新型鎳基合金材質(zhì)在片堿生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用

任勇強(qiáng)，王瀟

(新疆圣雄氯堿有限公司，新疆 吐魯番 838000)

新疆圣雄氯堿有限公司(以下簡(jiǎn)稱“圣雄氯堿”)降膜法片堿生產(chǎn)裝置中接觸高溫、高濃度堿的設(shè)備、管線均采用純鎳材質(zhì)。純鎳材質(zhì)的設(shè)備、管線比其他材質(zhì)的使用壽命長(zhǎng)，但價(jià)格昂貴，導(dǎo)致片堿生產(chǎn)成本居高不下。為進(jìn)一步延長(zhǎng)設(shè)備、管線的使用壽命，降低片堿生產(chǎn)成本，圣雄氯堿技術(shù)人員研發(fā)了一種比純鎳更耐腐蝕、價(jià)格相對(duì)較低的新型材質(zhì)——鎳基合金。

1 純鎳設(shè)備在片堿生產(chǎn)中的使用情況

電解生產(chǎn)的32%堿液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)在蒸發(fā)工序通過(guò)濃縮換熱被提濃至70%，之后在最終濃縮器與410 ℃左右的熔鹽進(jìn)行換熱，質(zhì)量分?jǐn)?shù)由70%增至98.5%以上，再通過(guò)片堿機(jī)制成片堿，包裝后外售。在生產(chǎn)片堿的過(guò)程中，最終濃縮器降膜管為片堿工序的關(guān)鍵部件，其使用壽命是影響片堿工序能否連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。

1.1 純鎳材質(zhì)的降膜管

降膜管作為堿與熔鹽換熱的主要部件，內(nèi)管的堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)由70%提升至98.5%，溫度在400 ℃左右，而管外即夾套內(nèi)熔鹽溫度也在410 ℃左右。針對(duì)此種苛刻的工況，國(guó)內(nèi)廠家一般采用純鎳材質(zhì)(Ni4、Ni201)的降膜管，以防止高溫、高濃度堿液的腐蝕，而降膜管的使用壽命從3個(gè)月到18個(gè)月不等。因鎳材昂貴，每年更換降膜管產(chǎn)生的費(fèi)用居高不下；同時(shí)，因停車更換降膜管，產(chǎn)生的頭、尾堿較多，造成生產(chǎn)成本增加。

1.2 純鎳材質(zhì)的下堿管

成品分離器98.5%堿經(jīng)過(guò)下堿管流至再分配器。堿濃度高、溫度高、流速快，對(duì)管線腐蝕較大，管線發(fā)生泄漏時(shí)，只能停車補(bǔ)焊。管線使用12個(gè)月左右，就因壁厚減薄進(jìn)行更換。

2 鎳基合金材質(zhì)的研發(fā)

為使降膜法片堿裝置安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行，同時(shí)為降低降膜管的采購(gòu)費(fèi)用，降低片堿生產(chǎn)成本，圣雄氯堿與多家設(shè)備制造商溝通交流，分析了降膜管的腐蝕原因，并查找文獻(xiàn)資料，分析在熔融堿工況下可使用的相關(guān)材料的特性。最終確定尋找新型材料替代純鎳材質(zhì)的方案，要求新型材料在機(jī)械強(qiáng)度、抗氧化腐蝕性及傳熱效率等方面要優(yōu)于純鎳材質(zhì)，并且價(jià)格相對(duì)較低，在延長(zhǎng)降膜管使用壽命的基礎(chǔ)上，降低采購(gòu)價(jià)格，降低片堿的生產(chǎn)成本。

從提高材質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度、抗氧化腐蝕性和傳熱性能等方面考慮，在純鎳中加入C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu、Ti等元素，通過(guò)調(diào)整各元素比例，滿足鎳基合金材料在高溫、高濃度融熔堿環(huán)境中所需的機(jī)械強(qiáng)度、抗氧化腐蝕性、熱傳導(dǎo)性和使用壽命。

3 鎳基合金材質(zhì)在片堿生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 鎳基合金材質(zhì)的降膜管

第1根鎳基合金材質(zhì)降膜管于2017年1月9日投入使用，于2018年5月發(fā)生泄漏，使用周期接近16個(gè)月，超過(guò)鎳材降膜管平均壽命。從2018年5月開(kāi)始，圣雄氯堿將泄漏的純鎳降膜管全部更換為鎳基合金降膜管，經(jīng)過(guò)2年多的使用證明，鎳基合金降膜管平均使用壽命可達(dá)到12個(gè)月。證明該材質(zhì)耐腐蝕性不差于純鎳材質(zhì)。

3.2 鎳基合金材質(zhì)的管線

用鎳基合金材質(zhì)替換最終濃縮器至再分配器的熔融堿管道(壁厚4.0 mm)，于2018年4月更換，投用至今無(wú)泄漏情況，測(cè)量管線壁厚為3.1～3.2 mm。

3.3 鎳基合金材質(zhì)的片堿機(jī)轉(zhuǎn)鼓

片堿機(jī)轉(zhuǎn)鼓外側(cè)與高溫、98.5%熔融堿接觸，內(nèi)側(cè)通30 ℃冷卻水，冷卻凝固熔融堿。片堿機(jī)轉(zhuǎn)鼓為碳鋼材質(zhì)，使用過(guò)程中，發(fā)生點(diǎn)腐蝕，轉(zhuǎn)鼓受冷熱應(yīng)力變形，沾堿不均勻；刮刀刮堿后成片效果差，粉末率高，片堿板結(jié)嚴(yán)重。為提高片堿質(zhì)量，降低片堿粉末率，須更換轉(zhuǎn)鼓鼓面。碳鋼材質(zhì)鼓面使用周期平均在14個(gè)月，使用周期短，更換鼓面的工作量大、風(fēng)險(xiǎn)高。

用鎳基合金板材制作片堿機(jī)轉(zhuǎn)鼓替代碳鋼材質(zhì)的轉(zhuǎn)鼓，降低了高濃度堿對(duì)鼓面的腐蝕速率，延長(zhǎng)片堿機(jī)轉(zhuǎn)鼓使用壽命。在正常生產(chǎn)中，鎳基合金轉(zhuǎn)鼓刮堿厚度為1.3～1.5 mm，較碳鋼轉(zhuǎn)鼓刮堿厚度增加約0.5 mm，降低了片堿包裝過(guò)程粉末率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

4 鎳基合金材質(zhì)的推廣應(yīng)用

鎳基合金材質(zhì)中加入鉻、鉬、鈦、銅提高了降膜管材質(zhì)的硬度、抗氧化性和傳熱系數(shù)，鎳基合金降膜管平均壽命可達(dá)12個(gè)月;鎳基合金材質(zhì)中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)38%～46%，同等規(guī)格板材或管材的鎳基合金價(jià)格為純鎳價(jià)格的30%～40%，相應(yīng)制造出來(lái)的設(shè)備價(jià)格要低,因此，用鎳基合金設(shè)備代替純鎳設(shè)備，降低了設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用；同時(shí)，片堿生產(chǎn)裝置能連續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

鎳基合金材料在高溫、高濃度的堿性環(huán)境中使用時(shí)間超過(guò)1年，表明新材料完全可以替代片堿生產(chǎn)工序的純鎳材設(shè)備及管道，乃至電解工序的鎳材設(shè)備。