鈦材在制鹽工業(yè)的應(yīng)用及展望

摘 要：鈦以其良好的耐腐蝕、傳熱性、抗熱膨脹、高強(qiáng)度等性能特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于我國(guó)工業(yè)中，創(chuàng)造了良好的應(yīng)用價(jià)值。本文在分析鈦材各性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討了鈦材的研制方法及其在制鹽工業(yè)中的應(yīng)用情況和加工特點(diǎn)。并分析了目前鈦材在我國(guó)工業(yè)事業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景，以期更好的推動(dòng)我國(guó)工業(yè)事業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鈦材 性能特點(diǎn) 制鹽工業(yè) 應(yīng)用 展望

中圖分類號(hào)：TS3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（a）-0089-02

近年來(lái)，鈦材以其良好的耐腐蝕、傳熱性、抗熱膨脹、高強(qiáng)度等性能在眾多金屬材料中脫穎而出，由早期的航空業(yè)轉(zhuǎn)到普通工業(yè)，乃至人們?nèi)粘Ｉ钪?，取得了良好的?yīng)用價(jià)值。尤其是在制鹽工業(yè)中，制鹽設(shè)備長(zhǎng)期存在氯離子對(duì)金屬材料嚴(yán)重腐蝕，為解決腐蝕問(wèn)題提供了良好的解決途徑，應(yīng)用范圍不斷增加。然而，鈦在自然界的分布比較零散，且提取難度大，因此被認(rèn)為是一種稀有金屬。且與國(guó)外相比，鈦材在我國(guó)工業(yè)事業(yè)中的運(yùn)用尚處于初步階段，如何提高各鈦材設(shè)備的制造、加工技術(shù)以及掌握鈦材的應(yīng)用要點(diǎn)，進(jìn)而充分利用鈦材的性能優(yōu)勢(shì)對(duì)提高鈦材的社會(huì)價(jià)值及推動(dòng)我國(guó)工業(yè)事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。本文在分析鈦材各性能的基礎(chǔ)上，探討了鈦材在制鹽工業(yè)中的應(yīng)用及其加工特點(diǎn)。并分析了目前鈦材在應(yīng)用中存在問(wèn)題和發(fā)展前景。

1 鈦材的性能特點(diǎn)

1.1 耐腐蝕

鈦的化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定。常溫下，鈦容易與空氣中的氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而合成一層堅(jiān)固、致密的氧化膜薄膜覆蓋在鈦的表面，從而保護(hù)其不與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)。因此，體現(xiàn)出鈦材的耐腐蝕性能。

1.2 傳熱好

用于換熱器，滴狀冷凝，強(qiáng)度高，所以管壁薄，所以傳熱效果好。

1.3 抗熱膨脹

鈦的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能較差。因而其熱穩(wěn)定性量好，熔點(diǎn)為1660±10 ℃，沸點(diǎn)為3287 ℃，熱膨脹系數(shù)低。所以用其做設(shè)備材料時(shí)，可以發(fā)揮良好的抗熱膨脹性能，保證材料的穩(wěn)定，不變形。

1.4 強(qiáng)度高

鈦的密度為4.506～4.516 g/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。

2 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(wèn)題日漸對(duì)制鹽工業(yè)造成嚴(yán)重困擾，因主要的氯離子腐蝕問(wèn)題，受我國(guó)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(guò)20號(hào)碳鋼管，一般使用年限不會(huì)超過(guò)一年，基本上是幾個(gè)月就開始穿管了；后來(lái)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(guó)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(guó)鈦工業(yè)開始起步。70年代，在國(guó)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(shì)不斷凸顯，其良好的耐氯離子腐蝕引入制鹽行業(yè)，國(guó)家于90年代開始，制鹽行業(yè)的換熱器開始使用鈦材。

2.1 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。

2.2 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(lái)，隨著鈦材及鈦合金的誕生，因其抗氯離子性能優(yōu)良，后國(guó)家推廣到制鹽行業(yè)應(yīng)用。

國(guó)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(zhǎng)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(duì)便宜，但鈦合金耐溫性相對(duì)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(duì)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(duì)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(guó)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(guó)內(nèi)使用鈦材最大的用戶。近年來(lái)，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(yáng)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。

3 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(duì)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(lái)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。

3.1 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(guò)高，加熱時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，避免高溫條件下鈦金屬晶粒長(zhǎng)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(guò)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。

3.2 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(duì)口，保證管道及管件組對(duì)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(guò)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(wú)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(duì)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。

4 鈦材的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

近年來(lái)，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(duì)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。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)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)。

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