制鹽工業(yè)鈦材的運(yùn)用

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

鈦材的開發(fā)和應(yīng)用

從20世紀(jì)70年代起,制鹽設(shè)備的腐蝕及滴漏問題日漸對制鹽工業(yè)造成嚴(yán)重困擾,因主要的氯離子腐蝕問題,受我國金屬材料發(fā)展的制約,主體設(shè)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(gè)月就開始穿管了;后來發(fā)展到使用銅材,使用時(shí)間大約在二至三年左右,造成設(shè)備制造、更換費(fèi)用高,而且影響生產(chǎn)。近些年,不銹鋼被大量應(yīng)用于制鹽行業(yè),其中316L證實(shí)可以耐氯離子腐蝕,但制鹽系統(tǒng)中的換熱器因?qū)Q熱系數(shù)的要求,316L材料不適用。新的耐腐蝕制鹽設(shè)備材料亟待開發(fā)。1910年,美國在試驗(yàn)室中第一次用鈉法制得海綿鈦。20世紀(jì)50年代,我國鈦工業(yè)開始起步。70年代,在國家統(tǒng)一規(guī)劃下,投入到鈦材的開發(fā)、研究。隨后,鈦材性能優(yōu)勢不斷凸顯,其良好的耐氯離子腐蝕引入制鹽行業(yè),國家于90年代開始,制鹽行業(yè)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(yè)的應(yīng)用

(1)鈦材及鈦合金在真空制鹽加熱室中的應(yīng)用。真空制鹽工藝中,加熱室是最關(guān)鍵的設(shè)備。在鈦材未應(yīng)用于制鹽工業(yè)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(zhì)腐蝕,從而嚴(yán)重制約著制鹽工業(yè)的發(fā)展。后來,隨著鈦材及鈦合金的誕生,因其抗氯離子性能優(yōu)良,后國家推廣到制鹽行業(yè)應(yīng)用。國內(nèi)制鹽基本上四效真空制鹽工藝,鈦材應(yīng)用于換熱器換熱管,管長一般有9m,壁厚在0.8～1.5之間。因?yàn)槊啃Р僮鳒囟雀鞑幌嗤?加上鈦材的制造原因,鈦材有工業(yè)純鈦和鈦鉬鎳合金之分,工業(yè)純鈦含合金成分少,價(jià)格相對便宜,但鈦合金耐溫性相對較好,強(qiáng)度方面也稍強(qiáng)。制鹽行業(yè)首效加熱室加熱強(qiáng)度高,最容易結(jié)垢,對制鹽生產(chǎn)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(yīng)用。且具有良好的耐腐蝕、熱傳導(dǎo)性、不積垢優(yōu)點(diǎn),有效避免了加熱管的堵塞,優(yōu)化了生產(chǎn)工藝。其次,傳統(tǒng)材料應(yīng)用下,加熱室極易發(fā)生腐蝕穿孔現(xiàn)象。而純鈦表面雜質(zhì)少,抗腐蝕性能強(qiáng),從而不易發(fā)生腐蝕穿孔及管道堵塞現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)。

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

(3)鈦材在氯堿行業(yè)的應(yīng)用。作為我國重要的原材料工業(yè),氯堿廣泛用于造紙,輕紡、醫(yī)藥,建材等行業(yè),同時(shí),氯堿也是是國內(nèi)使用鈦材最大的用戶。近年來,Ti12和Ti-Pd和金是氯堿行業(yè)中應(yīng)用效果良好的耐縫隙腐蝕材料。主要應(yīng)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(yīng)用價(jià)值。

鈦材設(shè)備的制造加工特點(diǎn)

合理的加工工藝是保證鈦材應(yīng)用價(jià)值的重要環(huán)節(jié)。為避免鈦材加工中對金屬結(jié)構(gòu)以及性能的破壞,應(yīng)綜合鈦的物理、化學(xué)及機(jī)械性能特點(diǎn)來采取適當(dāng)?shù)募庸すに嚒Ｄ壳?鈦材的加工環(huán)節(jié)主要包括機(jī)加工環(huán)節(jié)和焊接加工環(huán)節(jié),其加工工藝特點(diǎn)分別如下所示。

1機(jī)加工

鈦材機(jī)械加工環(huán)節(jié)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(qū)滲碳。剪切下料時(shí)要保證切口加工余量的留足,將切口表層產(chǎn)生的污染物質(zhì)機(jī)械清除。并將一層牛皮紙貼在鈦材表面,起到保護(hù)作用。同時(shí),加工時(shí)的加熱溫度不宜過高,加熱時(shí)間不宜過長,避免高溫條件下鈦金屬晶粒長大,體積擴(kuò)張等情況的發(fā)生而導(dǎo)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(diǎn)的考慮,盡量選擇模壓法(預(yù)彎)或在三輥卷板機(jī)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(yīng)將附著在焊口的油污和雜質(zhì)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(yīng)盡量保證所采用焊絲的成分與基本進(jìn)食相近。最后,嚴(yán)格避免強(qiáng)制對口,保證管道及管件組對接的同心,內(nèi)壁平齊。焊接氣體保護(hù),任何接頭的施焊,必須進(jìn)行焊接過程中的全程氣體保護(hù),否則鈦易被氧化,焊縫強(qiáng)度下降,出現(xiàn)裂紋,焊縫質(zhì)量無法保證。通常是做焊縫跟蹤和焊后區(qū)補(bǔ)氣護(hù)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(chǎn)選氮?dú)?排除環(huán)境空氣,焊接時(shí),補(bǔ)氣護(hù)罩對住已焊的焊縫,保護(hù),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(fā)展現(xiàn)狀及展望

近年來,鈦材作為一種優(yōu)良的耐蝕材料和一種重要的結(jié)構(gòu)金屬,因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。除了應(yīng)用在航空航太工業(yè)、船舶工業(yè)、制鹽工業(yè)、氯堿工業(yè)中外,還憑借其耐氯離子,耐腐蝕、傳熱的性能特點(diǎn),推廣用于工業(yè)廢水的處理工業(yè)中。東江環(huán)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(fā)濃縮減量化處理,應(yīng)用了MVR和普通蒸發(fā)系統(tǒng),早期設(shè)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(yè)經(jīng)驗(yàn),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(yàn)時(shí),鈦材(TA1、TA2)仍有輕微腐蝕的情況,最后,決定對此廢水進(jìn)行預(yù)處理,去硫酸根、硝酸根離子,至此,鈦材耐腐蝕良好。

結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各領(lǐng)域鈦材應(yīng)用范圍擴(kuò)大,尤其是氯堿工業(yè)領(lǐng)域和航空航天、船舶海洋領(lǐng)域?qū)︹伒男枨罅坎粩鄶U(kuò)大。但鈦提煉困難,造價(jià)較高;而且存在鈦材需求個(gè)性化差異,擴(kuò)大鈦合金品種的研制,革新提煉技術(shù),實(shí)現(xiàn)材料個(gè)性化的性能,又保證材料價(jià)格可控,為人類文明做出更大的貢獻(xiàn)。（本文作者：余良平 單位：東江環(huán)保股份有限公司）