奥氏体不锈钢搪玻璃反应釜的研制和应用

    奥氏体不锈钢是由特定的搪烧工艺方法制成，耐低温性强，因此广泛被用作搪玻璃反应釜的受压元件基体和设计的专用底轴。

    1现状

    随着生物、医药、食品等行业的迅速发展，不仅要求搪玻璃反应釜内部具有抗腐蚀性和外表洁净卫生，而且有些反应生成物需在低温下(≤-20℃)保存。目前我国生产的搪玻璃反应釜的基体均为Q235系列或20R的碳钢或低合金钢，现行标准HG2432[1]中虽允许选用09Mn系列的搪瓷专用钢，市场上实际没有，瓷釉也只有与碳钢相匹配的底釉。所以，现行标准规定搪玻璃反应釜在一定设计压力下的使用温度为:>-20℃～≤200℃，且外表油漆脱落后极易生锈。因此，目前的碳钢基体搪玻璃反应釜不能满足低温工况(≥-40℃～≤-20℃)下安全运行和对卫生要求较高的生物、医药、食品行业的需求。另外，由于不锈钢对含氯离子或非氧化性酸的介质不耐腐蚀，还可能导致药品等特殊物料的重金属离子含量超标。为此某公司以市场为导向，自2001年起研制开发奥氏体不锈钢搪玻璃反应釜。

    2技术措施

    根据设备应在低温工况下安全运行和外表能保持洁净卫生要求的特性，更新概念和突破传统技术，选用奥氏体不锈钢作为搪玻璃反应釜的受压元件基体，并研制出能与奥氏体不锈钢相匹配的专用底釉。由于奥氏体不锈钢的线膨胀系数在20～200℃时，要比碳钢的大约40%，高温抗氧化性也好，另外，在加热或冷却中的相变不同[2、3]，所以需采取一些措施。其关键加工工艺为:

    211钢坯成型和焊接

    (1)受压元件在冷成型过程中，应防止产生冷作硬化和铁磁相含量过大[4]；

    (2)热成型时，应避免采用可能使工件表面被渗碳的加热方法，防止降低其耐腐蚀性能；

    (3)组焊时，除不允许采用强力组装外，还须严格控制焊接工艺参数，并选用较小的线能量，以减小内应力和产生过烧组织的倾向；

    (4)涂搪侧所有转角，R>10mm。

    212涂搪侧基体的表面处理

    奥氏体不锈钢搪玻璃反应釜的钢坯在涂搪底釉前可不进行预烧，只需对涂搪侧表面进行喷砂(Sa3)或酸洗氧化处理。应优先采用喷砂处理方法，以增加涂搪侧基体的表面粗糙度和表面积，达到增强底釉与基体的粘结和机械密着力。如采用酸洗氧化处理，则必须制定合理的酸洗氧化处理工艺(如选择:酸洗液的种类、组分比例、温度、时间)，并在处理后应立即进行中和处理[5]，防止酸洗液渗入基体表层而影响搪瓷层的质量。

    213搪瓷烧成工艺

    奥氏体不锈钢与碳钢，在线膨胀系数和加热，冷却中相变方面的差异，决定了奥氏体不锈钢搪玻璃反应釜的烧成工艺也不同于碳钢基体。据此，采用阶梯加热和冷却方式的烧成工艺(见图1)，在这里应充分考虑基体和搪瓷层各自的相变特点，以及相变应力产生的不利因素。

    214专用底釉设计原则

    在确保搪瓷釉符合现行标准中四项理化性能指标的规定外，还应满足以下要求:

    (1)应具有合适的线膨胀系数比值，本项目专用底釉以Na2O-B2O3-TiO2-SiO2{(α瓷釉)/(α不锈钢)>65%}[6]。以保证搪玻璃设备在烧成中，底釉与不锈钢基体间具有良好的密着性；

    (2)表面张力小，浸润能力和粘性较好；

    (3)烧成温度低、范围大，取880～940℃；

    (4)有较高的弹性和良好的密着性。

    3产品性能及应用

    本项目产品100L～1000L奥氏体不锈钢搪玻璃反应釜，通过了江苏省科技厅组织，有国内著名搪玻璃专家和化工机械专业的教授参加的鉴定会的鉴定，其主要性能检测结果见表1、表2。从表1可看出本项目产品适用的工作温度范围大于现行标准产品，并且从基材的冲击韧性(AK值)可推知，在低温工况下本项目产品的安全性较好。由表2可看出，专用底釉性能指标优于现行标准的规定值。表1指标名称HG2432—2001搪玻璃设备技术条件本项目产品釜内夹套釜内夹套工作温度(℃)>-20～≤200>-20～≤200≥-25～≤200≥-40～≤220腐蚀裕度(mm)0100受压元件材质Q235系列或20R奥氏体不锈钢表2名称耐盐酸性(g/m21d)耐氢氧化钠性(g/m21d)耐温差急变性(℃)耐机械冲击性(J)检测值111410≤230≤286×10-3

    自2003年至今，已生产的多台100～1000L奥氏体不锈钢搪玻璃反应釜投入使用，实际运行情况证明本项目产品在≥-40℃～≤220℃范围内能安全运行，且夹套内的冷却或加热介质可不经处理直接循环使用，可节约长期运行成本。满足国内目前生物、有机高分子、医药等行业对低温工况下安全运行和外表卫生的要求。对促进上述行业的技术进步将起到积极作用，推广使用后将产生较好的社会效益。

    4结论

    (1)钢坯所有转角R应大于碳钢基体，成型加工应避免产生冷作硬化和表层渗碳，涂搪侧基体表面处理应达Sa3。

    (2)底釉配方的设计，在兼顾到瓷釉四项理化性能指标的前提下，应考虑使搪瓷层的线膨胀系数尽可能大，保证α瓷釉/α不锈钢>65%。

    (3)搪烧过程中，应充分考虑奥氏体不锈钢基体在加热，冷却过程中的相变特性，以减少成品设备中的残余应力，维护不锈钢的耐腐蚀性能。

    (4)对已投入运行的设备跟踪监控表明，奥氏体不锈钢搪玻璃反应釜完全能在一定的低温工况(≥-40℃～≤-20℃)下安全进行，且外表符合医药等特殊行业的卫生要求。