专利名称：整体热浸镀铝换热器及其工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用熔盐热浸镀铝的方法，对管壳式换热器管束进行整体热浸镀铝的工艺方法。
背景技术：
换热器广泛应用于化工、炼油、食品、动力、原子能等行业，在石油化工企业中占总投资的20％，设备总量的40％是换热器，换热器管束多采用碳钢制造。由于换热器里冷却水中溶解氧的氧极化作用，腐蚀极为严重，加之换热器中工作介质里含有无机盐、硫化物、氮化物、有机盐、氧、二氧化碳、水份等具有高腐蚀性的杂质，所以碳钢制造的换热器管束少则使用寿命只有几个月，多则一二年；还有采用合金钢制造的换热器管束腐蚀亦很严重，最大的局部腐蚀速率高达10mm/年以上，平均腐蚀速率也达到2.5～5.0mm/年。据统计资料介绍，换热器的损坏率(主要是管束)在所有石化设备损坏的比例中所占比例最大。换热器之所以有如此高的腐蚀损坏率，除制造材料的因素外，其主要原因之一是因为目前换热器管束的制造技术和防腐技术都不能很好的防止或控制腐蚀损坏的进行。由于管壳式换热器是采用金属材料通过冲压焊接成型制造的，管板或换热管通过焊接、胀接或胀焊接方式连接起来，在焊口或胀口附近产生残余焊接应力，或残余扩胀拉引应力，再加之设备运行中的工作压力造成的拉应力，使管板和换热管接头处形成易损区，在腐蚀介质中极易产生应力腐蚀断裂；另外在换热管与管板的焊接时存在的间隙，使电解质溶液进入缝隙之中，并在其中停滞，更加剧了腐蚀。目前，国内为提高换热器防腐性能，延长其使用寿命，其一是采用更耐腐、耐冲刷的合金材料或非金属材料制造换热器，如，采用SAF-2205双相不锈钢等合金材料及陶瓷材料、不透性石墨等非金属材料制造。由于新型合金材料价格十分昂贵，使一次性投资大大增加，增大了生产及检修成本并不被用户看好。另一条途径是对钢铁材料换热器进行表面保护，进而提高设备的使用寿命，如采用牺牲阳极保护法、有机涂料保护法、化学镀镍磷保护法等。这些方法对换热器管束的防腐性能和使用寿命都有所提高，受到企业的一定青睐，但由于还存在一定的不足之处，而限制了它们的使用范围。为弥补这些表面防护技术的不足，国内又发明了用渗铝钢管制作换热器管束的表面保护方法，实践证明这种换热器管束具有优良的抗高温氧化、抗低温硫化、抗氢裂，抗氮化物、硫化物、有机酸腐蚀的性能，但用渗铝管制作的换热器管束仍然存在不可克服的缺点，对某些腐蚀尤其是局部腐蚀没有起到很好的防护作用。中国发明专利CN1227272A公开了一种钢材热浸镀铝工艺，属于溶剂法热浸镀铝，该工艺是在镀件表面涂上助镀液，然后再进行热浸镀，助镀剂是由30～60％的氯化钾、15～45％的氯化钠、10～40％的冰晶石和5～30％的氟化铝作成的澄清溶液。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述技术存在的不足，为解决如采用热镀--扩散法、粉末填充渗铝法，钢管渗铝层存在严重的质量缺陷，钢管渗铝后造成焊接困难且焊缝防腐性能较差、用渗铝管制造换热器管束并不能控制局部腐蚀类型及渗铝使钢管机械性能降低而限制其使用范围等缺点，提供了一种可对普通碳钢或合金钢制造的换热器管束进行整体热浸镀铝，能生产出耐高温、防腐蚀、抗磨损、使用寿命长的换热器的——整体热浸镀铝换热器及其工艺方法。
