奧氏體不銹鋼搪玻璃反應(yīng)釜的研制和應(yīng)用

    奧氏體不銹鋼是由特定的搪燒工藝方法制成，耐低溫性強(qiáng)，因此廣泛被用作搪玻璃反應(yīng)釜的受壓元件基體和設(shè)計的專用底軸。

    1現(xiàn)狀

    隨著生物、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的迅速發(fā)展，不僅要求搪玻璃反應(yīng)釜內(nèi)部具有抗腐蝕性和外表潔凈衛(wèi)生，而且有些反應(yīng)生成物需在低溫下(≤-20℃)保存。目前我國生產(chǎn)的搪玻璃反應(yīng)釜的基體均為Q235系列或20R的碳鋼或低合金鋼，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)HG2432[1]中雖允許選用09Mn系列的搪瓷專用鋼，市場上實際沒有，瓷釉也只有與碳鋼相匹配的底釉。所以，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定搪玻璃反應(yīng)釜在一定設(shè)計壓力下的使用溫度為:>-20℃～≤200℃，且外表油漆脫落后極易生銹。因此，目前的碳鋼基體搪玻璃反應(yīng)釜不能滿足低溫工況(≥-40℃～≤-20℃)下安全運行和對衛(wèi)生要求較高的生物、醫(yī)藥、食品行業(yè)的需求。另外，由于不銹鋼對含氯離子或非氧化性酸的介質(zhì)不耐腐蝕，還可能導(dǎo)致藥品等特殊物料的重金屬離子含量超標(biāo)。為此某公司以市場為導(dǎo)向，自2001年起研制開發(fā)奧氏體不銹鋼搪玻璃反應(yīng)釜。

    2技術(shù)措施

    根據(jù)設(shè)備應(yīng)在低溫工況下安全運行和外表能保持潔凈衛(wèi)生要求的特性，更新概念和突破傳統(tǒng)技術(shù)，選用奧氏體不銹鋼作為搪玻璃反應(yīng)釜的受壓元件基體，并研制出能與奧氏體不銹鋼相匹配的專用底釉。由于奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)在20～200℃時，要比碳鋼的大約40%，高溫抗氧化性也好，另外，在加熱或冷卻中的相變不同[2、3]，所以需采取一些措施。其關(guān)鍵加工工藝為:

    211鋼坯成型和焊接

    (1)受壓元件在冷成型過程中，應(yīng)防止產(chǎn)生冷作硬化和鐵磁相含量過大[4]；

    (2)熱成型時，應(yīng)避免采用可能使工件表面被滲碳的加熱方法，防止降低其耐腐蝕性能；

    (3)組焊時，除不允許采用強(qiáng)力組裝外，還須嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，并選用較小的線能量，以減小內(nèi)應(yīng)力和產(chǎn)生過燒組織的傾向；

    (4)涂搪側(cè)所有轉(zhuǎn)角，R>10mm。

    212涂搪側(cè)基體的表面處理

    奧氏體不銹鋼搪玻璃反應(yīng)釜的鋼坯在涂搪底釉前可不進(jìn)行預(yù)燒，只需對涂搪側(cè)表面進(jìn)行噴砂(Sa3)或酸洗氧化處理。應(yīng)優(yōu)先采用噴砂處理方法，以增加涂搪側(cè)基體的表面粗糙度和表面積，達(dá)到增強(qiáng)底釉與基體的粘結(jié)和機(jī)械密著力。如采用酸洗氧化處理，則必須制定合理的酸洗氧化處理工藝(如選擇:酸洗液的種類、組分比例、溫度、時間)，并在處理后應(yīng)立即進(jìn)行中和處理[5]，防止酸洗液滲入基體表層而影響搪瓷層的質(zhì)量。

