用于制造带有金属支撑部件 和抗腐蚀金属覆盖层的化学设备器件的方法 【技术领域】
本发明涉及对化学品执行操作、存储、以及处理的装置，其中的化学品将被用在化学工业中。具体来讲，本发明涉及能对浓酸、浓碱等强腐蚀性化学品执行操作的混合器、处理装置、以及运送装置。在本申请中，用“化学设备器件”一词来统称各种化学装置，这些装置尤其是指存储容器、罐槽、换热器、反应器、混合器、处理装置、以及运送装置。
更具体来讲，本发明涉及一种用于制造包层金属制品的方法，该包层金属制品例如是化学设备器件或用来制造化学设备器件的装配件，其包括至少一金属支撑部件和一抗腐蚀金属覆盖层。
背景技术
化学工业要用到很多种化学设备器件，用于对强腐蚀性的化学品执行操作、存储、和/或处理，因而，这些化学设备器件必须能耐受这些化学成分的腐蚀。
为了保证具有良好的耐腐蚀性能，化学设备器件通常具有金属支撑部件和抗腐蚀金属覆盖层，其中的抗腐蚀金属覆盖层基于所谓的“贵金属”(例如钛、钽、锆)、镍基合金、或不锈钢。可利用由一些装配件构成的组件来形成化学设备器件，其中的装配件例如是其上事先包覆有抗腐蚀覆盖层的板件。可利用多种不同的措施将抗腐蚀覆盖层固定到支撑部件上，其中的固定方法例如是滚纹法、爆炸复合法、热轧法、或简单的金属包层法，对于简单的金属包层法，板件与抗腐蚀覆盖层之间不存在任何连接部(Jonction)。
对于某些应用环境—例如对于内压较低的装置，需要金属支撑部件与抗腐蚀覆盖层之间具有强的结合作用，换言之，该结合作用对撕开力具有良好的抵抗能力，从而可防止支撑部件与抗腐蚀覆盖层分离开，而二者的分离例如会造成抗腐蚀覆盖层的崩溃脱落。滚纹法、爆炸复合法、热轧法能在支撑层/覆盖层之间形成非常强的结合，但这些工艺方法不适用于厚度薄于0.7mm的抗腐蚀覆盖层。
钎焊法能在支撑层与覆盖层之间形成非常强的结合，并能减薄覆盖层的厚度。但是，钎焊法带来了另外一些困难。具体来讲，基底与包覆材料在热膨胀系数方面的差异(例如，钢的热膨胀系数约为钽的热膨胀系数的两倍)会产生机械应力。该机械应力会削弱覆盖层，并使其发生变形。另外，钎焊操作会形成金属间化合物，而金属间化合物会削弱支撑层与覆盖层之间的结合。如果必要的话，要执行一些加工操作—尤其是塑性变形加工来形成经过包覆的支撑部件，而这样的操作会加剧上述的困难。
由Fansteel提出的第4291104号美国专利公开了这样的信息：采用经过前期变形处理的覆盖层，这种经过变形的部件被称为“褶卷”，目的是为了解决由于支撑层与覆盖层之间存在膨胀差异而出现的随机扭曲变形问题。该技术方案并不能防止金属间化合物的生成，从而也不能阻止覆盖层与支撑层之间的接合面积的减小，接合面积的减小将削弱支撑层/覆盖层之间的结合。另外，在形成覆层部件的后续过程中，该解决方案带来了严重的困难。具体来讲，在覆盖层已变形的情况下，很难想像在轧辊之间对大尺寸覆层部件执行轧压的可能性。另外，在成型操作过程中，由于受到压缩，覆盖层的这些变形通常会被削弱。
因而，申请人探寻一种能将薄的抗腐蚀覆盖层牢固地固定到金属支撑部件上的方法，其中的支撑部件可被用在工业实践中，该方法实现了对覆层部件的后续变形，且能被应用于大型部件(通常是指表面积大于约1m2的板件)
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种用于制造包层金属制品的方法，该制品包括一金属(优选为钢)支撑部件和一抗腐蚀覆盖层，该方法的特征在于：在可控的气氛中，利用钎焊方法将抗腐蚀覆盖层固定到支撑部件上，由此在支撑部件的至少一个预定部分与覆盖层至少一个预定部分之间形成机械连接部。
[10]本发明的目的在于提供一种用于制造化学设备器件的方法，其中的化学设备器件包括至少一第一覆层装配件和一第二覆层装配件，每一所述覆层装配件都包括一金属支撑部件和至少一抗腐蚀金属覆盖层，所述方法的特征在于其包括如下的各个顺次步骤：
