چدن پر سیلیسیم مقاوم به خوردگی

مقدمه:

چدنهای آلیاژی به خانواده‌ای از چدنهای خاکستری، با گرافیت کروی و سفید گفته می‌شود که محتوی مقادیر بالائی از عناصر آلیاژی (3 تا 40%) هستند.

اگر چه این خانواده از چدنها دارای خواص فیزیکی و مکانیکی بسیار مهمی هستند. معهذا ریخته‌گری آنها به همان سهولت چدنهای غیر آلیاژی انجام می‌گیرد. تولید این نوع چدن‌ها در صنایع چدن‌ریزی تخصص جداگانه‌ای را به خود اختصاص داده و اکثر واحدهای ریخته‌گری این نوع چدنها ،  تنها فعالیت خود را محدود به چند نوع  از انواع آنها محدود نموده اند.

تقسیم‌بندی این نوع چدنها بر مبنای خواص آنها نظیر استحکام در درجات حرارتی بالا، مقاومت در مقابل اکسیداسیون (اکسایش)، مقاومت در مقابل سرما ،  مقاومت در شرایط سایند شدید، انبساط حرارتی بسیار  یا خاصیت غیر مغناطیسی بودن آنها قرار دارد.


گسترش روزافزون صنایع شیمیایی پتروشیمی ها و آزمایشگاه‌های مدرن شیمی و صنایع مربوطه که با محیط‌ها یا مواد خورنده سر و کار دارند، نیاز به این نوع چدنها، یعنی چدن‌های مقاوم به خوردگی در محیط‌های اسیدی،  بازی و ... بیشتر احساس می‌شود که لازم است به آنها اهمیت  و توجه بیشتری شود.

به همین دلیل ابتدا ما در این قسمت قصد بر این داریم که خوردگی چدنهای غیر آلیاژی در محیط‌های مختلف و علت اینکه به چدنهای آلیاژی مقاوم به خوردگی احتیاج می‌شود را مورد بررسی قرار داده و سپس به انواع چدن‌های آلیاژی مقاوم به خوردگی اشاره مختصری کرده و بعداً در ادامه در مورد کلیات تولید آلیاژ مورد نظرمان در تحقیق و آزمایش (چدنهای پرسیلیسم)، مواد اولیه مورد نیاز برای تولید آن، تجهیزات ذوب و قالبگیری، نحوه آزمایش، مراحل عملیات و نتایج آن توضیحات مفصل‌تری داده خواهد شد.

 

خوردگی چدنهای خاکستری غیر آلیاژی

مقاومت خوردگی خاصیت ویژه‌ای برای یک ماده محسوب نمی‌شود. ارزیابی این مشخصه به وضعیت قرار گرفتن ماده در معرض خوردگی و به کیفیت لازم برای کاربرد بستگی دارد.

مقاومت خوردگی چدنها اصولاً به ترکیب شیمیایی و نحوه پخش عناصر داخل ساختار میکروسکوپی آن بستگی دارد. طبق تعریف همه چدنها غیر متقارن بوده و بدین ترتیب لااقل دو مورد از اجزا مختلف در ساختارشان دارند. تیپ‌های مختلف چدنها به وسیله شکل و نحوه پخش گرافیک در ساختار و تیپ زمینه‌ میکروسکوپی از هم متمایز می‌شوند.

 

چگونه چدنها خورده می‌شوند؟

خوردگی چدنها با خوردگی فولادها تفاوت دارد زیرا چدنها شامل مقادیر محسوس کربن و سیلیم می‌باشند. مقدار زیادی از کربن به صورت گرافیت درمی‌آید که به طور کلی نامحلول بوده و در بیشتر محیطهای خورنده خنثی است. گرافیت موجود در چدن، در برابر حمله  خوردگی بیشتر محیطهای خورنده بی‌اثر است، حمله خوردگی به طور اصلی روی زمینه ساختار فلز می‌باشد. اگر گرافیت روی سطح در جای خود بماند باعث تشکیل پوسته محافظ به رنگ سیاه یا خاکستری به نظر می‌رسد. این پوسته محافظ گرافیتی می‌تواند عاملی برای سرعت دادن یا کاهش سرعت خوردگی در فلز باشد.

