[发明专利]耐腐蚀合金和应用

说明书

本公开内容涉及包含铁、铬和硅的新的铁素体合金。该新的合金具有预料不到的增强的耐腐蚀性性质，与优异的可加工性、强度和延性。公开的合金和由其制成的产物可用于制作低成本、有效且清洁的生物质炉燃烧器，以及与生物质燃料一起使用的其他装置。

领域

公开的组成、方法和系统涉及新的耐腐蚀金属合金，制造和测试这样的合金，和这样的合金在生物质烹饪炉和用于能源生产的生物质热解和燃烧环境中的用途。

相关申请的交叉引用

本申请依据2017年3月15日提交的名为“Corrosion-Resistant Alloy andApplications”的美国临时专利申请号62/308,551要求优先权权益，其全文通过引用并入本文。

政府许可权利

本发明是在能源部授予的授权号DE-AC05-00OR22725的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

背景

世界上近40％的人在明火或低效的生物质燃料烹饪炉上烹饪。产生的烟对健康构成威胁，每年造成约400万人过早死亡，其也是炭黑排放物的主要来源。一种解决方式是引入改进的清洁燃烧的生物质烹饪炉。实现清洁燃烧的最具挑战性的部件之一是燃烧器，其必须在由生物质燃料燃烧释放的高腐蚀性物质存在下在高温(经常≥600℃)下操作，但足够低成本以允许广泛使用。

世界上大约30亿人通过在明火或基础的低效生物质燃烧烹饪炉上燃烧固体生物质燃料来烹饪，释放了引起每年预计～400万人过早死亡的有毒排放物。这样的排放物还占世界黑碳的约20％，对地区和全球气候改变产生重大影响。低效的烹饪方法还导致经常需要特别是通过妇女和儿童的耗时的收集生物质燃料，这花费时间使她们远离教育或创收等活动，并且在一些情况下存在安全风险。需要具有提高的效率/降低的排放物的低成本、高效的改进烹饪炉作为一种帮助解决这种复杂问题的途径。

在改进烹饪炉设计、燃烧模型和减少排放物方面已经取得了重大的近期进展。然而，清洁生物质烹饪炉的成功从工程角度来看还取决于建造材料。其中更具挑战性的部件是燃烧器，其在源于生物质燃料燃烧的高腐蚀性物质(水蒸气、氯、硫、盐、灰和沉积物)存在下在高温(经常≥600℃)下操作。高温腐蚀性条件在发展中国家造成重大挑战，因为材料必须是低成本、可持续的并且在大多数情况下轻重量(低质量)，以便允许在发展中国家广泛使用。金属合金提供易制造、轻质、耐久性/机械完整性和设计灵活性的最好组合，但是比其他材料(例如陶瓷燃烧室)还更易受腐蚀影响。特别地，与空气氧化相比，混合的氧化剂和灰/盐沉积物引起的生物质相关的高温腐蚀可导致腐蚀速率约一个量级或更高(取决于合金组成、温度和环境)。

现有技术的清洁生物质烹饪炉用的金属燃烧器是310型不锈钢(Fe-25Cr-20Ni基于重量％)和FeCrAl族合金，其通常在Fe-(10-20)Cr-(2-8)Al基于重量％的范围内。然而，310不锈钢和FeCrAl合金的相对高的成本接近世界上许多发展中地区内清洁生物质烹饪炉的商业化可行性边界。这些金属通常形成氧化物基础层以有助于腐蚀防护。例如，310型和相关不锈钢形成铬氧化物基础层以实现在高温下的腐蚀防护，而FeCrAl合金形成铝氧化物基础层用于防护。如本文公开的，保护金属合金免于高温腐蚀的第三个选项是向配方添加硅。硅帮助形成硅氧化物基础层和/或混合的铁-硅氧化物基础层以保护合金免于腐蚀。

近年来，在生物质燃烧条件下合金的腐蚀一直是使用生物质作为化石燃料的可再生替代物的工业规模发电应用(例如发电厂、锅炉等)研究的活跃领域。可得到实验室腐蚀测试暴露标准和规程，特别是关于引入灰/盐沉积物和它们与烟气(含有SOx、Cl等物质的燃烧排气产物)的相互作用。虽然与生物质烹饪炉有一些定性重叠(例如关于所遇腐蚀性物质，特别是盐、硫和水蒸气)，但是在这些发电应用中所遇的温度、压力、燃烧环境、生物质燃料来源、腐蚀性物质浓度和沉积趋势、合金机械性质要求和部件寿命可与低成本的(～$10-50范围)燃烧本地生物质燃料的个人烹饪炉的那些显著不同。此外，典型的生物质烹饪炉具有约3000-5000热小时量级的目标寿命。