[11]·按照一种方法制造所述覆层装配件的半成品，其中的方法包括一钎焊操作，该操作包括：
[12]-形成一初始组件，其包括一支撑部件、一抗腐蚀覆盖层、以及至少一钎焊材料，其中的钎焊材料位于所述支撑部件与所述覆盖层之间，所述覆盖层的厚度小于1mm；
[13]-将所述初始组件送入一具有可控气氛的钎焊腔室中；
[14]-在所述腔室内形成可控的气氛，所述可控气氛主要由惰性气体组成；
[15]-将所述组件加热到一定温度，该温度至少等于所述钎焊材料的钎焊温度，从而利用钎焊方法将所述抗腐蚀覆盖层固定到所述支撑部件上；
[16]·利用塑性变形方法对所述覆层装配件半成品执行成型，从而获得所述覆层装配件；
[17]·将所述覆层装配件组装到一起，由此形成所述化学设备器件。
[18]优选地，钎焊温度小于750℃。
[19]优选地，钎焊温度在600℃与720℃之间。
[20]优选地，所述惰性气体是从一组气体中选出的，该气体组包括稀有气体、氮气、以及这些气体的混合气。
[21]优选地，在执行钎焊过程中，所述腔室中可控气氛的压力P在102到105Pa之间。
[22]优选地，所述方法还包括步骤：在执行钎焊操作的全部或部分过程中，向所述初始组件施加叠压压力。
[23]优选地，叠压压力大于0.1MPa，优选为大于0.3MPa，更好地是大于0.5MPa。
[24]优选地，所述方法还包括步骤：对要被包覆的所述支撑部件执行至少一项前期表面处理，且该表面处理是从一组处理方式中选出的，这组处理方式包括化学处理、电化学处理、物理化学处理、机械处理、以及这些处理方式的组合形式。
[25]优选地，还包括步骤：淀积至少一种敷料，其可改善钎焊材料的结合性，并可限制形成弱化化合物。
[26]优选地，所述敷料是金属性的。
[27]优选地，利用化学方法、电解方法、或气相淀积方法来实现所述淀积操作。
[28]优选地，所述覆盖层的厚度小于0.5mm。
[29]优选地，所述覆盖层是从一组金属中选出的某种金属，其中的金属组包括钽、钽合金、钛、钛合金、锆、锆合金、镍基合金、和不锈钢。
[30]优选地，钎焊材料包含银、铜、锌、镉或锡、或这些元素的混合物。
[31]优选地，钎焊材料为粉末、薄层、或网格的形式。
[32]优选地，所述支撑部件是钢质部件。
[33]优选地，所述钢材是碳钢或不锈钢。
[34]优选地，所述支撑部件为板或薄片的形式。
[35]优选地，所述覆盖层为板或薄片的形式。
[36]优选地，所述方法还包括步骤：
[37]-在执行钎焊之前，在要被接合到一起的每个支撑部件的端部处形成凹陷，从而避免了在各个覆盖层与各个支撑部件之间、在所述凹陷附近发生钎焊；
[38]-在执行完钎焊之后，脱开各个覆盖层的端部；
[39]-在所述支撑部件的端部之间形成接合部；
[40]-在所述覆盖层的端部之间形成接合部。
[41]优选地，所述支撑部件端部之间的接合部、以及所述覆盖层端部之间的接合部是通过焊接方法形成的。
[42]优选地，所述化学设备器件选自如下组类：存储容器、罐槽、换热器、反应器、混合器、处理装置、以及运送装置。
[43]申请人已经发现：本发明的方法可被用来将厚度小于1mm—甚至小于0.5mm的抗腐蚀覆盖层牢固地固定到一金属部件上，其中，覆盖层的厚度可小于或等于0.3mm，而金属部件尤其是指钢质部件。
[44]根据本发明的第一方面，包层金属制品是一种用于制造化学设备器件的装配件。从这一方面考虑，所述制造方法包括步骤：
[45]-在可控的气氛中，利用钎焊方法将一抗腐蚀覆盖层固定到一支撑部件(或“未经处理的装配件”)上；
[46]-如果必要的话，利用塑性变形的方法形成覆层部件，由此来制出经过包覆的装配件(或“定形部件”)。
[47]根据本发明的第二方面，包层金属制品是一种化学设备器件。从这一方面考虑，所述制造方法包括步骤：
