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钛材在真空制盐设备上的应用

[ 信息发布:本站 | 发布时间:2008-12-18 | 浏览:582 ]

自十八世纪末发现元素钛以来,随着对钛的性能、冶炼、工业化生产、加工制造的不断研究、实践,本世纪五十年代末即在国外工业领域中较广泛应用,成为新兴的有发展前途的一种金属材料。被认为是继人类广泛应用的铜、铁、铝之后的第四种金属。由于钛及其合金具有优良的耐腐蚀性能,良好的综合机械性能,比强度高,对液体的浸润性很小,能抗流体冲刷,因此在军事及民用工业上逐步得到越来越广泛的应用。我国是世界上钛资源蕴藏量最丰富的国家之一,为钛的应用提供了广阔的良好前景。


一、钛材在真空制盐设备上的应用


钛材在我国首先用于军事工业,七十年代逐步应用于民用工业部门。制盐工业上由于大规模的真空制盐起步较晚,到七十年代初期才进入高潮。随着真空制盐厂家的不断建成投产,高温浓盐卤水对真空制盐用碳钢设备的严重腐蚀直接影响了设备能力的发挥及生产的正常运行。腐蚀造成设备频繁维修,大量的跑冒滴漏,成了一个急待解决的生产关键和技术课题。正确选用适合于制盐工业的耐蚀材料也急迫地提上了议事日程。
钛及其合金具有优异的抗海水及耐氯化物溶液腐蚀及流体冲刷的性能。随着对钛材性能及应用认识的加深,特别是1972年后国家在钛材推广民用化上采取了一系列包括调低钛材价格在内的措施,钛材及其合金也逐步推广应用在真空制盐工业上。我院在全国钛办,宝鸡有色金属研究所,宝鸡有色金属加工厂的大力支持、援助下,在真空制盐工程的设计及研究中进行了钛材的推广应用工作。1977年在我院中间试验厂小型蒸发罐工效内壁液面波动处,嵌上高1100毫米,厚0.7毫米的TA2板进行了罐壁防盐垢探索试验。经运转证明,由于钛表面光滑,耐腐蚀,对于防止蒸发罐壁结盐垢,延长洗罐周期有良好效果。1981年针对自贡邓关盐厂黑卤成份复杂,腐蚀严重的情况进行了黑卤加热室管材室内评选试验,证明钛及其合金在黑卤真空盐介质中具有很好的耐蚀性。1982年针对自贡大安盐厂采用TA2管用于该厂盐岩卤年产5万吨真空制盐工程Ⅰ效加热室仅一年多即发生腐蚀,损坏的问题,1986年针对自贡邓关盐厂年产9万吨真空制盐工程Ⅰ效加热室采用B30铜镍合金管在黑卤中投产半年即遭到严重腐蚀穿孔的问题,我院分别同大安盐厂邓关盐厂,宝鸡有色金属研究所合作,开展了“Til2(Ti一0.3Mo一0.8Ni)材料用于盐岩卤真空制盐首效加热管的工业模拟试验”以及“Ti一12材料用于黑卤制盐首效加热管的扩大工业性试验”研究,均取得了满意的效果,为真空制盐首效换热管采用Til2管提供了可靠依据。1982年在我院设计的邓关盐厂年产7万吨真空制盐工程(黑卤)的 Ⅱ Ⅲ效加热室采用TA2换热管及钛钢复合管板结构,经84年投产运行以来,换热管一直使用良好,管内结垢现象也明显减少。1983年在内蒙古吉兰泰盐厂年产5万吨真空制盐工程设计中,对蒸发罐Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ效蒸发室首次采用了钛钢复合板结构,经多年运行证明,钛钢复合板制造的蒸发室,对减缓腐蚀及结盐垢,延长生产周期,提高盐质均有良好效果。1987年我院设计的四川大安盐厂、五通桥盐厂两套年产30万吨真空制盐工程主体设备蒸发罐中,把钛的应用更推进一大步,采用了全钛结构。蒸发罐凡和料液接触部份,Ⅰ效均采用Til2换热管及Til2钢复合板,Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ效均采用TA2。换热管及钛钢复合板。仅此两套制盐装置,蒸发罐便使用Til2及TA2,管约44吨,Til2及TA2,板约10吨,Til2及钛同钢的复合板达360吨,使真空制盐工业一跃成为使用钛及钛钢复合板的大户之一。
二、钛材应用中的几个技术问题:
本文拟就从设计角度对钛应用过程中的几个技术问题进行探讨、研究:
1、换热管
钛及钛合金换热管现有两类管供选用。一类是GB3625?83“热交换器及冷却器用无缝钛管”,另一类是GB3624?83“钛及钛合金无缝管”。按理论讲应选用GB3625?83标准的钛管。但此类管价格较贵,大大增加了设备的一次投资费用。从节约角度考虑,现仍选用GB3624?83标准的钛管作换热管。使用此类钛管注意以下问题:
(1)?38X1.2的钛管为例,按GB3625?83标准,其外径的允许偏差为土0.15毫米。而按GB3624?83标准的相同规格的钛管,其外径的允许偏差达土0.3毫米。由于GB3624?83标准的钛管外径偏差较大。为保证胀管时有一均匀、合适的间隙,对此类管应逐根进行外径测量,按测得的外径分范围归类。管板孔加工时应按图纸上规定的间隙及已测得的管外径分区域加工钻孔。胀管时严格注意管子与管板孔的选配,把外径一定范围的管子胀入相应区域的管板孔中。
(2)对管子应逐根进行水压试验,按GB3624?83标准,钛管出生产厂时未进行水压试验,仅保证符合水压试验的要求。大安30万吨真空制盐工程使用此类钛管在制造厂以0.8兆帕压力逐根进行水压试验,检查出近40根管子有裂纹、泄漏现象,这样把隐患解决在生产之前。
2、换热管与管板的连接
考虑连接的强度,密封性,减缓缝隙腐蚀,便于制造加工等要求,换热管与管板的连接一般采用胀接加密封焊的连接结构。由于钛及其合金屈强比大(在退火状态下σ0.2/σb=0.7~o.9),延伸率相对较低,选用的管壁又较薄,胀按时管端容易发生裂纹。为降低管端的减薄量和防止产生裂纹,同普通钢管胀接相比,应选用较小的间隙,较低的胀管率,严格控制管子伸出管板表面的长度。在?38X1.2钛管胀接中,控制胀管间隙在0.3~0.4毫米,胀管率(管子内径的胀大值对管孔直径的相对百分率)控制不超过0.5%,管子伸出管板表面不大于1.5毫米,经外观检查及试压证明,胀接质量合格。密封焊时应严格清洗管板及管端的待焊部位,控制管端伸出管板高度(?38X1.2钛管伸出高度0.5~1.5毫米),采用不填加焊丝的自动或半自动氩弧自熔焊,这样得出的焊缝丰满,高度整齐,成形光滑美观,呈银白色或淡稻黄色的金属光泽。
3、钛钢复合板的对接焊接
现使用中主要采用两种型式,见图一、图二。图1中钛盖板同钛复层的焊接采用熔透的角焊缝,焊缝连接强度高,质量容易保证,能达到一次检验合格。其使用中在钛盖板与钛复层表面的连接处容易结块盐,适宜用于循环管,蒸发室下锥体,盐足等部位。图2型式焊后表面平整光滑,适用于蒸发室液面波动易结块盐部位。引种结构为防止基层钢板的铁熔入钛焊缝造成焊缝的冷裂及脆化,钛嵌条同钛复层间采用不熔透焊接。当钛复层厚度为2毫米时,焊接深度要求控制在1~1.5毫米,否则复层焊缝连接强度低,运行中易出现问题。因而制造难度较大,要求有较高的组对和焊接质量。在投资允许时,图2结构中的复层厚度宜要用3毫米。经焊接后检验,采用3毫米复层厚的不熔透焊接接头,用着色探伤检验,一次合格率可达100%。
4、钛焊接材料选择
钛焊接材料有两类可供选用。一类直接从钛母材上切割钛条,经打磨,酸洗等工序处理后用作钛的焊接材料,另一类为钛焊丝。Til2及TA2。的母材同钛焊丝的化学成份见下表。