در یک محیط خورند با PH کم، گرافیت در برابر آهن به شدت کاتدیک است و شاید به طور الکترولیتی موجب تسریع حمله خوردگی روی فلز شود. اما اگر محصولات خوردگی در روی فلز نگاه داشته شوند، می‌توانند مانند یک سد مکانیکی موجب افزایش مقاومت الکتریکی شده و حمله ثانوی خوردگی را جلوگیری کنند.

 

تشکیل پوسته محافظ

موقعیت سطح آهن خام در معرض رطوبت و هوا قرار می‌گیرد، نوعی اکسید هیدراته به رنگ قهوه‌ای پرتقالی (لیمونیت) به سرعت روی آن تشکیل می‌شود، اما با  ماندن در معرض شرایط خوردگی فوق، یک اکسید سیاه رنگ روی سطح شکل می‌گیرد. وجود سیلیسم در چدن موجب تشکیل یک پوسته سیلیکات متراکم و چسبنده روی اکسید آهن شده و پوسته محافظ می‌تواند اکسید اسیدن ثانوی را متوقف نماید. بدین ترتیب در بعضی از کاربردها چدن با سطح خام می‌تواند سالها مورد استفاده قرار گیرد. تشکیل اکسید روی آهن محدودیت دیگری به همراه دارد. وقتی فولاد زنگ می‌زند، نسبت به فلز اولیه یک افزایش زیاد در مجموع حجم فلز و اکسید وجود خواهد داشت. این افزایش حجم که انبساط به همراه دارد می‌تواند نیروی کافی برای ایجاد ترک در بتنی که این فولاد در آن کار گذاشته شده است بشود. از اینکه این اتفاق در قطعات چدنی نمی‌افتد، در کاربردهای ساخت در پوشی رینگهای MANHOLE که به طور کامل در یک پریود طولانی زمان در بتن جاده کار گذاشته شده‌اند مورد استفاده قرار می‌گیرند. به دلیل وجود لاینفک سیلیسم در چدن به طور کلی مقدار کم عناصر دیگر اثر مفید و برجسته‌ای ندارند.

وجود 6% - 4% درصد مس در خوردگی در معرض هوا می‌تواند مفید باشد. در بعضی کاربردها، مجموع معتدل کرم و نیکل ممکن است عمر سرویس‌دهی را افزایش دهند.

خوردگی در هوا

میزان خوردگی در هوا به رطوبت نسبی و حضور گازهای مختلف و ذرات جامد معلق در هوا بستگی دارد. رطوبت زیاد به طور کلی میزان خوردگی را افزایش می‌دهد.

دی‌اکسید گوگردد و کلریدهای موجود در هوای، مناطق مشرف به دریا موجب افزایش  خوردگی می‌شوند.

میزان خوردگی چدن خاکستری در هوای مناطق صنعتی موجود باشد و کلریدهای موجود در هوای مناطق مشرف به دریا موجب افزایش خوردگی می‌شوند.

میزان خوردگی چدن خاکستری در هوای مناطق صنعتی بعید است که بیش از mm12% باشد. این امر به علت به وجود آمدن یک لایه اکسیده روی سطح چدن خاکستری است که حالت محافظ را دارد.

خوردگی در معرض گازهای سوخت

استفاده از چدن خاکستری در برابر گازهای سوخت از صدها سال پیش شروع شده است. خوردگی به وسیله گازهای داغ در سطوح گرم یک مسئله مهم در ماشین‌های دیگ بخار ، زغال سنگ سوز و سیستم حرارت مرکزی می‌باشد. از این خاصیت می‌توان در بخشهای گرم کننده هوا و آب در جائیکه حرارت سطح فلز بین 0C 300-100 هست استفاده نمود . چدن خاکستری دارای کارایی خوبی در مقابل این نوع خوردگی می‌باشد.