    213搪瓷燒成工藝

    奧氏體不銹鋼與碳鋼，在線膨脹系數(shù)和加熱，冷卻中相變方面的差異，決定了奧氏體不銹鋼搪玻璃反應(yīng)釜的燒成工藝也不同于碳鋼基體。據(jù)此，采用階梯加熱和冷卻方式的燒成工藝(見圖1)，在這里應(yīng)充分考慮基體和搪瓷層各自的相變特點，以及相變應(yīng)力產(chǎn)生的不利因素。

    214專用底釉設(shè)計原則

    在確保搪瓷釉符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中四項理化性能指標(biāo)的規(guī)定外，還應(yīng)滿足以下要求:

    (1)應(yīng)具有合適的線膨脹系數(shù)比值，本項目專用底釉以Na2O-B2O3-TiO2-SiO2{(α瓷釉)/(α不銹鋼)>65%}[6]。以保證搪玻璃設(shè)備在燒成中，底釉與不銹鋼基體間具有良好的密著性；

    (2)表面張力小，浸潤能力和粘性較好；

    (3)燒成溫度低、范圍大，取880～940℃；

    (4)有較高的彈性和良好的密著性。

    3產(chǎn)品性能及應(yīng)用

    本項目產(chǎn)品100L～1000L奧氏體不銹鋼搪玻璃反應(yīng)釜，通過了江蘇省科技廳組織，有國內(nèi)著名搪玻璃專家和化工機(jī)械專業(yè)的教授參加的鑒定會的鑒定，其主要性能檢測結(jié)果見表1、表2。從表1可看出本項目產(chǎn)品適用的工作溫度范圍大于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，并且從基材的沖擊韌性(AK值)可推知，在低溫工況下本項目產(chǎn)品的安全性較好。由表2可看出，專用底釉性能指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。表1指標(biāo)名稱HG2432—2001搪玻璃設(shè)備技術(shù)條件本項目產(chǎn)品釜內(nèi)夾套釜內(nèi)夾套工作溫度(℃)>-20～≤200>-20～≤200≥-25～≤200≥-40～≤220腐蝕裕度(mm)0100受壓元件材質(zhì)Q235系列或20R奧氏體不銹鋼表2名稱耐鹽酸性(g/m21d)耐氫氧化鈉性(g/m21d)耐溫差急變性(℃)耐機(jī)械沖擊性(J)檢測值111410≤230≤286×10-3

    自2003年至今，已生產(chǎn)的多臺100～1000L奧氏體不銹鋼搪玻璃反應(yīng)釜投入使用，實際運行情況證明本項目產(chǎn)品在≥-40℃～≤220℃范圍內(nèi)能安全運行，且夾套內(nèi)的冷卻或加熱介質(zhì)可不經(jīng)處理直接循環(huán)使用，可節(jié)約長期運行成本。滿足國內(nèi)目前生物、有機(jī)高分子、醫(yī)藥等行業(yè)對低溫工況下安全運行和外表衛(wèi)生的要求。對促進(jìn)上述行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步將起到積極作用，推廣使用后將產(chǎn)生較好的社會效益。

    4結(jié)論

    (1)鋼坯所有轉(zhuǎn)角R應(yīng)大于碳鋼基體，成型加工應(yīng)避免產(chǎn)生冷作硬化和表層滲碳，涂搪側(cè)基體表面處理應(yīng)達(dá)Sa3。

    (2)底釉配方的設(shè)計，在兼顧到瓷釉四項理化性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)考慮使搪瓷層的線膨脹系數(shù)盡可能大，保證α瓷釉/α不銹鋼>65%。

    (3)搪燒過程中，應(yīng)充分考慮奧氏體不銹鋼基體在加熱，冷卻過程中的相變特性，以減少成品設(shè)備中的殘余應(yīng)力，維護(hù)不銹鋼的耐腐蝕性能。

    (4)對已投入運行的設(shè)備跟蹤監(jiān)控表明，奧氏體不銹鋼搪玻璃反應(yīng)釜完全能在一定的低溫工況(≥-40℃～≤-20℃)下安全進(jìn)行，且外表符合醫(yī)藥等特殊行業(yè)的衛(wèi)生要求。