[48]-在可控的气氛中，利用钎焊方法在至少一第一未经处理装配件和一第二未经处理装配件上固定一抗腐蚀覆盖层；
[49]-利用塑性变形的方法形成所述覆层部件；
[50]-将所述部件组装到一起(一般通过一定的操作，该操作包括焊接法)，由此形成所述化学设备器件。
[51]在敷设了抗腐蚀覆盖层之后再形成装配件的情况下—换言之，在抗腐蚀覆盖层已被固定到支撑部件(或“未经处理的装配件”)上的情况下，本发明尤其具有优势。具体来讲，本发明的这种改型简化了对覆层部件的搬运、运输、存储、以及存储。根据本发明这种有利的实施方式，未经处理装配件上需要被包覆的表面通常总体上为平面。所述覆层部件可包括一些事先制出的部件，可利用机加工方法、钻制法、铰刮法、塑性变形法、或其它的途径制出这些部件。
[52]在本发明的一优选实施方式中，通过在可控的气氛中、在低于约750℃的温度下执行钎焊来固定抗腐蚀覆盖层，其中的温度优选为在600℃到720℃之间，而所述可控气氛优选地含有惰性气体，以防止在执行钎焊过程中将覆盖层氧化。申请人已注意到：采用足够低的钎焊温度能显著减小覆盖层由于钎焊操作而产生的变形，该变形是由于未经处理部件与覆盖层在热膨胀方面存在差异而出现的。在此情况下，无须对覆盖层执行预反变形以补偿非均等膨胀的效应。
【附图说明】
[53]图1示意性地表示了根据本发明的包层金属制品的一个部分；
[54]图2示意性地表示了本发明制造方法的一种实施方式；
[55]图3中的剖视图示意地表示了根据本发明一实施方式的、用于制造一装配件的方法；
[56]图4中的剖视图示意性地表示了根据本发明一实施方式的、用于制造一化学设备器件的方法；以及
[57]图5中的剖视图示意性地表示了根据本发明一实施方式的、用于制造一化学设备器件的方法。
【具体实施方式】
[58]根据本发明，装配件111、112将被用于制造化学设备器件100，所述装配件包括一金属支撑部件2、21、22以及至少一抗腐蚀金属覆盖层3、31、32，用于制造该装配件的方法包括步骤：
[59]-在可控的气氛中，利用一定的操作将一抗腐蚀覆盖层3、31、32固定到一支撑部件2、21、22上，其中的操作包括钎焊操作；
[60]-可能的话，通过塑性变形来形成覆层部件101、102，由此来制出覆层的装配件(或“定形部件”)111、112。
[61]根据本发明一优选实施方式，用于制造化学设备器件100的方法包括步骤：
[62]-利用本发明的方法制出至少一个第一覆层装配件半成品101和一第二覆层装配件半成品102；
[63]-利用塑性变形方法对覆层部件半成品101、102执行成型，由此制成具有预定形状的覆层装配件111、112；
[64]-通过将覆层装配件111、112组装起来而制出化学设备器件100。
[65]更确切来讲，在该实施方式中，用于制造一化学设备器件100的方法包括一些步骤，其中的化学设备器件100包括至少一第一覆层装配件111和一第二覆层装配件112，每一所述覆层装配件都包括一金属支撑部件21、22和至少一抗腐蚀金属覆盖层31、32，其中的步骤包括：
[66]-提供至少一第一支撑部件21和一第二支撑部件22；
[67]-利用一种方法在每个所述支撑部件21、22上固定一抗腐蚀覆盖层31、32，从而形成覆层部件的半成品101、102，其中的方法包括在可控气氛中执行钎焊的操作，并使用至少一钎焊材料；
[68]-利用塑性变形方法对覆层部件半成品101、102执行成型，由此制成具有预定形状的覆层装配件111、112；
[69]-通常利用一定的操作将覆层装配件111、112组装起来，由此制得所述化学设备器件100，其中的操作包括焊接操作。