خوردگی در آب

چدنهای خاکستری غیر آلیاژی اساساً برای لوله‌های آب استفاده می‌شوند. مقاومت خوردگی چدن بستگی به توانایی تشکیل پوسته محافظ دارد. در آبهای سخت به دلیل رسوب کربنات کلسیم روی چدن، پوسته محافظ تشکیل می‌شود که میزان خوردگی سطح آنرا به طور کلی کم می‌کند. در آبهای سبک پوسته  محافظ نمی‌تواند به طور کامل تشکیل شود و مقداری خوردگی رخ خواهد داد. در آبهای صنعتی، میزان خوردگی اصولاً یک تابع از آلودگی‌ها و میزان PH می‌باشد. آبهای اسیدی خوردگی را افزایش می‌دهند، در حالیکه آبهای قلیایی میزان خوردگی کمتری دارند. حضور آب دریا مسائل ویژه‌ای برای چدن خاکستری ایجاد می‌کند. در آب دریا میزان خوردگی به سرعت تلاطم آب دریا بستگی دارد. با افزایش سرعت تلاطم آب دریا به دلیل افزایش مقدار اکسیژن موجود در تلاطم، میزان خوردگی افزایش می‌یابد.

کلریدهای موجود در آب دریا یک مهاجم خورنده طبیعی برای چدن خاکستری محسوب می‌شوند. افزودن عناصر آلیاژی نظیر کرم، نیکل و مولیبدن می‌تواند میزان خوردگی در آب دریا را کنترل کند.

خوردگی خاک

خوردگی در خاک یک پدیده پیچیده می‌باشد، خلل و فرج خاک، فاضلاب و اجزا حل شده در آب زمین که در تماس با لوله چدنی می‌باشند، اثر محسوسی روی عمر چدنهایی که در زیر خاک هستند، دارند. نقطه ی حمله ی خوردگی ممکن است به طور خیلی محسوسی به وسیله برخورد نامنظم لوله با خاک اطراف تحریک شود. خوردگی مختلف از حدود mm 1 الی mm5% در سال در شرایط خوردگی سخت به وجود خواهند آمد.

خوردگی در اسیدها

چدنهای خاکستری غیر آلیاژی مقاومت کمی در برابر اسیدهای معدنی با غلظت‌های متوسط و کم دارند. به هر حال، کاربردهایی وجود دارد که چدن خاکستری درمعرض اسیدها قرار می‌گیرد مثل اسید سولفوریک داغ 65% دلیل این مقاومت ناشی از تشکیل لایه محافظ حل نشدنی سولفات آهن روی چدن خاکستری می‌باشد. اگر غلظت کمتر از 60% باشد سولفات آهن حل شده و خوردگی به سرعت ادامه می‌یابد. چدن خاکستری غیر آلیاژی مقاومت به خوردگی مفید را در مقابل اسید نیتریک 70-65% در درجه حرارت متوسط از خود نشان می‌دهد. چدن خاکستری غیر آلیاژی در اسید فسفریک خالص خورده می‌شود. در حالیکه ممکن است در برابر اسید فسفریک ناخالص به خوبی مقاومت کند.

خوردگی در قلیاها

قلیاها شامل هیدروکسید سدیم (Na oH)، هیدروکسید پتاسیم (KOH)، سیلیکات سدیم و ترکیب شیمیایی مشابه شامل سدیم، پتاسیم و یا لیتیمم می‌باشند.

به طور کلی چدنهای خاکستری غیر آلیاژی مقاومت خوبی نسبت به قلیاها از خود نشان می‌دهند. چدنهای خاکستری غیر آلیاژی توسط قلیاهای رقیق خوردگی ندارند. قلیاهای داغ با غلظت بیش از 30% در چدنهای غیر آلیاژی باعث خوردگی می‌شوند. اگر میزان خوردگی کمتر از mm25% در سال مورد نیاز باشد، درجه حرارت نباید بیش از 0c 80 برای غلظت بالای 70% باشذ. چدنهای خاکستری غیر آلیاژی به طور وسیعی برای حمل هیدروکسید آمونیم استفاده می‌شوند.

