哈氏合金及SMO254材質冷卻器在特定環(huán)境下的使用效果對比

余博文,龍志平

(青海銅業(yè)有限責任公司，青海 西寧 810000)

真空蒸發(fā)結晶硫酸鎳工藝因設備簡單、投資少、容易操作，而被國內各銅冶煉廠廣泛采用。但該工藝中存在板式冷卻器腐蝕的問題，制約著該工藝的產(chǎn)能和效率。本文結合銅電解中硫酸鎳生產(chǎn)實際，選用哈氏合金與SMO2542種材質的冷卻器，對比2種材質的冷卻器在特定環(huán)境下的耐腐蝕性能，分析其腐蝕原因并從生產(chǎn)工藝角度優(yōu)化工況，尋求生產(chǎn)與設備使用壽命的平衡點，給銅電解硫酸鎳蒸發(fā)工藝設備選用提供參考。

1 工藝條件概述

銅冶煉行業(yè)中，電解液凈化工藝必不可少，普遍采用脫銅電解、真空蒸發(fā)結晶硫酸鎳工藝：二段脫銅后液經(jīng)泵送至硫酸鎳高位槽，然后流入粗硫酸鎳蒸發(fā)釜進行真空蒸發(fā)。蒸發(fā)后液泵入硫酸鎳預冷槽進行水冷，后送至粗硫酸鎳結晶槽進行冷凍結晶，結晶母液通過壓濾機進行壓濾，壓濾后得到含鎳約20%的粗硫酸鎳。硫酸鎳蒸發(fā)工藝流程如圖1所示。

圖1 硫酸鎳蒸發(fā)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of nickel sulfate evaporation

由圖1可以看出，冷卻器是蒸發(fā)工藝的關鍵設備，用于冷卻從蒸發(fā)釜抽出的高溫酸氣。經(jīng)過冷卻后的酸氣凝結成酸性液體流入汽水分離器，以自流的形式匯集到冷凝液儲槽；硫酸鎳真空蒸發(fā)工藝主要技術條件如表1所示。

表1 硫酸鎳真空蒸發(fā)主要工藝技術條件Tab.1 Main technical conditions of vacuum evaporation of nickel sulfate

由表1可知，蒸發(fā)釜抽吸出來的酸氣溫度為90～110 ℃，酸氣冷凝液主要成分為質量濃度30 g/L的硫酸溶液，同時含有質量濃度低于0.015 g/L的氯離子。

原硫酸鎳蒸發(fā)工序在前期生產(chǎn)時，由于酸氣溫度較高，頻繁導致板式冷卻器腐蝕報廢，曾先后試用過哈氏合金和SMO2542種材質的冷卻器。

2 2種材質的冷卻器使用情況

硫酸鎳蒸發(fā)工序有1、2、3號計3臺板式冷卻器，工藝條件一致且穩(wěn)定。其中1、3號冷卻器為SMO254材質，換熱面積11 m2，板片厚度0.6 mm，自2019年5月開始投入使用經(jīng)7個月發(fā)生板式冷卻器內漏。解體板式冷卻器檢查發(fā)現(xiàn)高溫酸氣進口處出現(xiàn)腐蝕，具體如圖3所示。

圖2 1、3號板式冷卻器腐蝕情況Fig.2 Corrosion of No. 1 and No. 3 plate coolers

2號冷卻器為哈氏合金C-276材質，換熱面積11 m2，板片厚度0.6 mm，于2019年12月投入使用經(jīng)20 d發(fā)生內漏，解體板式冷卻器檢查發(fā)現(xiàn)腐蝕位置同樣為高溫酸氣進口處；具體如圖3所示。

圖3 2號板式冷卻器腐蝕情況Fig.3 Corrosion of No.2 plate cooler

3 結果與討論

以上2種材質的板式冷卻器均在同樣的工藝條件下使用，除了材質不同，其換熱面積以及板片厚度均一致；使用效果直接反映了2種材質在特定工藝條件下的耐腐蝕能力。具體腐蝕區(qū)域如圖4、圖5深色區(qū)域所示。

圖4 腐蝕區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of corrosion area

圖5 冷卻區(qū)域示意圖Fig.5 Schematic diagram of cooling area

3.1 冷卻器板片腐蝕區(qū)域分析

從圖4可以看出，2種材質的板式冷卻器腐蝕部位均為高溫酸氣進口處，且呈現(xiàn)扇形區(qū)域腐蝕。

對比圖4和圖5可以看出：腐蝕區(qū)域與未冷卻區(qū)域重合，冷卻介質無法冷卻高溫酸氣進口區(qū)域，說明冷卻器高溫酸氣進口處的扇形區(qū)域換熱效果較差，形成長時間的高溫干燒。