本发明整体热浸镀铝换热器及其工艺内容简述本发明整体热浸镀铝换热器及其工艺，其特征在于采用钢材按现有方法制造出换热器管束，再将管束整体进行热浸镀铝，使管束的换热管、管板、折流板等部件同时在相同工艺条件下进行镀渗铝层防护处理，其工艺流程为管束制造→前处理→助镀处理→保温预热→熔盐处理→热浸镀铝→保温缓冷→后处理→包装；(1)、管束在铝锅内的镀铝时间为20～30分钟，镀铝温度控制在690～710℃之间；(2)、采用二浴法及对钢基体浸润性较好的熔盐配方，在盐锅内对管束进行彻底盐浴处理，熔盐配方为NaCL 43％、KCL 37％、Na3ALF616％、ALF34％、熔盐熔点640℃，盐浴是在盐锅中进行；(3)、在镀铝时对管束进行旋转和上下移动，旋转速度为每分钟两圈，上下移动速度为每分钟4～8米；可在钢材基体的表面形成50～100μm的Fe-AL合金层以及50～70μm的纯铝层；(4)、经过热浸镀铝后的管束立刻移到保温炉中进行缓冷，保温炉预热温度为200℃，此时管束的温度为680～700℃放入保温炉后，炉内温度可达670～680℃，在此条件下进行保温和缓慢冷却，由于保温炉内温度较高，可以加速纯铝表面与空气氧化，形成致密的AL2O3钝化薄膜；
(5)、为消除管束加工后的残余应力，盐锅温度控制在710℃内，管束在盐锅内的处理时间为2个小时；铝锅温度控制在720℃内，管束在铝锅内的处理时间为30分钟；保温炉内在工件进炉后温度控制在680℃，保温3小时30分钟；管束在以上设备中在680～720℃的温度下作业6小时，实现高温完全退火，不改变金相组织；(6)、在管束从盐锅移至铝锅，从铝锅再移至保温炉时，当管束从锅中提出时就从上至下加挂保温罩，使管束不暴露在空气之中，保温罩内的温度控制在640～660℃；(7)、为适应助镀剂处理后管束进行预热的要求，助镀剂的配方组份为NaCL 3％、KCL 3％、ZnCL 91％、NaF 3％，助镀剂温度控制在90℃以上，浓度为饱和溶液；(8)、为保证管束内外都不产生漏镀且镀层厚度均匀一致，增加熔盐的流动性，配制熔盐熔点为640℃，处理温度为680～710℃；管束在旋转和上下移动状态下与盐液、铝液进行接触，保证盐锅内各种组份的均匀一致、铝锅内铝铁合金的均匀分布；在管束盐浴处理前向盐锅或铝锅内加入2～5％的氟化镁，并彻底清除悬浮在盐液之上或铝液之中的杂质；(9)、为控制温差应力，保证管束几何尺寸和形状，采用竖式预热炉及电热管加热，电热管的分布为底层分布和炉壁分布相结合，电热管的总功率为100KW，底部60KW、炉壁40KW；在预热炉内设置内部热风循环系统，温度高的热风从底部抽出，通过管道向下输送；电热管分为3组控制，底部为一组，炉壁部分为两组；预热在管束未加入预热炉前，预热炉先进行预热，预热温度达到200℃时放入工件，并对底部加热管通电，进行热风循环，然后再对炉壁加热管通电；预热炉内安装3个热电偶测量管束的温度，3个热电偶分别接触在管束的最外层、中问层和最里层，通过控制通电和停电时间使内、中、外3个热电偶的温差不大于50℃；在预热炉的炉壁内安装隔离套管，以减少电加热管对管束外层管的直接辐射；缓冷炉必须保证镀铝后的管束缓慢冷却，在管束放入缓冷炉内开始3个半小时内，要保证炉温680℃温度恒定，3个半小时之后开始缓冷，缓冷速度为100℃/小时，管束外层管、中间管、内层管的温差控制在40℃以下，当冷却温度达到100℃时，逐渐打开炉盖，使管束冷却到室温从炉内提出。
本发明整体热浸镀铝换热器管束在较低温度下对SO2和H2S等腐蚀介质的耐均匀腐蚀性基本一致，远远高于镍铬合金钢。在耐海水均匀腐蚀性上是碳素钢的几倍到几十倍。在700℃以上时，主要以高温氧化为主，克服了纯铝镀层剥落的缺点。整体热浸镀铝换热器管束可以消除焊接和胀接残余应力的80％以上，大大地控制了应力腐蚀的发生，并基本上不产生缝隙腐蚀。整体热浸镀铝换热器管束将换热管和折流板用铝钎焊在一起，消除了管束的诱导振动，避免了换热管和折流板钻孔之间的撞击破坏。整体热浸镀铝换热器管束是在镀铝前进行焊接的，不需改进焊接工艺，焊缝质量有充分保障，经镀铝后焊缝质量还有显著提高。整体热浸镀铝换热器管束由于表面有纯铝层存在，纯铝层表面光滑，在使用中不易结垢，提高了换热器的使用性能。通过本发明对普通碳钢或合金钢制造的换热器管束进行热浸镀铝，可生产出耐高温、防腐蚀、抗磨损、使用寿命长的换热器管束。