[70]优选地是，所述腔室10内的可控气氛主要包括惰性气体。惰性气体氛围优选地处于预定的压力P上。该气氛环境一般是通过如下的操作形成的：将腔室内的初始气氛抽排出去(通常将剩余压力降低到0.1Pa到1Pa之间)；并将所述惰性气体引入到腔室内，直至达到给定的压力P。该扫气操作可被重复多次。所述惰性气体可以是稀有气体(通常是氩气或氦气)、氮气、或这些气体的混合气。腔室10中惰性气体的压力通常在10
2Pa到10
5Pa之间(也就是说在1mbar到1bar之间)。较低的压力P能限制工业惰性气体中存在的反应物(例如水或氧气)的不利影响。
[71]通常利用轧滚或碾轧方法对覆层部件101、102执行塑性变形。
[72]在本发明的一优选实施方式中，所述钎焊操作通常包括：
[73]-将至少一种钎焊材料4、41、42插入到一金属支撑部件2、21、22和一抗腐蚀覆盖层3、31、32之间，从而形成初始组件5、51、52；
[74]-可能的话，在所述初始组件5、51、52上施加叠压压力；
[75]-将初始组件5、51、52送入到气氛可控的腔室10中，腔室10中设置有至少一个加热装置11—例如为发热电阻；
[76]-在所述腔室10中形成惰性气体气氛(更具体来讲，是在所述组件的附近形成惰性气体气氛)
[77]-将所述组件5、51、52加热到一定温度，该温度至少等于所述钎焊材料4、41、42的钎焊温度。
[78]可分两个步骤将钎焊材料4、41、42插入到支撑部件2、21、22和抗腐蚀覆盖层3、31、32之间。具体来讲，插入过程包括步骤：
[79]-将钎焊材料4、41、42淀积在支撑部件2、21、22上，使其靠近所谓“结合”表面；
[80]-将抗腐蚀覆盖层3、31、32布置在支撑部件2、21、22上，从而形成所述初始组件5、51、52。
[81]在本发明该优选实施方式中，用于制造化学设备器件100的方法的特征在于其包括：
[82]·按照一种方法制造覆层装配件的半成品101、102，其中的方法包括一钎焊操作，该操作包括：
[83]-形成一初始组件51、52，其包括一支撑部件21或22、一抗腐蚀覆盖层31或32、以及至少一钎焊材料41或42，其中的钎焊材料位于支撑部件与覆盖层之间；
[84]-将初始组件51、52送入一具有可控气氛的钎焊腔室10中；
[85]-在所述腔室10内形成可控的气氛；
[86]-将所述组件51、52加热到一定温度，该温度至少等于所述钎焊材料41、42的钎焊温度，从而利用钎焊方法将抗腐蚀覆盖层31、32固定到支撑部件21、22上。
[87]·利用塑性变形方法对所述覆层部件半成品101、102执行成型，从而获得所述覆层装配件111、112；
[88]·将覆层装配件(或“定形部件”)111、112组装到一起，由此形成所述化学设备器件100。
[89]在某些情况下，如下的工作顺序将是有利的：首先在“结合”表面的附近将钎焊材料4、41、42淀积到抗腐蚀覆盖层3、31、32上；然后将支撑部件2、21、22放置到抗腐蚀覆盖层上，由此来形成所述初始组件5、51、52。
[90]所述钎焊温度一般等于钎焊材料的熔融温度，该温度使得钎焊材料发生熔融，并与其所接触的元件(金属支撑部件和/或抗腐蚀覆盖层)形成紧密的结合。优选地是，钎焊温度小于约750℃，更好地是在600℃到720℃之间。这样的温度能缩短钎焊工作的持续时间。
[91]通常情况下，钎焊操作包括使所述两预定部件相互靠近的步骤，从而使二者之间具有一定间隙D，该间隙优选地被选择为能防止两结合表面之间在钎焊操作过程中形成气泡或结合缺陷。间隙D通常小于0.1mm。
[92]该方法最好包括步骤：在执行钎焊操作的全部或部分过程中，向所述初始组件5、51、52施加叠压压力。更确切来讲，在执行所述加热之前和/或之中，向所述组件施加机械叠压压力将是有利的。施加该叠压压力将使得支撑部件与抗腐蚀覆盖层被相互接触夹压到一起，从而可压缩钎焊材料，这一操作的效果尤其是：使得支撑部件与覆盖层之间的间隙D达到所需的数值。可利用机械夹压系统12施加所述叠压压力，其中的夹压系统例如是由弹簧杆和夹压板构成的系统、或气动系统(例如充气垫)。按照本发明一优选实施方式的低温钎焊操作能防止机械夹压系统12发生老化。叠压压力通常大于0.1MPa，优选为大于0.3MPa，更好地是大于0.5MPa。
