316L化合攪拌槳制取硫酸錳溶液時的耐腐蝕性

黎建新，黃炳行，林保明，鄧永光，李佑堂

(1.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530028;2.新邵縣慧興攪拌防腐安裝有限公司，湖南 新邵 422900)

在電解金屬錳(以下簡稱為:EMM)和電解二氧化錳(以下簡稱為:EMD)行業(yè)，316L不銹鋼材料均有廣泛的應(yīng)用。由于2個行業(yè)的化合工序，對溶液制取的條件、環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)不同，對化合攪拌材料的使用有嚴(yán)格的要求。其中EMD制液對Fe雜質(zhì)含量控制要求更高，EMM制液對攪拌強(qiáng)度有比較高的要求。本文分析316L化合攪拌槳在不同環(huán)境情況下的耐腐蝕情況，為化合攪拌槳選材設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 EMD和EMM行業(yè)化合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較

根據(jù)《錳冶金學(xué)》對EMM和EMD的生產(chǎn)介紹，結(jié)合中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司等幾家大中型企業(yè)行業(yè)制液的實(shí)際情況，EMM和EMD化合攪拌條件和化合部分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 EMM和EMD化合攪拌條件和化合部分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［1］

2 攪拌速率對316L不銹鋼攪拌的腐蝕影響

攪拌旋轉(zhuǎn)速率不同，對316L材腐蝕速率有不同區(qū)別，如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)速率對316L不銹鋼腐蝕速率影響

在70℃，40%硫酸工況條件下攪拌5 h，腐蝕速率隨著旋轉(zhuǎn)速率的增大而增大，但達(dá)到45 r/min后，腐蝕速率漸趨平穩(wěn)，受攪拌速率的影響不再明顯［2］。顯然，40 r/min轉(zhuǎn)速和60 r/min轉(zhuǎn)速時，腐蝕速率沒有太大變化。EMD行業(yè)化合攪拌若采用316L材質(zhì)，腐蝕速率比EMM行業(yè)有著很細(xì)微差別，在攪拌轉(zhuǎn)速上的腐蝕速率差別基本可以忽略。從圖1可以看出，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速可以減少腐蝕速率的影響。

3 硫酸濃度對316L攪拌槳的腐蝕影響

2個行業(yè)所用碳酸錳粉和濃硫酸原料相同，硫酸濃度均在98%左右，并且EMD返回化合工序用的電解廢液和EMM返回化合工序的電解陽極液，稀硫酸含量均在35～50 g/L(硫酸含量5%左右)。從化合進(jìn)料次序來看，化合桶都是先打廢液(或陽極液)，然后投礦粉后進(jìn)98%濃硫酸，最后補(bǔ)加部分廢液調(diào)酸，EMM行業(yè)中則用少量液氨中和。因此，硫酸濃度有個漸進(jìn)升降變化過程，但在＜70℃時硫酸濃度對316L攪拌槳的腐蝕量基本相同，當(dāng)溫度為70℃時，不同硫酸濃度浸泡5 h，對316L不銹鋼腐蝕速率的影響如圖2所示。

圖2 硫酸濃度對316L不銹鋼腐蝕速率的影響

從圖2可以看出，當(dāng)硫酸濃度從5%漸進(jìn)變化到30%階段，腐蝕速率都比較高，曲線成直線上升階段。這主要是由于硫酸在低濃度時主要表現(xiàn)為酸性［3］，因?yàn)橄×蛩岙a(chǎn)生的氫去極化作用，加劇了對316L攪拌槳的腐蝕速率。當(dāng)加入98%濃硫酸時，由于表現(xiàn)為氧化性，使得攪拌表面產(chǎn)生鈍化，又降低了腐蝕速率。當(dāng)補(bǔ)加部分廢液調(diào)酸(液氨中和)時，硫酸濃度又發(fā)生變化，此時316L攪拌槳表面生成的鈍化膜也不再致密，在化合混料過程中，當(dāng)硫酸濃度混合到30%時，腐蝕速率達(dá)到最高，隨著攪拌開啟混料不斷均勻，硫酸濃度在20% ～10%往下波動，腐蝕速率最終漸趨平穩(wěn)。

因?yàn)榱蛩釢舛仍诨匣炝线^程中，有段處于復(fù)合的變化狀態(tài)情況，不利于保持316L攪拌槳鈍化膜的穩(wěn)定和持久，所以如何延長316L化合攪拌槳使用壽命，仍可以做進(jìn)一步的研究。

4 溫度對316L不銹鋼攪拌的腐蝕影響

EMM行業(yè)碳酸錳礦粉浸出溫度是不需要外加熱條件，一般工業(yè)上采用的電解返回陽極液溫度只有38～44℃，然后利用硫酸反應(yīng)熱使礦漿溫度升高至60℃。低溫也是為了在后續(xù)電解時提高電流效率。若電解溫度超過45℃，電流效率便大大降低，溫度在50℃以上，電解就無法進(jìn)行。所以后續(xù)電解工序還采用了循環(huán)冷卻水間接冷卻。但是EMD化合工序不僅電解返回廢液溫度高，達(dá)到75℃左右，而且化合還通入高溫蒸汽，化合浸出溫度為≥85℃，甚至更高。