خوردگی در اسیدهای آلی و ترکیبات آن:

اسیدهای آلی به طور کلی مانند اسیدهای معدنی خورنده نیستند. در نتیجه چدنهای خاکستری غیر آلیاژی کاربرد وسیعی در حمل این مواد دارند. چدنهای خاکستری غیر آلیاژی می‌توانند برای حمل اسیدهای FATTY و استیک غلیظ استفاده شوند اما در محلول رقیق اسیدهای فوق خورده می‌شوند. چدنهای خاکستری غیر آلیاژی برای حمل الکل‌های متیل، اتیل، بوتیل، و آمیل مورد استفاده قرار می‌گیرند.

خوردگی در محلول‌های نمک

نمک‌های متعدد و محلول‌های نمک می‌توانند به وسیله چدن خاکستری غیر آلیاژی حمل شوند بدون اینکه خوردگی قابل توجهی ایجاد کنند. نمکهایی که به شکل یک محلول قلیا هیدرولیز می‌شوند مانند سیانیدها، سیلیکاتها، کربناتها، و سولفیدها دارای خوردگی کمتری در مقایسه با نمک‌هایی که به شکل محلول اسید هیدرولیز می‌شوند، هستند. کلریدها و سولفاتهای فلزات قلیایی محلول طبیعی داده و نسبتاً میزان خوردگی آنها خیلی کم است. کلریدها و سولفاتهای اسید که اکسیده هستند در مقایسه خوردگی بیشتری دارند. نمکهای آمونیوم که به صورت محلول اسید هیدرولیز می‌شوند نسبت به آهن خورنده بوده اما میزام خوردگی ممکن است به وسیله حضور آمونیاک آزاد کاهش یابد.

اثر ساختار

اگر چه شکل گرافیک و مقدار کاربیدهای بزرگ موجود، در خواص مکانیکی تاثر بحرانی دارند، این ساختار روی مقاومت خوردگی اثر قوی ندارند. ساختار زمینه تاثیر محسوسی روی مقاومت به خوردگی دارد، اما در مقایسه با اثر ترکیب این تاثیر کمتر است. در چدنهای خاکستری، ساختار مزیتی به طور کلی دارای کمترین مقاومت و ورقه‌های گرافیک دارای بیشترین مقاومت به خوردگی می‌باشند. پرلیت و سمنتیت مقاومت به خوردگی متوسطی را نشان می‌دهند. حفره‌های انقباظی یا خلل و فرج می‌توانند موجب تنزل مقاومت خوردگی قطعات چدنی بشوند. وجود خلل و فرج اجازه می‌دهد مواد خورنده در بدنه‌ی قطعه ریختگی نفوذ کرده و باعث یک مسیر پیوسته برای مواد خورنده بشود...

کلیاتی در مورد تولید آلیاژ مورد نظر (چدن‌های پرسیلیسم )

چدنهای پرسیلیسم (یا سیسیلیسم بالا) برای مقاوم در برابر خوردگی تولید می‌شوند. در صنایع شیمیایی  به منظور پردازش و حمل و نقل سیالات بسیار خورنده از این نوع چدن استفاده می‌شود مقاومت بسیار خوب این چدنها در برابر خوردگی اصولاً ناشی از وجود 2/14  تا 75/14 درصد سیلیسم است این چدنها در برابر خوردگی توسط تعدادی از اسیدهای صنعتی از قبییل سولفوریک و نیتریک اسید و مخلوطهای از این دو در همه دماها، ترکیبهایی از اسیدهخای آلساینده و اسیدهای آلی در هر غلظت و دمایی، و اسید فسفریک در دمای محیط مقاوم‌اند چدنهای پرسیلیسم مقاوم در برابر خوردگی در مشخصات فنی ASTMA 518 آمده‌اند. انواع اصلاح شده چدنهای پرسیلیسم که سیلیسم بیشتری دارند و کرم یا مولیبدن به آنها افزوده شده است. استاندارد نیستند اما طبق سفارش تولید می‌شوند چند نوع از این چدنها در جدول 1 معرفی شده‌اند ارزش اصلی چدنهای ریختگی‌ پرسیلیسم به سبب مقاومت آنها در برابر خوردگی است. از این چدنها برای نگهداری سیالهای خورنده استفاده می‌شود نه به عنوان قطعات سازه‌ای تحت تنش زیاد هیچ یک از مشخصات فنی استاندارد به خواص مکانیکی اشاره نمی‌کنند این چدنها کم استحکام و تردند سختی آنها در حدود 500 برنیل است و به مفهوم متداول ماشین‌کاری نیستند.

