[发明专利]耐磨增强的钢及其制备方法

说明书

领域

本公开内容涉及改进的钢组合物及其制备方法，更特别地，涉及具有增强的耐磨性的高锰(Mn)钢组合物，和制造具有增强的耐磨性的高锰钢组合物的方法。

背景

管道系统广泛用于多种装置中，包括例如材料输送系统、流体/固体运输系统、采矿操作等。例如，采矿操作中的管道系统可用于将固体岩石和砂粒在液体介质或浆料中的混合物输送至加工装置中，以及使废物介质循环回采矿区中。用于浆料水力输送等的一些现有管道结构通常由低碳管道级钢(例如API规格5L X65或X70级钢)制成。

浆料等的输送通常导致管道系统磨损和过早失效。管道系统的磨耗/腐蚀性磨损可能由于管道壁与流体中的硬固体粒子之间的相对运动而产生。例如，管道材料的损失可能是管道壁的粒子切割或剪切部分的尖锐有角边缘的结果。因而，频繁的修补和/或置换被认为是规范，这必然导致相当大的操作成本。因此，存在相当大的经济动机来开发高强度和/或高耐磨性管道材料以改进项目的经济性和降低操作成本。

一般而言，各种管道材料是可得到的，从低合金钢至双金属和冶金结合复合材料。低合金钢的一些优点是低成本和普遍可得性。然而，这种钢具有差的抗磨性。尽管这种钢通常可通过形成合金和/或微观结构改性而一定程度地强化，但材料硬度的提高通常伴随着延展性的损失，这对大多数材料输送系统而言是不能接受的。结合复合钢/管道通常具有抗冲击外部管道夹套和硬化抗磨内部管道。然而，结合复合钢/管道的应用受到可得性和成本的限制。

在油砂采矿工业中也需要增强耐磨的钢。这类油砂矿床自20世纪六十年代起工业回收，且目前采收率增长。沥青矿的提取通常通过针对浅矿床(例如小于100m深)的表面采矿技术或者通过针对位于地下较深处的深矿床(例如约100m或更深)的就地热提取(例如涉及蒸气、化学溶剂和/或其混合物的注射)而提取。对于浅油砂的表面采矿，使用许多类型的重型设备和管道。首先，通常使用挖掘机将油砂挖出，将开采的材料转移至货车或车辆。车辆将油砂矿转移至矿石准备设备，在那里开采的矿石通常被压碎并与热水混合。然后通常将油砂浆料通过水力输送管道泵送到主分离池(PSC)中，在那里通常将油沥青与砂和水分离。在分离沥青以后，然后将剩余的砂和水浆料通过尾矿管道输送至尾矿池中以使砂沉降。

例如，阿尔伯塔东北部的加拿大油砂资源包含被浅覆盖层覆盖的大油砂矿床，由此使表面采矿成为油沥青提取的有效方法。一般而言，通常用挖掘机将砂挖出并通过水力输送管道等输送至加工装置。在那里颗粒材料油砂通常作为含水浆料输送。在沥青提取以后，然后通常通过管道将尾矿从加工设备输送至进行固体和水分离的场所。大量浆料混合物的水力输送在常规金属管道等中导致明显的金属损失，这导致短的置换周期和显著的成本。

因此，油砂采矿和矿石准备方法涉及在多个设备/操作区域(例如挖掘机齿、储料器、破碎机、传送器、振动筛、浆料泵、管道等)的数种应力和/或冲击磨耗挑战。例如，在下游浆料输送和提取方法中，设备、管道(例如输送管道)、泵和/或PSC中遭遇的一些挑战包括设备/材料的侵蚀、侵蚀/腐蚀、腐蚀、应力、磨损和/或磨耗等。这些设备/材料侵蚀/腐蚀挑战等导致明显的修补、置换和/或维护成本以及产量损失。

如指出的，用于浆料水力输送的现有管道结构通常由低碳管道级钢(例如API规格5L X70)构成。一般而言，浆料流中的快速移动的固体可导致管道中相当的金属损失(例如内部管道壁的金属损失)。含水和充气浆料流还通常由于提供腐蚀性环境而导致加速的管道侵蚀。此外，浆料中的颗粒物(在重力的影响下)导致尤其是沿着管道内部下半部分的损害。例如，在油砂采矿操作中运送砂和水浆料的水力输送和尾矿管道在使用期间经历严重的侵蚀-腐蚀损害，同时管道的底部(例如在6点钟位置)通常经历最严重的侵蚀磨损。

为延长管道的使用寿命，一些采矿操作员利用定期旋转管道的操作。例如，管道不定期地(例如在使用约1500小时以后)旋转约90°。在约3次旋转以后(例如在使用约6000小时以后)，通常将管道完全置换。油砂采矿操作员评估并使用各种材料，例如马氏体不锈钢、硬面材料(例如WC基、碳化铬基材料)和聚合物衬里材料(例如聚氨酯)。然而，发现这类材料仅用于特定环境的应用，通常是由于较差的磨损/侵蚀性能(例如聚合物衬里)或高材料/制造成本(例如WC基硬金属、碳化铬基硬金属敷镀材料)。然而，管道侵蚀等仍然是严重的问题，因此寻求替代的管道结构和/或材料以容许更有效/经济的操作/解决方法。