制盐工业钛材的运用

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钛的密度为4.506～4.516g/cm3(20℃),其比强度位于金属之首。且在非合金的状态下,钛的强度跟某些钢相若,因而具有强度高的良好性能。

钛材的开发和应用

从20世纪70年代起,制盐设备的腐蚀及滴漏问题日渐对制盐工业造成严重困扰,因主要的氯离子腐蚀问题,受我国金属材料发展的制约,主体设备,大部分是碳钢制造,一般在二年左右,其中换热器用过20号碳钢管,一般使用年限不会超过一年,基本上是几个月就开始穿管了;后来发展到使用铜材,使用时间大约在二至三年左右,造成设备制造、更换费用高,而且影响生产。近些年,不锈钢被大量应用于制盐行业,其中316L证实可以耐氯离子腐蚀,但制盐系统中的换热器因对换热系数的要求,316L材料不适用。新的耐腐蚀制盐设备材料亟待开发。1910年,美国在试验室中第一次用钠法制得海绵钛。20世纪50年代,我国钛工业开始起步。70年代,在国家统一规划下,投入到钛材的开发、研究。随后,钛材性能优势不断凸显,其良好的耐氯离子腐蚀引入制盐行业,国家于90年代开始,制盐行业的换热器开始使用钛材。

1钛材的研制

目前,钛材的研制重要包括有电子束冷床炉法、真空吸铸法、粉末冶金法。

2钛在制盐工业的应用

(1)钛材及钛合金在真空制盐加热室中的应用。真空制盐工艺中,加热室是最关键的设备。在钛材未应用于制盐工业之前,加热室中的加热管多采用普通钢管、铜管。但这些钢管耐腐蚀性能低,常被制盐卤水介质腐蚀,从而严重制约着制盐工业的发展。后来,随着钛材及钛合金的诞生,因其抗氯离子性能优良,后国家推广到制盐行业应用。国内制盐基本上四效真空制盐工艺,钛材应用于换热器换热管,管长一般有9m,壁厚在0.8～1.5之间。因为每效操作温度各不相同,加上钛材的制造原因,钛材有工业纯钛和钛钼镍合金之分,工业纯钛含合金成分少,价格相对便宜,但钛合金耐温性相对较好,强度方面也稍强。制盐行业首效加热室加热强度高,最容易结垢,对制盐生产有较大的制约。而选用钛钼镍合金材料,纯钛在II、III、IV效加热室的应用。且具有良好的耐腐蚀、热传导性、不积垢优点,有效避免了加热管的堵塞,优化了生产工艺。其次,传统材料应用下,加热室极易发生腐蚀穿孔现象。而纯钛表面杂质少,抗腐蚀性能强,从而不易发生腐蚀穿孔及管道堵塞现象。且在同等传热性能下,钛加热室具有重量比钢管加热室轻,体积小的优点。

(2)钛材盐水预热器的应用。在制盐工艺中,卤水预热器是又一重要的工艺设备。在100℃以下的环境中,钛在NaCl溶液中具有较强的抗腐蚀性能。因此,在制作盐水预热器的管束、封头时采用钛材能有效避免NaCl溶液对预热器零部件的腐蚀,从而保证了设备的正常使用。

(3)钛材在氯碱行业的应用。作为我国重要的原材料工业,氯碱广泛用于造纸,轻纺、医药,建材等行业,同时,氯碱也是是国内使用钛材最大的用户。近年来,Ti12和Ti-Pd和金是氯碱行业中应用效果良好的耐缝隙腐蚀材料。主要应用于钛泵泵体、叶轮以及其他零部件的制作中,以及金属阳极电解槽、离子膜电解槽、脱氯塔的制造中,取得了良好的应用价值。

钛材设备的制造加工特点

合理的加工工艺是保证钛材应用价值的重要环节。为避免钛材加工中对金属结构以及性能的破坏,应综合钛的物理、化学及机械性能特点来采取适当的加工工艺。目前,钛材的加工环节主要包括机加工环节和焊接加工环节,其加工工艺特点分别如下所示。

1机加工

钛材机械加工环节中,加工刀头一般选用合金刀头,避免选用工具钢刀头,保控制切口区渗碳。剪切下料时要保证切口加工余量的留足,将切口表层产生的污染物质机械清除。并将一层牛皮纸贴在钛材表面,起到保护作用。同时,加工时的加热温度不宜过高,加热时间不宜过长,避免高温条件下钛金属晶粒长大,体积扩张等情况的发生而导致钛材综合性能的破坏。另外,在冲压过程中,基于钛的弹性模量较低,回弹量大特点的考虑,尽量选择模压法(预弯)或在三辊卷板机上模板滚压成形。并可分多次热成形以保证封头的几何尺寸。

2焊接加工

钛材焊接加工前,首先应将附着在焊口的油污和杂质清除,将氧化膜刷去,以防止焊接口污染或再次氧化。其次,为尽可能的保证焊缝与基本金属具有相近的耐腐蚀性能,应尽量保证所采用焊丝的成分与基本进食相近。最后,严格避免强制对口,保证管道及管件组对接的同心,内壁平齐。焊接气体保护,任何接头的施焊,必须进行焊接过程中的全程气体保护,否则钛易被氧化,焊缝强度下降,出现裂纹,焊缝质量无法保证。通常是做焊缝跟踪和焊后区补气护罩,如果是管类施焊,必须将管另一头做堵头堵住,焊前就开始充气,气体产选氮气,排除环境空气,焊接时,补气护罩对住已焊的焊缝,保护,直到焊缝降温到200度以下,所以钛材焊缝需要一段一段的施工。

钛材的发展现状及展望

近年来,钛材作为一种优良的耐蚀材料和一种重要的结构金属,因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。除了应用在航空航太工业、船舶工业、制盐工业、氯碱工业中外,还凭借其耐氯离子,耐腐蚀、传热的性能特点,推广用于工业废水的处理工业中。东江环保股份有限公司从事废物处置中,有大量的氨氮废水需要处理,主要工艺就是蒸发浓缩减量化处理,应用了MVR和普通蒸发系统,早期设备采用316L类不锈钢,有些地方耐腐蚀性可以满足要求,但主体换热器仍不耐腐蚀。后借鉴制盐行业经验,主体换热器和浓缩母液管路都用钛材,取得满意效果。值得注意的是,东江公司位于惠州的处理基地,有镍渣回收处理后废水,含有氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子,做钛材90摄氏度下挂片试验时,钛材(TA1、TA2)仍有轻微腐蚀的情况,最后,决定对此废水进行预处理,去硫酸根、硝酸根离子,至此,钛材耐腐蚀良好。

结语

随着社会经济的快速发展,各领域钛材应用范围扩大,尤其是氯碱工业领域和航空航天、船舶海洋领域对钛的需求量不断扩大。但钛提炼困难,造价较高;而且存在钛材需求个性化差异,扩大钛合金品种的研制,革新提炼技术,实现材料个性化的性能,又保证材料价格可控,为人类文明做出更大的贡献。（本文作者：余良平 单位：东江环保股份有限公司）