牌 号 Ti Fe Si C N H O Ni Mo
TA2 基 ≤0.3 ≤O.15 ≤O.1 ≤0.05 ≤0.015 ≤0.2
Ti--0.3Mo--0.8Ni 基 ≤0.3 ≤O.15 ≤0.08 ≤0.03 ≤0.015 ≤0.2 O.6~O.9 0. 2~1. 0.4
焊丝 ERTA2 基 ≤0.2 ≤0.05 ≤O.02 ≤0.008 0.1~O.15
ERT 一0.3Mo--0.8Ni 基 ≤0.2 ≤0.05 ≤O.02 ≤0.008 0.1~O.15 O.6~O.9 0. 2~1. 0.4



从表中可看出,钛焊丝中的杂质元素Fe、H、O、N、C远低于相应牌号的钛母材含量。这对焊接时减少焊缝中的有害杂质含量,提高焊缝的耐腐蚀性能及改善其机械性能有较大好处。焊缝一般均是使用中容易出现问题薄弱部位,在焊接时选用钛焊丝比用本体钛条作焊接材料质量更易得到保证。
5、真空制盐中,蒸发罐液面波动部位为保证罐内壁平整光滑,焊接采用图2结构型式。钛嵌条同钛复层间采用不熔透的焊接结构。此结构对制造要求严格,且焊缝较脆弱。设计中应考虑此部份在地面一次制作完毕,整体吊装,这样利于制造焊接。同时设备应有足够的刚度,在运输和安装过程中不致因设备的变形而导致钛焊缝开裂。
6、钛是耐蚀性能优异的金属,但也是一种娇气的金属。据有关资料介绍,钛面的清洁程度甚至手印也能影响焊接质量。铁污染,不当的焊接工艺及焊接规范,无高纯度氩气的可靠保护等都能使钛的耐蚀性能大大降低。在整个制造过程中,应严格按照钛材的制造规程进行操作,特别是注意钛表面的保护及焊接质量,以免降低钛的优异耐蚀性能。钛焊缝的100%着色探伤检验及钛嵌条,钛盖板焊缝的反面通气检漏在实践中证明对检查钛焊缝可能存在的裂纹、气孔等缺陷有良好效果。着色探伤及通气检漏应按程序严格进行。钛钢复合板复合后钛表面未进行酸洗,复合过程中钛表面难免有一定污染。在钛设备制作过程中,尽管采取了不少保护措施,但实践中要作到钛表面大面积完全无污染还比较困难。设备制作完结后,钛表面进行酸洗是完全必要的。大安盐厂30万吨真空制盐工程钛表面进行全面酸洗后,除铁污染检查合格外,还检查出原材料表面个别部位存在的小孔,裂纹等缺陷,有利于把问题消灭在运行之前。