在40%硫酸濃度下攪拌5 h，不同溫度對316L材料的腐蝕速率的影響如圖3所示。

圖3 溫度對316L不銹鋼腐蝕速率影響

從圖3中可以看出:

1)隨著溫度的升高，316L不銹鋼腐蝕速率逐步增大，且在到達(dá)某一溫度后，腐蝕速率發(fā)生突躍，其溫度為60℃，這正是EMM行業(yè)在化合制液時的溫度臨界點(diǎn)。

2)EMD行業(yè)化合制液溫度≥85℃，其腐蝕速率＞70 mg/cm2·h，與EMM化合溫度臨界點(diǎn)相比，腐蝕速率變化大，腐蝕量高出1倍多，溫度越高，腐蝕速率曲線成直線上升。

以上40%硫酸濃度，是在化合桶混料過程中，處于漸進(jìn)復(fù)合狀態(tài)情況下的假設(shè)值，實(shí)際化合混料反應(yīng)有一段比較長時間處在15%～20%左右。也可以通過321(1Cr18Ni9Ti)不銹鋼在20%硫酸濃度中腐蝕速率與溫度關(guān)系，驗(yàn)證上述結(jié)論，見圖4。

圖4 1Cr18Ni9Ti不銹鋼在20%的硫酸溶液中腐蝕率與溫度的關(guān)系

從圖4可以看出，321不銹鋼在溫度≥80℃后就開始發(fā)生突躍。溫度達(dá)到100℃時，腐蝕率＞300g/m2·h。圖4也可以是316L材料在20%硫酸濃度時不同溫度下腐蝕速率的參照，316L和321不銹鋼2者腐蝕率趨勢基本相同。即材料的腐蝕率隨介質(zhì)溫度的升高而增加，增加的速率隨介質(zhì)特性和材料的不同而有所差異，但其影響的總趨勢是一致的。相比較316L不銹鋼比321耐腐蝕性能、抗應(yīng)力腐蝕開裂能力要強(qiáng)［4－5］。但是在EMD行業(yè)中，正因?yàn)榛瞎に嚱鰷囟纫蟾哂?5℃，已經(jīng)超過上述臨界溫度60℃，腐蝕量成倍數(shù)增加，因此化合攪拌槳設(shè)計(jì)不宜選材316L不銹鋼。

但當(dāng)溫度＜60℃，硫酸濃度＜20%時，316L不銹鋼腐蝕率仍在可允許的區(qū)域Ⅰ范圍內(nèi)(腐蝕率≤0.5 mm/a)如圖5所示。

圖5 耐硫酸腐蝕材料的選用

5 結(jié)論和建議

1)在EMD和EMM行業(yè)化合制液工序生產(chǎn)中，化合主要介質(zhì)基本相同，分析得出硫酸濃度、攪拌轉(zhuǎn)速等對316L不銹鋼材質(zhì)腐蝕速率2者差距不大。

2)EMD化合時的高溫反應(yīng)對316L攪拌腐蝕速率最大，腐蝕量越大，不僅造成攪拌壽命短而且雜質(zhì)Fe含量多，對化合要求Fe含量＜0.000 02%以下，無疑增加化合制液工藝的去鐵難度，去鐵成本也相應(yīng)增加。因此EMD行業(yè)不宜選材316L不銹鋼設(shè)計(jì)制作化合攪拌槳。

3)在EMM行業(yè)化合溫度在60℃左右，硫酸濃度＜20%時，316L材料就在可使用的區(qū)域Ⅰ(圖5)考慮范圍內(nèi)。因EMM行業(yè)因其低溫工況，316L制作的各種攪拌裝置得到廣泛應(yīng)用。在消除應(yīng)力集中等不利因素后，長期、少量的腐蝕將會縮短316L攪拌的使用壽命。為延長設(shè)備使用壽命，建議從保護(hù)316L攪拌鈍化膜、適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速、保持低溫等幾個方面進(jìn)行研究和探索。

4)EMD行業(yè)化合攪拌葉建議選用Q235碳鋼材料設(shè)計(jì)，攪拌軸、輪轂采用襯熱硫化低鈣鎂耐酸耐溫橡膠，而碳鋼攪拌槳則采用系列活性酚醛特殊防腐。(國家授權(quán)專利:一種大型防腐蝕攪拌槳及其制備方法，專利號:201110142683.0)

實(shí)踐證明:碳鋼軸和槳葉經(jīng)過特殊防腐處理后，不僅保證了EMD化合浸出質(zhì)量，而且耐磨損、耐腐蝕，設(shè)備使用壽命比較理想。目前中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新錳礦分公司電解二氧化錳廠在用的化合攪拌槳年磨損量在1 mm以內(nèi)，使用壽命已超過4年以上。

［1］梅光貴，李維健，譚柱中，等.錳冶金學(xué)［M］，長沙:中南大學(xué)出版社，2004:367－481.

［2］顧國亮，楊文忠.ND鋼、316L、20#碳鋼在硫酸介質(zhì)中的腐蝕行為［J］，腐蝕與防護(hù)，2005(8):336－337.

［3］閆麗靜，董俊華，牛林，等.鐵在含H2S的硫酸溶液中的腐蝕機(jī)制研究［J］，中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報，1998，18(4):269 －275.

［4］陸明炯.實(shí)用機(jī)械工程材料手冊［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004:123－128.

［5］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:3－98.