[93]所述预定部件被称为结合表面。可利用几个结合表面形成支撑部件与覆盖层之间的连接部。
[94]在执行钎焊操作之前，最好事先对支撑部件21、22和/或覆盖层31、32的所述表面(更确切讲为所述结合表面)进行处理，尤其是去掉表面氧化物。例如，可选择实施至少一种处理，该处理可以是化学处理、电化学处理、物理化学处理、以及机械处理(例如化学剥脱处理或电化学剥脱处理，机加工处理或磨削去除)。这些处理方式可组合起来应用。对于支撑部件，对要接受包覆的至少那一表面执行处理。
[95]为了增加连接部的牢固性，本发明的方法还包括操作：淀积至少一种敷料，其能提高钎焊材料的结合性，并能阻止弱化化合物的产生。可利用化学方法、电解方法、或气相淀积方法(物理气相淀积或化学气相淀积)来执行该淀积操作。所述敷料通常是金属材料—例如是用钛或铜制成的。淀积可在支撑部件2、21、22上进行，也可在金属覆盖层3、31、32或两者上均进行。淀积操作是在钎焊操作之前进行的。
[96]优选地是，钎焊材料被均匀地分布在支撑部件和抗腐蚀覆盖层之间，从而能获得均匀的结合层，并能增大上述元件之间的接触面积。
[97]支撑部件2、21、22优选地是由钢材制成的。所用的钢材通常是碳钢或不锈钢。
[98]金属质的抗腐蚀覆盖层3、31、32通常是由钛、钛合金、钽、钽合金、锆、锆合金、镍基合金、或不锈钢。
[99]钎焊材料4、41、42可以是可熔融的合金(通常为低共熔合金)或易熔金属。所述材料4、41、42可包含助熔剂。如果钎焊材料能扩散到其所接触的元件中则将是有利的，这将在所述元件之间形成非常坚固的结合。钎焊材料通常为粉末、薄层或网格的形式。在试验中，申请人已经发现网格形式的钎焊材料具有这样的优点：其能有效地补偿结合表面之间间隙D的变动。
[100]钎焊材料4、41、42通常是由含银、铜、锌、镉、锡、以及这些元素混合物的材料制成的，其钎焊温度小于约750℃，更好地是在600℃到720℃之间。
[101]支撑部件2、21、22和抗腐蚀覆盖层3、31、32一般为金属板件或金属薄片的形式。这些元件可被事先切割好，尤其可事先形成开孔或进出通道。
[102]支撑部件或未经材料的装配件21、22上还可一体地带有装配机构—例如凸起211、212、221、222。
[103]覆层后的定形部件111、112通常被制成半圆筒形、凸面形、或其它形状。
[104]用于将覆层装配件111、112组装起来、以形成化学设备器件100的操作包括步骤：在所述装配件之间形成接合部60、60a、60b、70、70a、70b，一般是通过利用任何公知的装置执行焊接操作来形成接合部。支撑部件21、22之间的接合部通常被制成与覆盖层装配件31、32之间的接合部分离开。为了制出这些接合部，申请人已研究出一种特别有利的改型方法，如图5所示，在该方法中，在对覆盖层执行固定之前，事先将金属部件21、22的端部61、61a、61b、62、62a、62b挖空。此改型极大地利于在装配件之间形成接合部。具体来讲，其不再需要在钎焊之后对支撑部件执行机加工，不然的话，为了在各个支撑部件之间形成连接，必须要执行该操作。
[105]根据本发明该有利改型的一种优选实施方式，用于制造化学设备器件的过程包括步骤：
[106]-在执行钎焊之前，在要被接合到一起的所述支撑部件21、22的端部61、62处形成凹陷81、82，从而在所述凹陷附近，各个覆盖层31、32与各个支撑部件21、22之间无法实现钎焊；
[107]-在执行完钎焊之后，移动各个覆盖层31、32悬空的端部71、72—通常是将这些端部71、72抬起；