具体实施例方式
实施例本发明的目的是要解决1、要在换热器管束整体表面实现铝铁合金层、纯铝层、三氧化二铝层三个保护层，在不进行高温扩散就能实现和渗铝工艺一样厚度的铝—铁合金层，而又要保证纯铝层和三氧化二铝层的存在。
2、如何控制盐浴、镀铝、保温的温度和时间，使换热器管束即能获得符合要求的铝—铁合金层厚度，又能最大限度的消除残余应力，增加盐液、铝液流动性，而又不影响钢材基体的机械性能是本发明的关键技术之一。
3、如何保证在长时间预热时，附着在换热器管束表面的助镀剂不破裂、不老化、不失效的关键技术，助镀剂的配方。
4、在一次镀上成千根管束，而且组装成型后的换热器管束形状复杂、缝隙众多，保证根根换热管都能获得全面、均匀、牢固的镀层，在截面复杂和缝隙之处不出现死角的办法是提高融熔液体的流动性、减少液体杂质。
5、将换热器管束在热浸镀铝时的温差应力控制在许可范围内，保证尺寸精度符合标准要求，是本发明成败的关键。
本发明整体热浸镀铝换热器及其工艺是这样实现的，(1)、根据对Fe-AL反应扩散动力学的研究，从延长镀铝时间着手，增加合金层厚度，将管束在铝锅内的镀铝时间为20～30分钟，镀铝温度控制在690～710℃之间。
(2)、采用二浴法及对钢基体浸润性较好的熔盐配方，在盐锅内对管束进行彻底盐浴处理，使钢基体得到良好浸润，创造较好的合金化条件。熔盐配方为NaCL 43％、KCL 37％、Na3ALF616％、ALF34％、熔盐熔点640℃。盐浴是在盐锅中进行，盐锅直径Φ1300mm，深7000mm。
(3)、合金层的生成还取决于两个界面的移动状况，以及基体表面温度，界面两种金属的混合方式，浓度比例等因素；本发明在镀铝时对管束进行旋转和上下移动，旋转速度为每分钟两圈，上下移动速度为每分钟4～8米。可在钢材基体的表面形成50～100μm的Fe-AL合金层以及60μm左右的纯铝层。
(4)、经过热浸镀铝后的换热器管束立刻移到保温炉中进行缓冷，保温炉预热温度为200℃，此时管束的温度近700℃放入保温炉后，炉内温度可达680℃左右，在此条件下进行保温和缓慢冷却，由于保温炉内温度较高，可以加速纯铝表面与空气氧化，形成致密的AL2O3钝化薄膜。
(5)、为消除换热器管束加工后的残余应力，控制应力腐蚀的进程，通过镀铝最大程度的消除应力，还要使钢材基体不产生相变。采取的办法是盐锅温度控制在710℃内，管束在盐锅内的处理时间为2个小时；铝锅温度控制在720℃内，管束在铝锅内的处理时间为30分钟；保温炉内在工件进炉后温度控制在680℃，保温3小时30分钟；管束在以上设备中在680～720℃的温度下作业约6小时，根据热处理学理论，钢结构件能够实现高温完全退火，而又不改变金相组织；在管束从盐锅移至铝锅，从铝锅再移至保温炉时，当管束从锅中提出时就从上至下加挂保温罩，使管束不暴露在空气之中，保温罩内的温度控制在650℃左右，保证管束在移动过程中不受室温影响，而产生二次应力。；(6)、保证助镀剂不失效的技术方案换热器管束在碱洗、酸洗、水洗之后，表面杂物和氧化铁皮已经清除干净，为避免二次氧化进行助镀剂处理。为适应助镀剂处理后管束进行预热的要求，助镀剂的配方组份为NaCL 3％、KCL 3％、ZnCL 91％、NaF 3％，该助镀剂形成的钝化膜可保证在500℃时不失效，助镀剂温度控制在90℃以上，浓度为饱和溶液。
