ácido sulfúrico para producir lo que es a menudo llamado "producción por vía húmeda" del ácido fosfórico. El ácido fosfórico resultante de la "producción por vía húmeda" contiene trazas de ácido sulfúrico, junto con otras impurezas de la roca fosfórica, tales como cloruros, que sirven para incrementar su corrosividad.
Para concentrar este ácido fosfórico "producido por vía húmeda" se emplean varias etapas de evaporación. Los tubos del evaporador son usualmente construidos de aceros inoxidables austeníticos o de aleaciones de níquel-hierro, con contenidos de cromo en el rango aproximadamente de 28 a 30% en peso, tal como la aleación G-30 (patente estadounidense No. 4.410.489), Aleación 31 (patente estadounidense No. 4.876.065), y Aleación 28. El cobre es un ingrediente esencial en estas aleaciones. Estos materiales comerciales poseen una resistencia inadecuada ya sea a la "producción por vía húmeda" de ácido fosfórico, o al ataque localizado inducido por cloruro, para uso en todas las etapas de evaporación, necesitando por lo tanto del uso de materiales no metálicos, con el consecuente sacrificio en robustez.
Sabiendo que el cromo es benéfico para la resistencia de los aceros inoxidables austeníticos al ácido fosfórico "producido por vía húmeda" y de las aleaciones de níquel-hierro, se han contemplado materiales con contenidos mayores de cromo. Sin embargo, la estabilidad térmica ha sido un factor inhibidor. Simplemente, es deseable mantener la estructura atómica cúbica centrada en las caras en tales materiales, y la aleación excesiva resulta en la formación de segundas fases nocivas, que imparten ductilidad y resistencia la corrosión, durante el proceso de forjado o de soldadura. Por lo tanto, niveles más altos de cromo no han sido posibles hasta ahora en aleaciones forjadas diseñadas para servicio en la "producción por vía húmeda" de ácido fosfórico, dada la necesidad de incluir elementos a la aleación diferentes al cromo, para mejorar la resistencia a la corrosión localizada.
Con relación a la estabilidad térmica, se sabe bien que elementos tales como el cromo y el molibdeno, que influyen fuertemente sobre la resistencia en la "producción por vía húmeda" del ácido fosfórico y al ataque localizado inducido por cloruro, son más solubles en níquel que en aceros inoxidables austeníticos. Por lo tanto, son posibles niveles más altos de aleación en aleaciones de níquel, si los contenidos de hierro son bajos. No es sorprendente, por lo tanto, que existan algunas aleaciones de níquel bajas en hierro, con contenidos de cromo superiores al 30% en peso, y con adiciones significativas de molibdeno.
La patente estadounidense No. 5.424.029 divulga una serie de tales aleaciones, aunque estas aleaciones requieren de la adición de tungsteno, en el rango de 1 a 4% en peso. A patente estadounidense No. 5.424.029 establece que tales aleaciones poseen una resistencia superior a la corrosión para una variedad de medios, aunque su resistencia no está dirigida a la "producción por vía húmeda" de ácido fosfórico. Notablemente, establece que la ausencia de tungsteno resulta en una tasa de corrosión significativamente superior. Esta patente no contempla al nitrógeno como una adición.
Otra referencia que divulga aleaciones de níquel resistentes a la corrosión con contenidos de cromo por encima del 30% es la patente estadounidense No. 5.529.642, aunque el rango preferido de cromo es de 17 a 22% en peso, y todas las composiciones requieren de la adición de tantalio, en el rango de 1,1 a 8% en peso. La patente estadounidense No. 5.529.642 requiere de una adición de nitrógeno entre 0,0001 y 0,1% en peso.
Aunque todas estas aleaciones del estado del arte son aleaciones útiles resistentes a la corrosión, los niveles de cobre, tungsteno o tantalio reducen la estabilidad térmica, y por lo tanto complican el proceso de forja y el de soldadura. Inclusive, el estado del arte considera a estos elementos necesarios para una resistencia óptima a la corrosión. En rea-
lidad, se considera al cobre como un ingrediente esencial de la aleación G-30, de la Aleación 31, y de la Aleación 28.
Dos patentes adicionales, las patentes estadounidenses Nos. 4.778.576 y la 4.789.449, divulgan aleaciones de níquel con un amplio rango de contenidos de cromo (5 a 30% en peso) y de molibdeno (3 a 25% en peso), para uso como ánodos en celdas electroquímicas. Ambas patentes reivindican preferiblemente ánodos elaborados a partir de una aleación de C-276, que contiene 16% en peso de cromo y 16% en peso de molibdeno. El contenido de nitrógeno no está contemplado en estas patentes. Las patentes reportan que los electrodos elaborados con esta aleación son resistentes a la corrosión en medio alcalino acuoso que contiene iones cloruro y en soluciones de ácido clorhídrico concentrado. Pero, los datos reportados en la patente estadounidense No. 4.410.489 muestran que la aleación no resiste bien la corrosión en ácido fosfórico.
