论文部分内容阅读
Fe-Al金属间化合物具有高的比强度、优异的高温抗氧化、抗硫化、抗熔融盐及抗渗碳性能，优良的抗催化热化、耐磨损和较好的可加工性能，且材料成本低。虽然室温下呈现的低塑性以及高温蠕变抗性不足限制了Fe-Al金属间化合物作为结构材料的实际应用，但其特殊的性能符合现代工业中对于高温滤材的要求。Fe-Al金属间化合物多孔材料克服陶瓷多孔材料存在的严重脆性和不能进行机加工和焊接连接的缺点，可望解决高温腐蚀性气氛环境下缺乏适用的多孔材料的难题。
本论文采用Fe/Al元素粉末为原料，通过Kirkendall效应造孔和反应合成-烧结方法制备出FeAl金属间化合物多孔材料及非对称Fe-Al金属间化合物多孔膜，采用多种现代测试手段对FeAl多孔材料的孔结构性能，力学性能和高温环境下的耐腐蚀等性能进行了深入研究。最后，开发FeAl合金多孔材料过滤元件及配套的过滤设备，并成功地应用于冶金和煤化工生产过程中的高温腐蚀环境条件下气固分离过程。
本研究的主要内容和获得的结论如下：
Fe/Al元素粉末的反应合成工艺以三阶段烧结工艺为特征。低温阶段除去吸附气体；中温阶段促进Fe/Al元素间的固相反应，高温阶段促进FeAl反应的完成并使平衡相成分均匀化。其中关键步骤在于中温阶段的固相扩散反应过程中元素Al粉的大量消耗和足够厚度中间相反应层的生成，这直接影响到FeAl金属间化合物多孔材料的孔结构控制和坯体形状的维持。
深入探讨了制备工艺对Fe-Al金属间化合物多孔材料微观孔结构的定量关系，这是孔结构定量可控的基础。最高烧结温度对FeAl金属间化合物多孔材料的组成成分及孔结构产生影响，真空烧结过程中高于1100℃会引起组分Al的挥发。粉末粒度是决定Fe-Al金属间化合物多孔材料最大孔径的主要因素之一。在本实验18μm～125μm的整个粒度范围内，多孔体最大孔径和透气度与粉末粒径之间呈直线变化规律。压制压力对孔结构性能参数也有影响，压制压力主要改变了压坯中的间隙孔。
采用在FeAl多孔基体表面喷涂Fe/Al微细元素粉末后再次烧结的反应合成工艺，制备出非对称FeAl合金多孔膜，进一步研究了Al元素含量及膜层厚度对FeAl膜孔结构参数的影响。FeAl合金多孔膜孔隙分布均匀，孔径分布窄，膜层与基体之间实现了良好的冶金结合，可承受8 MPa的冲击力。
600℃和800℃的空气气氛中进行202 h循环氧化实验，Fe-x％Al(x=17，25，30)合金多孔材料的孔径保持率为85％和86％，86％和87％，88％和89％；透气度保持率为84％和85％，86％和87％，89％和90％。而金属Ti、Ni和316L不锈钢等多孔体在32 h之内孔径完全被堵塞，透气度降为零。其中Fe-25Wt％Al合金在600℃和800℃循环氧化增重曲线都满足(△m/A)n=kt的规律，氧化10 h后，n值均约为3。Fe-Al合金多孔材料优异的抗高温氧化性能是由于形成保护性的Al-O3膜以及多孔体的孔结构特征共同决定。
600℃和800℃，0.01atmS2+N2/或0.1atmS2+N2气氛中循环硫化实验表明，相同温度和硫压环境中，Fe-x％Al(x=17，25，30)多孔材料随着Al含量的升高，样品的抗硫化性能依次增强；随着硫化温度和硫压的增加，样品的硫化腐蚀加重。而经过预氧化的FeAl多孔材料的抗硫化性能更加优异，这源于氧化铝层对基体的保护作用。800℃，0.1atmS2+N2气氛中，Fe-x％Al(x=17，25，30)、预氧化Fe-25wt％Al多孔材料对比经过202h的循环硫化后，增重分别为5.1％、3.3％，2.9％和0.14％；孔径保持率为86％，89％，89％和96.5％；透气度保持率为87.5％、87.1％、88.4％和99.2％。而多孔金属Ni和316L不锈钢在4 h孔径完全被堵塞，透气度降为零。
经过800℃-室温的250周期热振实验，Fe-25％Al金属间化合物多孔材料的抗弯强度略有增加而最大孔径未发生明显变化，表明该材料完全能耐受800℃-室温温度突变而不发生断裂。此外，Fe-25％Al多孔金属间化合物多孔材料依次经过载荷8MPa下的28800次和12 MPa下的14400次反复加载，未出现疲劳断裂情况。在FeAl多孔材料的焊接技术尚不成熟的条件下，采用胶粘合和螺纹连接方式解决FeAl多孔材料与设备之间以及多孔材料相互之间的连接问题。
为了解决Shell煤气化装置于灰脱除系统中不锈钢滤芯无法稳定运行的问题，依据设备运行条件有针对性的设计3个系列FeAl多孔滤芯，经测定，在400℃时滤芯抗拉强度大于43.9MPa，远高于设备的5MPa的压力条件；在400℃ N2+H2S气氛中150 h增重0.76％，远优于不锈钢的2.58％。经过2个月的使用，FeAl多孔滤芯压差保持稳定，在工业生产中得到成功应用。
将本研究制备的FeAl合金多孔材料应用于火法冶金过程的含硫烟气除尘中，除尘效果远优于目前生产中采用的多级过滤的工艺，极大提高烟气制酸的品质，每天还可多回收有价粉尘约20kg，可为企业创造巨大经济效益。