چدنهای پرسیلیسم مولیبدن‌دار تا مقدار 5/3 درصد در بسیاری از جاها برای حمل اسیدهای خوزنده استفاده می‌شود با  مقدار سیلیسم 5/14درصد یا بیشتر این نوع چدنها مقاومت بالایی در برابر اسیدهای سولفوریک یک گرم 30 درصد پیدا می‌کنند. افزایش مقدار سیلسیم تا مقدار 5/16 درصد در چدن خاکستری باعث کاهش خوردگی آن در برابر اسیدهای گرم سولفوریک و نیتریک شده بود و در تمام غلظت‌های آن موثر می‌باشد. چدن خاکستری با 14 درصد سیلیسم در برابر خوردگی اسید کلریدریک مقاومت کمتری دارد ولی می‌توان با افزودن 5/3 درصد مولیبدن این مقاومت را بهبود داد این مقاومت را همچنین می‌توان با افزودن تا مقدار 17 درصد سیلیسم نیز افزایش داد این چدنها در تماس با محلولهای شامل نمک مسئولیت و یا گاز مرطوب کلریدن مقاومت مفیدی دارند. همچنین در برابر اسیدهای آلی و در هر غلظت و درجه حرارتی مقاوم می‌باشند به هر حال در بیشتر موارد. این چدنها مقاومتشان نسبت به سودهای سوزآور و داغ و قوی رضایت‌بخش نیست و در این مورد این چدنها نامرغوب‌تر از چدن خاکستری غیر آلیاژی هستندو این نوع چدنها هیچ مقاومت مفیدی در مقالب جوهر نمک و یا اسیدهای سولفوره ندارند. استفاده قابل توجه این چدن به خاطر مقاومت برجسه آن نسبت به اسیدها می‌باشد این چدنها برای لوله‌کشی در کارخانه‌های شیمیایی و آزمایشگاه‌ها به کار برده می‌شود.

مهم‌تریم خانواده چدنهای مقاوم درمقابل اسیدهای (مخلوط انواع اسیدهای غلیظ) سرد و گرم چدنهای محتوی 5/14 تا 18 درصد سیلیسم هستند. در زیر ترکیب نمونه‌ای از این نوع چدن ارائه شده است.

کربن 55/ تا 65/ درصد، سیلیسم 25/14 تا 25/15 درصد، حداکثر 6/ درصد، گوگرد حداکثر 05/ و فسفر حداکثر 2/ درصد، اگر چه این نوع چدنها دارای استحکام کششی و فشاری متوسطی هستند. معهذا بسیار شکننده بوده و عملاً قابلیت ماشی‌کاری ندارند.

برای جلوگیری از ترک برداشتن این گونه قطعات در جریان سرد شدن در قابل، بایستی اجازه داد تا قطعات به آهستی در قالب سرد گردند. یک روش متداول برای جلوگیری از ترک برداشتن این گونه قطعات که در ایران نیز متداول است خارج کرد قطعات از قالب در حالت سرخ (قبل از آن که درجه حرارت آنها به زیر 850 درجه سانتی‌گراد تقلیل یابد) و سرد کردن آهسته آنها در کوره می‌باشد. از جمله نکات دیگری که در تولید این نوع چدن‌ها بایستی در نظر گرفت تلقیح چدن توسط عناصرقلیائی خاکی (میش‌متال) قبل از ریختن مذاب به داخل قالب است. این خانواده از چدنها در صورتی که محتوی 5/3 تا 4 درصد مولیبدن باششند در مقابل اسیدها (اسید سولفوریک کلرئیدیک یا مخلوط آنها) دارای مقاومت بیشتری خواهد بود.