Las referencias JP 65 157828 A y JP 01 065241 A divulgan aleaciones de Ni-Cr que contienen de 30 a 40% en peso de cromo y de 4 a 12% en peso de molibdeno, ya sea que el porcentaje de cromo sea muy alto mientras que el porcentaje de molibdeno es bajo y viceversa.
La referencia JP 07 0316699 A divulga aleaciones que contienen de 15 a 35% en peso de cromo, de 6 a 24% en peso de molibdeno y de 1,0 a 8,0% en peso de tantalio.
La referencia DE 195 3 978 A divulga un método par la fabricación de un tubo de acero chapado soldado en el cual se aplica una aleación de níquel-cromo al tubo de acero. Los ejemplos utilizan aleación C-276, aleación 625 y aleación 825 que contienen todos un porcentaje muy alto de cromo.
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Resumen de la invención
El objetivo principal de esta invención es el de proveer nuevas aleaciones con una resistencia combinada superior para la "producción por vía húmeda" de ácido fosfórico y al ataque localizado inducido por cloruro que las aleaciones previas, sin la necesidad de adiciones deliberadas de tungsteno, tantalio, o cobre que reducen la estabilidad térmica.
Se ha encontrado que el objetivo anterior se puede lograr por medio de la adición de cromo, molibdeno, y elementos menores requeridos para el níquel, como se define en las reivindicaciones.
Se ha encontrado también que estas aleaciones pueden tolerar impurezas que pueden ser encontradas a partir de la fusión de otras aleaciones de níquel resistentes a la corrosión, especialmente cobre (hasta 0,3% en peso) y tungsteno (hasta 0,65% en peso). Se puede utilizar hasta un 5% en peso de cobalto en lugar de níquel. Se anticipa que pequeñas cantidades de otras impurezas tales como niobio, vanadio, y titanio tendrían poco o ningún efecto sobre las características generales de estos materiales.
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Descripción detallada de la invención
El descubrimiento del rango de la composición definida anteriormente involucró varias etapas. Primero, se fundieron y analizaron varias aleaciones experimentales de cobre con contenidos diferentes de cromo, molibdeno y cobre. Los resultados indicaron que el cromo es el elemento más benéfico en lo relacionado a la resistencia para la "producción por vía húmeda" de ácido fosfórico, y que los niveles de cromo superiores al 30% en peso son necesarios para mejorar el desempeño de los materiales actuales en este ambiente.
En la segunda etapa, se fundieron y analizaron aleaciones libres de cobre. Sorprendentemente, los resultados del análisis indicaron que, con un contenido de cromo de aproximadamente el 33% en peso, no es esencial el cobre para una alta resistencia para la "producción por vía húmeda" de ácido fosfórico. Además, sin la adición de cobre, y con aproximadamente únicamente 1% en peso de hierro, se encontró posible añadir molibdeno aproximadamente en un 8% en peso mientras se mantiene buena estabilidad térmica. Esto resulta en alta resistencia al ataque localizado inducido por cloruro. En la tercera etapa, se llevaron a cabo experimentos para establecer los límites superior e inferior de este sistema de aleación, y para estudiar los efectos del nitrógeno y de las impurezas anticipadas. Se cree que el nitrógeno estará presente si la aleación es fundida al aire, debido a su solubilidad natural. La contaminación con impurezas es común en hornos utilizados para fundir una variedad de aleaciones.
Los análisis de composición, en % en peso, de las aleaciones experimentales relevantes para esta invención se presentan en la Tabla 1, con el propósito de incrementar los contenidos de cromo. El cromo, el molibdeno, y el nitrógeno son considerados como los elementos primarios de la aleación. Hierro, manganeso, aluminio, silicio, y carbono son considerados como los elementos requeridos, importantes para las operaciones de fusión y nueva fusión, pero no esenciales. El cobre y el tungsteno son considerados como impurezas.