3.2 冷卻器板片材質分析

哈氏合金是一種鎳基耐腐蝕合金，分鎳-鉻合金與鎳-鉻-鉬合金2大類。此次使用的冷卻器材質哈氏合金是C-276鎳-鉻-鉬類合金，C-276主要化學成分(質量分數(shù))如表2所示。

表2 C-276主要化學成分Tab.2 The main chemical composition of C-276

由表2可知，C-276合金含鎳量超過50%，以鉻、鉬作為主要的合金元素，具有良好的耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性，廣泛用于熱交換、化工、航天等領域。

SMO254是一種奧氏體不銹鋼，國內代號00Cr20Ni18Mo6CuN，其主要化學成分(質量分數(shù))如表3所示。

表3 SMO254主要化學成分Tab.3 Main chemical composition of SMO254

由表3可知，SMO254含有較高的鎳、鉻、鉬元素，同樣具有良好的耐腐蝕性，廣泛用于海水熱交換、環(huán)保、能源、化工等領域。

C-276和SMO254材料在硫酸介質中的耐腐蝕曲線，具體結果如圖6所示。由圖6可知，2種材質在硫酸介質環(huán)境下均具有優(yōu)良的耐腐蝕性。在特定的硫酸質量濃度為30 g/L條件下(硫酸濃度<10%)，C-276耐受極限溫度接近100 ℃，SMO254材質的耐受極限溫度接近95 ℃；C-276材質耐腐蝕溫度極限略高于SMO254材質。

圖6 C-276及SMO254耐腐蝕曲線(年腐蝕量0.1 mm)Fig.6 C-276 and SMO254 corrosion resistance curve (annual corrosion amount 0.1 mm)

實際應用過程中，C-276材質冷卻器僅用了20 d，其表現(xiàn)跟耐腐蝕曲線對比結果相反。這原因可能是在高溫酸氣高速沖刷環(huán)境下，SMO254材質鈍化膜耐沖刷能力優(yōu)于哈氏合金C-276鈍化膜，最終導致C-276材質腐蝕速度高于SMO254材質。

3.3 工藝分析

板式冷卻器板片采用反對稱結構，板間安全承壓能力約25 Bar。機械強度滿足使用工況，能夠有效抵抗流體堅硬顆粒對板片的沖擊。同時，酸性介質與冷卻介質的溫差、流量不同，實行非對稱流道，保證了板間流速穩(wěn)定，提高了換熱效果。板面采用等截面的人字波紋，角孔一致。因而，排除了因產(chǎn)品加工質量造成腐蝕的可能。

板式冷卻器進口酸氣溫度在90～110 ℃，可見真空蒸發(fā)結晶硫酸鎳工藝中酸氣溫度在2種材質腐蝕臨界點。

4 延長板式冷卻器壽命的措施

通過對腐蝕區(qū)域、材質、工藝3個方面的分析可知，SMO254材質更加適應真空蒸發(fā)結晶硫酸鎳工藝環(huán)境。同時，板式換熱器和板式冷卻器是同一種產(chǎn)品，只是使用場合的區(qū)別。由于密封條的設計特點，在高溫酸性工況條件下板式冷卻器介質進口更容易發(fā)生局部腐蝕。另外，還可以得出2個關于延長板式冷卻器壽命的措施：

4.1 改進冷卻器的密封膠條

腐蝕區(qū)域與未冷卻區(qū)域重合，冷卻介質無法冷卻高溫酸氣進口區(qū)域，如果將密封膠條改成圖7所示密封形式(深色表示冷卻區(qū)域)，可以極大改善高溫酸氣進口區(qū)域的換熱效果，避免長時間高溫干燒造成的腐蝕。

圖7 改進后的密封形式和冷卻區(qū)域Fig.7 Improved seal form and cooling area

4.2 降低高溫酸氣溫度

將反應釜蒸發(fā)出來的酸氣溫度嚴格控制在80 ～90 ℃，使酸氣溫度在材質腐蝕臨界點以下，從而延緩材質腐蝕速度，提高冷卻器使用壽命。

5 結語

綜上所述，適當降低高溫酸氣溫度和改善冷卻區(qū)域(通過改進冷卻器的密封膠條實現(xiàn))是延長板式冷卻器壽命的有效措施。在后期的生產(chǎn)過程中，將酸氣溫度控制在95 ℃以下，SMO254材質板式冷卻器使用壽命延長至1年，但腐蝕區(qū)域并無改變。相信隨著密封膠條改進，板式冷卻器的壽命將進一步延長，從而降低維護成本。