(7)、为保证换热器管束镀层全面、均匀、无死角的技术方案为使管束内外都不产生漏镀且镀层厚度均匀一致，增加熔盐的流动性，配制熔点较低的熔盐，由于熔盐的处理温度较高，以增加其流动性。采取熔盐熔点为640℃，处理温度为680～710℃，所以有良好的流动性，保证管束的各个工作面全部均匀的与熔盐充分接触；无论是在盐锅还是铝锅之内，都要使管束在旋转和上下移动状态下与盐液、铝液进行接触，保证盐锅内各种组份的均匀一致、铝锅内铝铁合金的均匀分布，由于相对运动的结果，使熔融的液体接触到管束的各个部位，不产生漏镀和保证镀层厚度均匀；为保证盐锅清洁，减少盐液中盐与铁、盐与铝产生的高熔点化合物，避免这些化合物附着在管束表面，影响镀层质量，在管束盐浴处理前向盐锅或铝锅内加入2～5％的氟化镁，它的作用是与各种杂质进行反应，形成较大颗粒上浮于盐液表面，同时将这些浮于盐液表面化合物及时捞出；由于铝和铁可以相互反应，在铝锅内生成铝铁合金杂质，对表面镀层质量影响较大，易造成镀层不均匀、疏松、有孔洞等缺陷，铝铁合金杂质比重较大，多沉在铝液下部，所以对管束下部镀层质量影响较大，为消除这种现象，在镀管束之前要进行捞渣，并要反复进行多次，彻底清除悬浮在盐液之上或铝液之中的杂质；(8)、控制温差应力，保证换热器管束几何尺寸和形状的技术方案温差应力主要产生在管束预热和缓冷两个工序；受力不均也可产生高温下管束的变形，主要产生在盐浴和镀铝两个工序。为避免这些原由产生的变形，采用的办法是合理设计预热炉结构，使管束在预热时外层管和内层管的温度差控制在一定范围之内。采用竖式预热炉及电热管加热，电热管的分布为底层分布和炉壁分布相结合，电热管的总功率为100KW，底部60KW、炉壁40KW。在预热炉内设置内部热风循环系统，温度高的热风从底部抽出，通过管道向下输送；电热管分为3组控制，底部为一组，炉壁部分为两组。预热方案是在管束未加入预热炉前，预热炉先进行预热，预热温度达到200℃时放入工件，并对底部加热管通电，进行热风循环，加热一定时间后，然后再对炉壁加热管通电。预热炉内安装3个热电偶测量管束的温度，3个热电偶分别接触在管束的最外层、中间层和最里层，通过控制通电和停电时间，使内、中、外3个热电偶的温差不大于50℃。在预热炉的炉壁内安装隔离套管，以减少电加热管对管束外层管的直接辐射。缓冷炉必须保证镀铝后的管束缓慢冷却，在管束放入缓冷炉内开始3个半小时内，要保证炉温680℃温度恒定，3个半小时之后开始缓冷，缓冷速度为100℃/小时，管束外层管、中间管、内层管的温差控制在40℃以下，缓冷炉为竖式结构，外加良好保温层，缓冷炉安装内循环装置，循环风力不可过大，使炉内热风缓慢流动即可，当冷却温度达到100℃时，逐渐打开炉盖，使管束冷却到室温从炉内提出。管束在盐浴或镀铝时，由于全部浸在同一温度液体中，内外温差不大，不会产生温差应力，造成塑性变形，但为避免产生由于管束在吊挂时不能保持垂直而产生的附加弯矩，管束的吊具必须进行机械加工，使吊板能够保持水平，管束保持垂直。上述技术方案是在铝锅、盐锅供热稳定的前提下进行的，在镀换热器管束时，必须对燃油质量、设备运行状况有严格的要求。
权利要求
1.一种整体热浸镀铝换热器，其特征在于采用钢材按现有方法制造出换热器管束，再将管束整体进行热浸镀铝，使管束的换热管、管板、折流板等部件同时在相同工艺条件下进行镀渗铝层防护处理。