[108]-通常利用焊接方法在所述支撑部件21、22的端部61、62之间形成接合部60；
[109]-在所述覆盖层31、32的端部71、72之间形成接合部70—通常利用焊接工艺。
[110]利用上述的工艺就能将覆盖层固定到支撑部件上。
[111]设置凹陷81、82的目的是防止在形成这些凹陷的区域出将支撑部件21、22与覆盖层31、32钎焊起来，在下文中，其中的区域被称为分离区91、92。为了实现这一效果，凹陷81、82的深度P可以相对较浅，通常在1mm到5mm之间，这样可避免降低支撑部件21、22的机械特性。所述凹陷81、82的宽度L是固定的，以易于移动支撑部件之间悬空的连接区。长度L通常在10mm到50mm之间。凹陷81、82通常为平面区域的形式，该平面平行于支撑部件21、22端部61、62的平面。
[112]更确切来讲，根据本发明该有利改型的、用于制造化学设备器件100的过程包括步骤：
[113]-提供至少一第一支撑部件21和一第二支撑部件22；
[114]-在所述支撑部件21、22要被连接起来的端部61、62处形成凹陷81、82；
[115]-通过在可控的气氛中(优选地在小于750℃的温度下，更好地是在600℃到720℃之间)执行钎焊来将覆盖层31、32固定到各个支撑部件21、22上，由此制出覆层装配件的半成品101、102；
[116]-对覆层部件半成品101、102执行成型(通常利用轧滚工艺或碾轧工艺)，从而制出覆层装配件111、112；
[117]-移动各个覆盖层31、32的悬空端部71、72—通常是通过抬高这些端部71、72来进行移动；
[118]-在所述支撑部件21、22的端部61、62之间形成接合部60，该步骤通常是利用焊接操作完成的；
[119]-在所述覆盖层31、32的端部71、72之间形成接合部70—通常是利用焊接操作来完成。
[120]所述化学设备器件100一般属于如下的器件集合组，该集合组包括：存储容器、罐槽、换热器、反应器、混合器、处理装置、以及运送装置。
[121]示例
[122]按照本发明的方法，利用碳钢板和由钽制成的抗腐蚀覆盖层试验性制造覆层的装配件。钎焊材料是含铜、锌、以及锡的银基合金。在钎焊工作过程中，持续地施加机械压力。钎焊温度低于700℃。
[123]在钎焊之后，钢板与钽金属薄板之间的连接部中只具有极少的缺陷，且其硬度不超过150Hv。以小弯曲半径执行的成型测试表明连接部中未发生任何开裂。
[124]本发明的优点
[125]利用本发明方法制得的包层金属制品具有这样的优点：由于在大部分结合表面上，支撑部件与抗腐蚀覆盖层之间都保持着紧密的结合，因而具有很高的横向导热性，而对于其它方法形成的结合—例如利用滚纹形成的结合，只能形成条纹状的结合结构。在带有传热装置的化学设备中—例如对于换热器或加热/冷却双层壳体，横向传热性尤其是有利的。
[126]根据本发明的包层金属制品还具有很高的可成形性，因而易于使用该制品来制造化学设备器件。
[127]本发明的制造方法消除了在随后的焊接操作过程中需要对支撑部件执行机加工、以制出化学设备器件的步骤。
图中的数字标号定义如下：
1 包层金属制品
100 化学设备器件
101、102 覆层装配件的半成品
111、112 覆层装配件
2 金属支撑部件
21、22 未经处理的支撑部件或装配件
211、212、221、222 一体化的装配装置
3、31、32 覆盖层
4、41、42 钎焊材料
5、51、52 初始组件
60 支撑部件之间的接合部
61、61a、61b、62、62a、62b 装配件的端部
70 覆盖层之间的接合部
71、71a、71b、72、72a、72b 覆盖层的端部
81、82 凹陷
91、92 分离区
10 具有可控气氛的腔室
11 加热装置
12 夹压系统