EN2201 representa la composición base de la presente invención. EN5301 fue fundida para investigar el límite más bajo del rango de cromo, EN2101 fue fundida para investigar el límite inferior del rango de molibdeno, y EN7101 fue fundida para investigar el extremo superior del rango. EN5601 fue fundida para estudiar los efectos del nitrógeno en la composición base. EN5501 fue fundida para estudiar los efectos de niveles más altos de hierro, y la presencia de las impurezas potenciales, cobre y tungsteno, en la composición base. EN5401 fue fundida para estudiar los efectos de los niveles más altos de cromo y molibdeno, sin la complicación de niveles más altos de impurezas y de elementos requisito. No se añadió cobre ni tungsteno a EN5301, EN2201, EN5601, EN2101 o EN5401, de modo que los niveles detectados son contenidos de impurezas.
TABLA 1
1
Para comparación, se analizaron también la aleación G-30, la Aleación 31, la Aleación 28, y la aleación C-276. Las aleaciones preferidas de las patentes estadounidenses Nos. 5.424.029 (Aleación A) y 5.529.642 (Aleación 13), y la aleación más cercana de la patente estadounidense No. 5.529.642 (Aleación 37) fueron también fundidas y analizadas en lo posible. Las composiciones de estas aleaciones del estado del arte son presentadas en la Tabla 2.
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TABLA 2
2
Las aleaciones experimentales, y las aleaciones del estado del arte de las patentes estadounidenses Nos. 5.424.029 y 5.529.642, fueron fundidas por inducción al vacío, luego vueltas a fundir por medio de función eléctrica de la escoria, con una cantidad de calor de 50 lb. Los lingotes así producidos fueron remojados, luego forjados y enrollados, a 1024ºC. Las Aleaciones 13 y 37 de la patentes estadounidense No. 5.529.642 se resquebrajaron de tan mala forma durante la forja y el enrollado que tuvieron que ser raspadas hasta un espesor de 2 pulgadas y 1,2 pulgadas, respectivamente. También, EN7101 se resquebrajó de tan mala forma durante la forja que tuvo que ser raspada hasta un espesor de 2 pulgadas. Aquellas aleaciones que fueron exitosamente enrolladas hasta el espesor requerido para el ensayo de 0,125 pulgadas fueron sometidas a pruebas de templado, para determinar el tratamiento de templado más adecuado. En todos los casos, este fue de 15 min a 1149ºC, seguido por apagado con agua. La aleación G-30, la Aleación 31, la Aleación 28, y la aleación C-276 fueron todas analizadas en la condición vendida por el fabricante, la así llamada condición de "laminado-templado".
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Antes de analizar las aleaciones experimentales y las del estado del arte, se estableció que 54% en peso era una concentración particularmente corrosiva de la "producción por vía húmeda" del ácido fosfórico (P_{2}O_{5}), a 135ºC. Por lo tanto, se analizaron todas las aleaciones exitosamente enrolladas en láminas de 0,125 pulgadas de espesor en este ambiente, junto con láminas similares de las aleaciones comerciales. Las pruebas se llevaron a cabo en autoclaves durante un período de 96 horas, sin interrupción. Con relación al ataque localizado inducido por cloruro, se utilizó el ensayo definido en la norma ASTM Standard G 48 - 00 Método C. Este involucra un análisis en cloruro férrico al 6% en peso (FeCl_{3}) y ácido clorhídrico al 1% en peso (HCl) a diferentes temperaturas, para determinar la temperatura crítica de picado, la más baja a la cual ocurre el picado, durante un período de 72 horas. Las superficies de todas las muestras fueron molidas manualmente antes del análisis, para invalidar cualquiera de los efectos de terminado del laminado.
Los resultados de los análisis se muestran en la Tabla 3, junto con una medición de la estabilidad térmica, especialmente el número de electrones de libres, N_{V}. En esencia, las aleaciones de la presente invención proporcionan alta resistencia a la "producción por vía húmeda" del ácido fosfórico, esto es, una tasa de corrosión de 0,35 mm/y o menos en P_{2}O_{5} a 135ºC, alta resistencia al ataque localizado inducido por cloruro, esto es, una temperatura crítica de picado superior a 65ºC cuando se analizó de acuerdo con la norma ASTM Standard G 48 - 00 Método C, y suficiente estabilidad térmica para permitir el fácil procesamiento de forjado, esto es, un valor de N_{V} igual o menor a 2,7. Todas las aleaciones del estado del arte excepto la Aleación A tuvieron una mayor tasa de corrosión en la producción por vía húmeda del ácido fosfórico. Pero la aleación A contiene 2,3% de tungsteno que hacen a la aleación más difícil de trabajar como se refleja por el número N_{V} 2,76. Además, la patente estadounidense No. 5,424.029 dice que en este tipo de aleación, los niveles de tungsteno deben estar entre 1 y 4 porciento para lograr una resistencia satisfactoria a la corrosión. Inclusive, sorprendentemente las aleaciones de la presente invención logran buenos resultados de corrosión sin tungsteno. Además, la aleación EN5501 demuestra que hasta 0,65 de tungsteno puede ser tolerado sin afectar adversamente la operabilidad. La tasa de corrosión para las aleaciones de la presente invención es también significativamente menor a la tasa de 0,44 mm/y para C-276 reportada en la patente estadounidense No. 4.410.489, Tabla 3 en P_{2}O_{5} al 46% a 116ºC.