2.根据权利要求1所述的整体热浸镀铝换热器，其特征在于工艺流程为管束制造→前处理→助镀处理→保温预热→熔盐处理→热浸镀铝→保温缓冷→后处理→包装；(1)、换热器管束在铝锅内的镀铝时间为20～30分钟，镀铝温度控制在690～710℃之间；(2)、采用二浴法及对钢基体浸润性较好的熔盐配方，在盐锅内对管束进行彻底盐浴处理，熔盐配方为NaCL 43％、KCL 37％、Na3ALF616％、ALF34％、熔盐熔点640℃，盐浴是在盐锅中进行；(3)、在镀铝时对管束进行旋转和上下移动，旋转速度为每分钟两圈，上下移动速度为每分钟4～8米；可在钢材基体的表面形成50～100μm的Fe-AL合金层以及50～70μm的纯铝层；(4)、经过热浸镀铝后的换热器管束立刻移到保温炉中进行缓冷，保温炉预热温度为200℃，此时管束的温度为680～700℃放入保温炉后，炉内温度可达670～680℃，在此条件下进行保温和缓慢冷却，由于保温炉内温度较高，可以加速纯铝表面与空气氧化，形成致密的AL2O3钝化薄膜；(5)、为消除管束加工后的残余应力，盐锅温度控制在710℃内，换热器管束在盐锅内的处理时间为2个小时；铝锅温度控制在720℃内，管束在铝锅内的处理时间为30分钟；保温炉内在工件进炉后温度控制在680℃，保温3小时30分钟；管束在以上设备中在680～720℃的温度下作业6小时，实现高温完全退火，不改变金相组织；(6)、在换热器管束从盐锅移至铝锅，从铝锅再移至保温炉时，当管束从锅中提出时就从上至下加挂保温罩，使管束不暴露在空气之中，保温罩内的温度控制在640～660℃；(7)、为适应助镀剂处理后换热器管束进行预热的要求，助镀剂的配方组份为NaCL 3％、KCL 3％、ZnCL 91％、NaF 3％，助镀剂温度控制在90℃以上，浓度为饱和溶液；(8)、为保证换热器管束内外都不产生漏镀且镀层厚度均匀一致，增加熔盐的流动性，配制熔盐熔点为640℃，处理温度为680～710℃；管束在旋转和上下移动状态下与盐液、铝液进行接触，保证盐锅内各种组份的均匀一致、铝锅内铝铁合金的均匀分布；在管束盐浴处理前向盐锅或铝锅内加入2～5％的氟化镁，并彻底清除悬浮在盐液之上或铝液之中的杂质；(9)、为控制温差应力，保证换热器管束几何尺寸和形状，采用竖式预热炉及电热管加热，电热管的分布为底层分布和炉壁分布相结合，电热管的总功率为100KW，底部60KW、炉壁40KW；在预热炉内设置内部热风循环系统，温度高的热风从底部抽出，通过管道向下输送；电热管分为3组控制，底部为一组，炉壁部分为两组；预热在管束未加入预热炉前，预热炉先进行预热，预热温度达到200℃时放入工件，并对底部加热管通电，进行热风循环，然后再对炉壁加热管通电；预热炉内安装3个热电偶测量管束的温度，3个热电偶分别接触在管束的最外层、中间层和最里层，通过控制通电和停电时间使内、中、外3个热电偶的温差不大于50℃；在预热炉的炉壁内安装隔离套管，以减少电加热管对管束外层管的直接辐射；缓冷炉必须保证镀铝后的管束缓慢冷却，在管束放入缓冷炉内开始3个半小时内，要保证炉温680℃温度恒定，3个半小时之后开始缓冷，缓冷速度为100℃/小时，管束外层管、中间管、内层管的温差控制在40℃以下，当冷却温度达到100℃时，逐渐打开炉盖，使管束冷却到室温从炉内提出。
全文摘要
本发明涉及一种采用熔盐热浸镀铝的方法,对管壳式换热器管束进行整体热浸镀铝及其工艺,其特征在于:采用钢材按现有方法制造出换热器管束,再将管束整体进行热浸镀铝,使管束的换热管、管板、折流板等部件同时在相同工艺条件下进行镀渗铝层防护处理,其工艺流程为:管束制造→前处理→助镀处理→保温预热→熔盐处理→热浸镀铝→保温缓冷→后处理→包装。本发明整体热浸镀铝换热器管束在较低温度下对SO
文档编号C23C2/04GK1381607SQ02109108
公开日2002年11月27日 申请日期2002年1月29日 优先权日2002年1月29日
发明者秦方, 靖殿贵, 刘胜滨 申请人:鞍山市银马热浸镀铝有限公司