制鹽工業鈦材的運用

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鈦的密度為4.506～4.516g/cm3(20℃),其比強度位于金屬之首。且在非合金的狀態下,鈦的強度跟某些鋼相若,因而具有強度高的良好性能。

鈦材的開發和應用

從20世紀70年代起,制鹽設備的腐蝕及滴漏問題日漸對制鹽工業造成嚴重困擾,因主要的氯離子腐蝕問題,受我國金屬材料發展的制約,主體設備,大部分是碳鋼制造,一般在二年左右,其中換熱器用過20號碳鋼管,一般使用年限不會超過一年,基本上是幾個月就開始穿管了;后來發展到使用銅材,使用時間大約在二至三年左右,造成設備制造、更換費用高,而且影響生產。近些年,不銹鋼被大量應用于制鹽行業,其中316L證實可以耐氯離子腐蝕,但制鹽系統中的換熱器因對換熱系數的要求,316L材料不適用。新的耐腐蝕制鹽設備材料亟待開發。1910年,美國在試驗室中第一次用鈉法制得海綿鈦。20世紀50年代,我國鈦工業開始起步。70年代,在國家統一規劃下,投入到鈦材的開發、研究。隨后,鈦材性能優勢不斷凸顯,其良好的耐氯離子腐蝕引入制鹽行業,國家于90年代開始,制鹽行業的換熱器開始使用鈦材。

1鈦材的研制

目前,鈦材的研制重要包括有電子束冷床爐法、真空吸鑄法、粉末冶金法。

2鈦在制鹽工業的應用

(1)鈦材及鈦合金在真空制鹽加熱室中的應用。真空制鹽工藝中,加熱室是最關鍵的設備。在鈦材未應用于制鹽工業之前,加熱室中的加熱管多采用普通鋼管、銅管。但這些鋼管耐腐蝕性能低,常被制鹽鹵水介質腐蝕,從而嚴重制約著制鹽工業的發展。后來,隨著鈦材及鈦合金的誕生,因其抗氯離子性能優良,后國家推廣到制鹽行業應用。國內制鹽基本上四效真空制鹽工藝,鈦材應用于換熱器換熱管,管長一般有9m,壁厚在0.8～1.5之間。因為每效操作溫度各不相同,加上鈦材的制造原因,鈦材有工業純鈦和鈦鉬鎳合金之分,工業純鈦含合金成分少,價格相對便宜,但鈦合金耐溫性相對較好,強度方面也稍強。制鹽行業首效加熱室加熱強度高,最容易結垢,對制鹽生產有較大的制約。而選用鈦鉬鎳合金材料,純鈦在II、III、IV效加熱室的應用。且具有良好的耐腐蝕、熱傳導性、不積垢優點,有效避免了加熱管的堵塞,優化了生產工藝。其次,傳統材料應用下,加熱室極易發生腐蝕穿孔現象。而純鈦表面雜質少,抗腐蝕性能強,從而不易發生腐蝕穿孔及管道堵塞現象。且在同等傳熱性能下,鈦加熱室具有重量比鋼管加熱室輕,體積小的優點。

(2)鈦材鹽水預熱器的應用。在制鹽工藝中,鹵水預熱器是又一重要的工藝設備。在100℃以下的環境中,鈦在NaCl溶液中具有較強的抗腐蝕性能。因此,在制作鹽水預熱器的管束、封頭時采用鈦材能有效避免NaCl溶液對預熱器零部件的腐蝕,從而保證了設備的正常使用。

(3)鈦材在氯堿行業的應用。作為我國重要的原材料工業,氯堿廣泛用于造紙,輕紡、醫藥,建材等行業,同時,氯堿也是是國內使用鈦材最大的用戶。近年來,Ti12和Ti-Pd和金是氯堿行業中應用效果良好的耐縫隙腐蝕材料。主要應用于鈦泵泵體、葉輪以及其他零部件的制作中,以及金屬陽極電解槽、離子膜電解槽、脫氯塔的制造中,取得了良好的應用價值。

鈦材設備的制造加工特點

合理的加工工藝是保證鈦材應用價值的重要環節。為避免鈦材加工中對金屬結構以及性能的破壞,應綜合鈦的物理、化學及機械性能特點來采取適當的加工工藝。目前,鈦材的加工環節主要包括機加工環節和焊接加工環節,其加工工藝特點分別如下所示。

1機加工

鈦材機械加工環節中,加工刀頭一般選用合金刀頭,避免選用工具鋼刀頭,保控制切口區滲碳。剪切下料時要保證切口加工余量的留足,將切口表層產生的污染物質機械清除。并將一層牛皮紙貼在鈦材表面,起到保護作用。同時,加工時的加熱溫度不宜過高,加熱時間不宜過長,避免高溫條件下鈦金屬晶粒長大,體積擴張等情況的發生而導致鈦材綜合性能的破壞。另外,在沖壓過程中,基于鈦的彈性模量較低,回彈量大特點的考慮,盡量選擇模壓法(預彎)或在三輥卷板機上模板滾壓成形。并可分多次熱成形以保證封頭的幾何尺寸。

2焊接加工

鈦材焊接加工前,首先應將附著在焊口的油污和雜質清除,將氧化膜刷去,以防止焊接口污染或再次氧化。其次,為盡可能的保證焊縫與基本金屬具有相近的耐腐蝕性能,應盡量保證所采用焊絲的成分與基本進食相近。最后,嚴格避免強制對口,保證管道及管件組對接的同心,內壁平齊。焊接氣體保護,任何接頭的施焊,必須進行焊接過程中的全程氣體保護,否則鈦易被氧化,焊縫強度下降,出現裂紋,焊縫質量無法保證。通常是做焊縫跟蹤和焊后區補氣護罩,如果是管類施焊,必須將管另一頭做堵頭堵住,焊前就開始充氣,氣體產選氮氣,排除環境空氣,焊接時,補氣護罩對住已焊的焊縫,保護,直到焊縫降溫到200度以下,所以鈦材焊縫需要一段一段的施工。

鈦材的發展現狀及展望

近年來,鈦材作為一種優良的耐蝕材料和一種重要的結構金屬,因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。除了應用在航空航太工業、船舶工業、制鹽工業、氯堿工業中外,還憑借其耐氯離子,耐腐蝕、傳熱的性能特點,推廣用于工業廢水的處理工業中。東江環保股份有限公司從事廢物處置中,有大量的氨氮廢水需要處理,主要工藝就是蒸發濃縮減量化處理,應用了MVR和普通蒸發系統,早期設備采用316L類不銹鋼,有些地方耐腐蝕性可以滿足要求,但主體換熱器仍不耐腐蝕。后借鑒制鹽行業經驗,主體換熱器和濃縮母液管路都用鈦材,取得滿意效果。值得注意的是,東江公司位于惠州的處理基地,有鎳渣回收處理后廢水,含有氯離子、硫酸根離子、硝酸根離子,做鈦材90攝氏度下掛片試驗時,鈦材(TA1、TA2)仍有輕微腐蝕的情況,最后,決定對此廢水進行預處理,去硫酸根、硝酸根離子,至此,鈦材耐腐蝕良好。

結語

隨著社會經濟的快速發展,各領域鈦材應用范圍擴大,尤其是氯堿工業領域和航空航天、船舶海洋領域對鈦的需求量不斷擴大。但鈦提煉困難,造價較高;而且存在鈦材需求個性化差異,擴大鈦合金品種的研制,革新提煉技術,實現材料個性化的性能,又保證材料價格可控,為人類文明做出更大的貢獻。（本文作者：余良平 單位：東江環保股份有限公司）