[发明专利]用于金属表面的保护涂层

说明书

本发明涉及一种用于加热或冷却还原气体的方法。

高温腐蚀是一个化学过程，其中，高温(通常温度高于350℃)引起材料与其周围的物质，通常与气氛中的气态化合物发生化学反应，因而损坏材料。均匀表面腐蚀和点蚀之间是有区别的，在均匀表面腐蚀中，来自腐蚀的损坏基本上均匀地遍布材料的整个表面，在点蚀中，腐蚀更具有局部性并导致材料上产生小孔。

高温腐蚀可能是与分子氧发生氧化的结果(例如结垢)。但是，其也可以在具有低的氧含量的气氛中发生，例如，在含碳气氛中，例如含一氧化碳气氛。

例如，如果使金属物体在高温下与含有一氧化碳、甲烷和/或其他含碳组分的气体接触，特别是当所述气体具有低的氧含量时，可发生高温腐蚀。这种高温腐蚀的例子有渗碳和金属尘化。

渗碳是一个腐蚀过程，其中，金属材料(通常是铁或其合金，例如刚)由于在高温下暴露在含碳气氛中而被损坏。在这个过程中，碳被扩散进入到金属材料的表面，并随后形成金属碳化物。渗碳可导致材料变得易碎并可引起龟裂的产生。进一步地，渗碳可导致机械性能的减弱，例如抗氧化性的减弱。还已知有意地使材料渗碳以提供高的表面硬度和耐磨性。例如，可对钢进行处理以使表层富含碳含量。

金属尘化是一个腐蚀过程，一般在约350至约1050℃的温度范围，其通常伴随着碳源例如一氧化碳的渗碳过程。

在这个过程中，金属材料在强的渗碳气氛中解体成石墨灰和金属粒子。金属尘化可导致金属损耗和/或材料的严重点蚀。不希望被任何理论限制，渗碳的机理被认为如下。首先，存在碳摄入到金属相中，导致合金中的碳过饱和，随后形成亚稳态的金属碳化物(M₃C，其中M是金属，如Cr、Fe和Ni)，然后其从金属表面移出进入到石墨层。

由高温腐蚀例如渗碳和金属尘化引起的材料降解被认为例如是石油化工技术工艺中的难题，例如是在用于使钢硬化的工业熔炉中的加热管道和其他金属组分中的难题。

金属尘化被特别地认为是还原气氛中的一个难题，所述还原气氛例如为含有相对高含量的一氧化碳的气氛。举例来说，在金属管道中在高温下处理还原气体，该金属管道可能遭受强的腐蚀。在这种条件下，金属尘化引起与还原气体接触的金属材料表面的灾难性腐蚀。灾难性腐蚀是指在非常短的时间内发生的腐蚀，例如小于10天。

虽然在裂化管中也可观察到温和的腐蚀，但是被金属尘化引起的灾难性腐蚀在裂化过程中一般不会发展到很大的程度。在裂化管中加热的烃类气体没有强还原性，并且没有高于0.5体积％的一氧化碳含量。进一步地，裂化炉的金属表面通常由于结焦而被碳沉淀物所覆盖。这种结焦层阻止烃类气体直接到达裂化管的金属表面，因此限制了烃类气体可能对金属表面发生的腐蚀影响。

在本领域，已知有多种技术用于防止渗碳和/或金属尘化。

WO2010/097300描述了金属的表面处理以保护其免于金属尘化。所使用的多孔涂层由纳米粒和陶瓷粉制备而成。

US2008/0020216描述了包括氧化层和金属涂层的金属涂层组合物用于阻止金属表面的金属尘化的应用。

本发明的一个目的是提供一种用于保护金属表面在还原气氛，特别是在渗碳气氛中免于高温腐蚀的方法。

本发明的进一步的目的是提供一种用于在含有金属的管道中加热或冷却还原气体的方法，其中还原气体经受高温，在所述高温下在缺乏足够的保护的情况下渗碳和/或金属尘通常是一个难题，其中所述含有金属的管道被保护以免于渗碳和/或金属尘化。

根据本发明，发现在渗碳条件和/或金属尘化条件下，由涂层组合物制备的层成功地防止或至少基本上减少了金属层的高温腐蚀，其中，所述涂层组合物包括无定形硅酸盐、晶态氧化物、任选地辐射剂和任选的稳定剂/粘结剂。这里用的术语渗碳条件是指金属层会渗碳并随后可能发生金属尘化的条件。更具体地，渗碳条件是指在高温(至少400℃)下，存在相对高含量的含碳化合物的还原气氛。这些特定条件在下面会有更详细的描述。

因此，本发明涉及一种用于加热或冷却含碳还原气体的方法，其中，所述气体被加热到至少400℃的温度，或其中所述气体从超过400℃的温度冷却，其中气体沿着加热或冷却单元的表面传送，所述加热或冷却单元包括导热金属或金属合金体以及保护层，所述保护层提供所述表面，并且所述保护层由包括无定形硅酸盐、晶态氧化物、任选地辐射剂和任选地稳定剂/粘结剂的涂层组合物制备而成。