TABLA 3
3
Varias observaciones pueden hacerse con relación a los efectos generales de los elementos de la aleación, de la siguiente manera:
Cromo (Cr) es un elemento primario de la aleación. Provee alta resistencia para el "procesamiento por vía húmeda" del ácido fosfórico. El rango preferido de cromo es 31,0 a 34,5% en peso. Por debajo de 31,0% en peso, las aleaciones tienen insuficiente resistencia para el "procesamiento por vía húmeda" del ácido fosfórico; por encima de 34,5% en peso, la estabilidad térmica de las aleaciones está en peligro. El rango más preferido de cromo está entre 32,5% y 34,0% en peso.
El molibdeno (Mo) es también un elemento primario de la aleación. Provee alta resistencia al ataque localizado inducido por cloruro, tal como corrosión de grietas y picado. El rango preferido de molibdeno es de 7,0 a 10,0% en peso. Por debajo de 7,0% en peso, las aleaciones tienen resistencia insuficiente al ataque localizado inducido por cloruro; por encima del 10,0% en peso, surgen problemas de estabilidad térmica. El rango más preferido de molibdeno es de 7,5 a 8,6% en peso.
Aunque no es esencial, el nitrógeno (N) es un elemento primario de la aleación, que mejora fuertemente la resistencia al ataque localizado inducido por cloruro. En las cargas de horno fundidas al aire, se anticipa que se absorberá al menos 0,03% en peso. Se pueden añadir cantidades adicionales dentro del rango preferido, hasta de 0,2% en peso, o el rango más preferido, hasta de 0,15% en peso. Una aleación aceptable libre de nitrógeno puede ser posible utilizando fundición al vacío, como se hizo en el trabajo conducente a esta invención. Más allá del 0,2% en peso, el nitrógeno contribuirá a dificultades en la forja.
El hierro (Fe) es un elemento requisito, preferido en niveles hasta del 3,0%, y más preferiblemente hasta de 2,0% en peso. Permite el uso económico de materiales para revertir, la mayoría de los cuales contienen cantidades residuales de hierro. Una aleación aceptable libre de hierro puede ser posible, utilizando nuevos recubrimientos de horno y materiales de carga de alta pureza. A niveles por encima del 3,0% en peso, el hierro provoca inestabilidad térmica.
El manganeso (Mn) es también un elemento requisito, utilizado para el control del azufre. Es preferible en niveles hasta de 1,0% en peso, y más preferiblemente, con fusión eléctrica por arco seguido por descarburación con argón-oxígeno, en el rango de 0,1 hasta 0,4% en peso. Por encima del nivel del 1,0% en peso, el manganeso contribuye a la inestabilidad térmica. Las aleaciones aceptables con muy bajos niveles de manganeso pueden ser posibles con fusión al vacío.
El aluminio (Al) es un elemento requisito, utilizado para el control del oxígeno, la temperatura del baño de fundición, y el contenido de cromo, durante la descarburación argón-oxígeno. El rango preferido es hasta de 0,4% en peso, y el más preferido, con fundición eléctrica por arco seguida por descarburación argón-oxígeno, es de 0,2 hasta 0,4% en peso. Por encima del 0,4% en peso, el aluminio contribuye a problemas de estabilidad térmica. Las aleaciones aceptables con muy bajos niveles de aluminio pueden ser posibles con fundición al vacío.
El silicio (Si) es también un elemento requisito utilizado para el control del contenido de oxígeno y de cromo. El rango preferido es hasta de 0,75% en peso, y el rango más preferido es hasta de 0,5% en peso. Los problemas de forja, debido a inestabilidad térmica, son esperados con niveles de silicio por encima de 0,75% en peso. Las aleaciones aceptables con muy bajo contenido de silicio pueden ser posibles con fundición al vacío.
El carbono (C) es un requisito para el proceso de fundición por arco eléctrico, aunque se reduce mucho durante la descarburación argón-oxígeno. El rango preferido de carbono es hasta de 0,1% en peso, más allá del cual contribuye a la inestabilidad térmica, a través de la promoción de carburos en la microestructura. El rango más preferido es hasta de 0,02% en peso. Las aleaciones aceptables con muy bajo contenido de carbono pueden ser posibles con fundición al vacío, y materiales de carga de alta pureza.
