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工业级锆棒锆管的力学性能及应用

发布时间:2020-09-09 21:59:45 浏览次数 :

工业级锆及锆合金因在高温高压的环境中具有良好的力学性能和抗腐蚀性能,在化工、石油、航空领域中具有广阔的应用前景。本文阐述了工业级锆及锆合金的合金化原理,分析了R60702和R60705在不同温度下的力学性能,指出传统石油、化工及医疗行业中使用的不锈钢和镍基合金结构件或零部件已不能完全满足苛刻条件下的工况需求,概述了工业级锆及锆合金在硫酸、醋酸、盐酸等恶劣腐蚀环境及空间技术领域的应用和研究现状。新型工业锆已经表现出优异的综合性能和巨大的应用潜力,因而核结构材料生产加工研究者应进一步加强新型工业锆的技术研究并强化其应用,这对加快我国工业化和空间领域的发展具有重要意义。

1、工业锆力学性能

传统的工业锆及锆合金主要是R60702和R60705。在不同温度下的力学性能分别如图1和图2所示。从图1可见,在室温至350 ℃的区间下,R60702锆合金的抗拉强度和屈服强度呈现降低的趋势,而延伸率则先升高后降低随后又呈升高的趋势,因而200 ℃是R60702力学性能的转折点。从图2可知,在室温至500 ℃的区间下,R60705锆合金的抗拉强度和屈服强度同样呈现降低的趋势,而延伸率则呈先升高后降低趋势;同时200 ℃为R60705力学性能的转折点。但是在低于200 ℃时,R60705锆合金的强度明显优于R60702的强度,而延伸率则相反,所以在实际应用中应按需选择、区别对待。

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2、工业锆的应用

传统石油、化工及医疗行业中使用的不锈钢和镍基合金结构件或零部件已不能完全满足苛刻条件下的工况需求,基于锆良好抗腐蚀性及力学性能特点,锆及锆合金在化工、医药及其他领域中发挥着越来越重要的作用。

传统大型储硫酸容器是指容量在100 m3以上,由罐壁、罐顶、罐底及附件组成的大型容器,介质为质量分数20%的稀硫酸,工作温度为120~140 ℃,设计温度180 ℃。由于质量分数为20%的稀硫酸具有很强的腐蚀性,对大型储酸罐的设计和材料选择提出了更高的要求。虽然金属钽、钽铌具有良好的抗腐蚀性,但是价格高昂(一台钽材或者钽铌材料的储 存罐是一台锆材储存罐的3~4倍)且设备制造工艺不成熟,所以工业锆及锆合金常作为大型储硫酸容器的首选材料。

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醋酸生产过程中,反应器是其核心设备,工作温度为185 ℃,压力为28 MPa,腐蚀介质包括醋酸、碘甲烷、CO等,工作环境十分恶劣。采用工业级锆材的设备包括锆反应器、换热器、管道、冷凝器、换热器、泵、阀、搅拌器、塔盘等;锆材产品主要包括锆管、宽厚板、锆棒、大口径管道、管件、锻件等材料完全满足醋酸化工过程的需求。

目前应用于盐酸相关流程的锆材设备包括泵、阀、管道、冷凝器及蒸发器等。锆在盐酸环境中具有较宽的耐腐蚀温度范围,如在质量分数为10%的盐酸中使用的最高温度可达250 ℃,在质量分数为37%的盐酸环境中使用的最高温度可达130 ℃。锆在盐酸中具有较长使用寿命,实践表明锆材换热器和泵的使用时间已经超过20年,并且锆在盐酸的环境下不会改变燃料颜色。

锆制反应器和热交换器在尿素合成工业中的应用已有 30 多年的历史。使用工业级锆材设备可以使反应在较高的温度和压力下进行,从而使反应进行得更快。目前,在双氧水生产中基本采用锆材作为设备的结构材料。用工业级锆材制造水解管和浓缩管后,减少了循环介质中铅的污染。

空间技术是当今世界高新技术水平的集中体现,是衡量一个国家综合国力的重要标志。随着我国月球探测、深空探测、空间暴露、空间应用等方面的任务越来越频繁,高可靠性、长寿命、轻量化的航天器设计与制造是未来空间技术研究者重点关注的课题和方向。传统的合金钢和钛合金已经远不能满足空间活动构件在空间低温、交变温度、辐照、严重摩擦磨损和冷焊等苛刻环境下的长期运转,文献采用优化成分的手段,提出了可作为空间活动构件使用的锆系合金材料的最佳体系与组成。

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锆合金已经广泛应用于国民经济、国防建设、核工业等众多领域,特别是在化工生产中具有广泛的应用前景。伴随着我国化工和空间领域的发展,迫切需要研制出高性能的新型工业锆产品。虽然我国新型工业锆产品还处于研制的初级阶段,但是新型工业锆已经表现出优异的综合性能和巨大的应用潜力。因此,核结构材料生产加工研究者应进一步加强新型工业锆的技术研究并强化其应用,这对加快我国工业化和空间领域的发展具有重要意义。

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