چدنهای پرسیلیسم ناشی از تشکیل لایه‌ای نازک از اکسیدهای آبدار سیلیسم بر روی قطعه است هنگامیکه قطعه ریختگی برای نخستین بار در معرض محیط خورنده قرار می‌گیرد یونهای خورنده به آن حمله می‌کنند اتمهای آهن از شبکه‌ی سیلیسم فریت فرو شسته می‌شوند در مرحله اولیه تماس با محیط خورنده، آهنگ خوردگی بالاست. اتمهای سیلیسم باقیمانده در زمینه چدن اکسید، و به ترکیبهای سیلیسم اکسیژنی تبدیل می‌شوند که در سطح فلز با آب واکنش می‌کنند و لایه‌ای چسبنده  تشکیل می‌دهند با گذشت زمان این لایه ضخیمتر می‌شوند و اثر حفاظتی آن افزایش می‌یابد اگر چه چدنهای پرسیلیسم استاندارد در برابر کلرید و فلوریدریک اسید نسبتاً کم است با افزایش مقدار سیلیسم به حدود 16 تا 18 درصد، مقاومت آنها در برابر کلریدریک اسید افزایش می‌یابد اما  قطعات ریختگی تردتر می‌شوند با افزودن 3تا 5 درصد کرم یا 3 تا 4 درصد مولیبدن به ترکیب اصلی (2/14 تا 75/14 درصد سیلیسم) نیز می‌توان مقاومت این چدن را نیز افزایش می‌دهد. از چدنهای پرسیلیسم در ساخت تجهیزات تولید سولفوریک و نیتریک، کود شیمیایی، منسوجات و مواد منفجره، برای تخلیه فاشلاب و تصفیه آب، برای جابه‌جایی اسیدهای معدنی در پالایشگاه نفت و در تمیزکاری یا اسید شویی فلزات، در پولیشکاری الکترولیتی، برای پردازش کاغذ، نوشیدنیها، رنگها، رنگدانه‌ها، و به عنوان آند در حفاظت کاتدی لوله‌های چدنی یا سایر ظروف آهنی مدفون در خاک به گستردگی استفاده می‌شود به عنوان قطعات ویژه‌ای کهاز چدن پرسیلیسم ساخته می‌شوند و می‌توان از روتور تلمبه‌ها، همزنها، دیگها، تبخیر‌کننده‌ها، برجهای جداکننده و حلقه‌های راشیگ (Rachig) مجرای تخلیه مخزنها، بوته‌ها، آندهای حل نشدنی، لوله و اتصالات لوله‌کشی در آزمایشگاه‌های شیمیایی، بیمارستانها، دانشگاه‌ها و صنایع نام برد. اندازه قطعات آزمایشگاه‌ها گرفته تا اجزای برجها به قطر 22/1 (48 اینچ) و ارتقاع 22/1 متر (48 اینچ ) متغیر است.

 

جدول 1 چرخه‌های پرسیلیسم مقاوم در برابر خوردگی

انواع آمریکایی

انواع اروپایی

درصد ترکیب شیمیایی

A

B

C

D

E

F

C

85/

85/

85/

65/

35/

65/

SI

5/14

5/14

5/14

5/14

5/14

5/14

MN

6/

6/

6/

5/

5/

5/

CR

-

4

4

-

-

-

MO

-

-

-

-

-

5/3

S

05/

05/

05/

02/

02/

02/

P

1/

1/

1/

15/

1/

1/

سختی BHN

520

520

520

450

520

52

استحکام کششی نمونه‌وار PSI

16000

16000

29000

20000

-

-

MPA

110

110

200

140

-

-

 

 


نوشته شده در تاريخ ۱۳۸۸/۸/۱۱ توسط رضا علیزاده-سید محمد درودی
.: Weblog Themes By Blog Skin :.

اسلایدر