Se ha observado que se pueden tolerar impurezas comunes. En particular, se ha observado que el cobre puede ser tolerado hasta un 0,3% en peso, y el tungsteno puede ser tolerado hasta en un 0,65% en peso. Por otro lado, elementos tales como el niobio, el titanio, el vanadio, y el tantalio, que promueven la formación de nitruros y de otras fases secundarias, deben ser mantenidos en niveles bajos, por ejemplo, menores de 0,2% en peso. Otras impurezas que pueden estar presentes en bajos niveles incluyen azufre (hasta un 0,015% en peso), fósforo (hasta un 0,03% en peso), oxígeno (hasta un 0,05% en peso), magnesio (hasta un 0,05% en peso), y calcio (hasta un 0,05% en peso). Los últimos dos de estos están involucrados en la desoxidación. Es probable que puedan añadirse en forma deliberada pequeñas cantidades de cobalto a las aleaciones de esta invención, en lugar de níquel, sin alterar significativamente sus propiedades, ya que el cobalto tiene únicamente una pequeña influencia sobre la estabilidad térmica de las aleaciones de níquel, y no se sabe que degrade la resistencia a la corrosión. El cobalto puede estar presente por lo tanto hasta en un 5% en peso.
Aunque las muestras analizadas fueron todas láminas forjadas, las aleaciones deben exhibir propiedades comparables en otras formas de forja (tales como placas, barras, tubos y alambres) y en formas metalúrgicas fundidas y en polvo. Por lo tanto, la presente invención abarca todas las formas de la composición de la aleación.
Aunque he divulgado ciertas modalidades preferidas de la presente invención, se debe entender claramente que la presente invención no está limitada a las mismas sino que puede abarcar diferentes modalidades dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.
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Referencias citadas en la descripción
Este listado de referencias citado por el solicitante es únicamente para conveniencia del lector. No forma parte del documento europeo de la patente. Aunque se ha tenido gran cuidado en la recopilación, no se pueden excluir los errores o las omisiones y la OEP rechaza toda responsabilidad en este sentido.
Documentos de patente citados en la descripción
\bullet US 4410489 A [0003] [0009] [0023]
\bullet US 4789449 A [0009]
\bullet US 4876065 A [0003]
\bullet JP 65157828 A [0010]
\bullet US 5424029 A [0006] [0006] [0020] [0021] [0023]
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\bullet JP 7316699 A [0011]
\bullet US 4778576 A [0009]
\bullet DE 1953978 A1 [0012]

Claims (10)

1. Una aleación de níquel-cromo-molibdeno resistente al procesamiento por vía húmeda del ácido fosfórico y al ataque localizado inducido por cloruro, que consiste esencialmente de:
100
con un balance de níquel e impurezas.
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2. Las aleaciones de níquel-cromo-molibdeno de la reivindicación 1 que consisten esencialmente de:
101
con un balance de níquel e impurezas.
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3. La aleación de níquel-cromo-molibdeno de la reivindicación 1, en donde las impurezas comprenden cobre, hasta 0,3% en peso, y tungsteno, hasta 0,65% en peso.
4. La aleación de níquel-cromo-molibdeno de la reivindicación 1, en donde las impurezas comprenden niveles de al menos uno entre niobio, titanio, vanadio, tantalio, azufre, fósforo, oxígeno, magnesio, y calcio.
5. La aleación de níquel-cromo-molibdeno de la reivindicación 1, en donde se utiliza cobalto en vez de níquel, hasta un 5% en peso.
6. La aleación de níquel-cromo-molibdeno de la reivindicación 1 en donde la aleación está en formas forjadas seleccionadas del grupo que consiste de láminas, placas, barras, alambres, tubos, cañerías y forjados.
7. La aleación de níquel-cromo-molibdeno de la reivindicación 1 en donde la aleación está en forma de una fundición.
8. La aleación de níquel-cromo-molibdeno de la reivindicación 1 en donde la aleación está en una forma metalúrgica en polvo.
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9. La aleación de la reivindicación 1 que consiste esencialmente de:
102
con un balance de níquel más impurezas.
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10. La aleación de la reivindicación 1 que consiste esencialmente de:
104
con un balance de níquel más impurezas.
ES03010668T 2002-05-15 2003-05-13 Aleaciones de ni-cr-mo resistentes a procesos con acido fosforico por via humeda y al ataque localizado inducido por cloruro. Expired - Lifetime ES2312685T3 (es)

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