余博文,龍志平

(青海銅業(yè)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810000)

真空蒸發(fā)結(jié)晶硫酸鎳工藝因設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、容易操作，而被國(guó)內(nèi)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(wèn)題，制約著該工藝的產(chǎn)能和效率。本文結(jié)合銅電解中硫酸鎳生產(chǎn)實(shí)際，選用哈氏合金與SMO2542種材質(zhì)的冷卻器，對(duì)比2種材質(zhì)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(shè)備使用壽命的平衡點(diǎn)，給銅電解硫酸鎳蒸發(fā)工藝設(shè)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(jié)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(jìn)行真空蒸發(fā)。蒸發(fā)后液泵入硫酸鎳預(yù)冷槽進(jìn)行水冷，后送至粗硫酸鎳結(jié)晶槽進(jìn)行冷凍結(jié)晶，結(jié)晶母液通過(guò)壓濾機(jī)進(jìn)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(guān)鍵設(shè)備，用于冷卻從蒸發(fā)釜抽出的高溫酸氣。經(jīng)過(guò)冷卻后的酸氣凝結(jié)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(chǔ)槽；硫酸鎳真空蒸發(fā)工藝主要技術(shù)條件如表1所示。

表1 硫酸鎳真空蒸發(fā)主要工藝技術(shù)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(lái)的酸氣溫度為90～110 ℃，酸氣冷凝液主要成分為質(zhì)量濃度30 g/L的硫酸溶液，同時(shí)含有質(zhì)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(shí)，由于酸氣溫度較高，頻繁導(dǎo)致板式冷卻器腐蝕報(bào)廢，曾先后試用過(guò)哈氏合金和SMO2542種材質(zhì)的冷卻器。

2 2種材質(zhì)的冷卻器使用情況

硫酸鎳蒸發(fā)工序有1、2、3號(hào)計(jì)3臺(tái)板式冷卻器，工藝條件一致且穩(wěn)定。其中1、3號(hào)冷卻器為SMO254材質(zhì)，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(gè)月發(fā)生板式冷卻器內(nèi)漏。解體板式冷卻器檢查發(fā)現(xiàn)高溫酸氣進(jìn)口處出現(xiàn)腐蝕，具體如圖3所示。

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

2號(hào)冷卻器為哈氏合金C-276材質(zhì)，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(nèi)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(jìn)口處；具體如圖3所示。

圖3 2號(hào)板式冷卻器腐蝕情況Fig.3 Corrosion of No.2 plate cooler

3 結(jié)果與討論

以上2種材質(zhì)的板式冷卻器均在同樣的工藝條件下使用，除了材質(zhì)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(zhì)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(zhì)的板式冷卻器腐蝕部位均為高溫酸氣進(jìn)口處，且呈現(xiàn)扇形區(qū)域腐蝕。

對(duì)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(zhì)無(wú)法冷卻高溫酸氣進(jìn)口區(qū)域，說(shuō)明冷卻器高溫酸氣進(jìn)口處的扇形區(qū)域換熱效果較差，形成長(zhǎng)時(shí)間的高溫干燒。

3.2 冷卻器板片材質(zhì)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(zhì)哈氏合金是C-276鎳-鉻-鉬類合金，C-276主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表2所示。

表2 C-276主要化學(xué)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(guò)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(lǐng)域。

SMO254是一種奧氏體不銹鋼，國(guó)內(nèi)代號(hào)00Cr20Ni18Mo6CuN，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表3所示。

表3 SMO254主要化學(xué)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(lǐng)域。

C-276和SMO254材料在硫酸介質(zhì)中的耐腐蝕曲線，具體結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，2種材質(zhì)在硫酸介質(zhì)環(huán)境下均具有優(yōu)良的耐腐蝕性。在特定的硫酸質(zhì)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(zhì)的耐受極限溫度接近95 ℃；C-276材質(zhì)耐腐蝕溫度極限略高于SMO254材質(zhì)。

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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，C-276材質(zhì)冷卻器僅用了20 d，其表現(xiàn)跟耐腐蝕曲線對(duì)比結(jié)果相反。這原因可能是在高溫酸氣高速?zèng)_刷環(huán)境下，SMO254材質(zhì)鈍化膜耐沖刷能力優(yōu)于哈氏合金C-276鈍化膜，最終導(dǎo)致C-276材質(zhì)腐蝕速度高于SMO254材質(zhì)。

3.3 工藝分析

板式冷卻器板片采用反對(duì)稱結(jié)構(gòu)，板間安全承壓能力約25 Bar。機(jī)械強(qiáng)度滿足使用工況，能夠有效抵抗流體堅(jiān)硬顆粒對(duì)板片的沖擊。同時(shí)，酸性介質(zhì)與冷卻介質(zhì)的溫差、流量不同，實(shí)行非對(duì)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(zhì)量造成腐蝕的可能。

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

4 延長(zhǎng)板式冷卻器壽命的措施

通過(guò)對(duì)腐蝕區(qū)域、材質(zhì)、工藝3個(gè)方面的分析可知，SMO254材質(zhì)更加適應(yīng)真空蒸發(fā)結(jié)晶硫酸鎳工藝環(huán)境。同時(shí)，板式換熱器和板式冷卻器是同一種產(chǎn)品，只是使用場(chǎng)合的區(qū)別。由于密封條的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在高溫酸性工況條件下板式冷卻器介質(zhì)進(jìn)口更容易發(fā)生局部腐蝕。另外，還可以得出2個(gè)關(guān)于延長(zhǎng)板式冷卻器壽命的措施：

4.1 改進(jìn)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(zhì)無(wú)法冷卻高溫酸氣進(jìn)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(jìn)口區(qū)域的換熱效果，避免長(zhǎng)時(shí)間高溫干燒造成的腐蝕。

圖7 改進(jìn)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(yīng)釜蒸發(fā)出來(lái)的酸氣溫度嚴(yán)格控制在80 ～90 ℃，使酸氣溫度在材質(zhì)腐蝕臨界點(diǎn)以下，從而延緩材質(zhì)腐蝕速度，提高冷卻器使用壽命。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，適當(dāng)降低高溫酸氣溫度和改善冷卻區(qū)域(通過(guò)改進(jìn)冷卻器的密封膠條實(shí)現(xiàn))是延長(zhǎng)板式冷卻器壽命的有效措施。在后期的生產(chǎn)過(guò)程中，將酸氣溫度控制在95 ℃以下，SMO254材質(zhì)板式冷卻器使用壽命延長(zhǎng)至1年，但腐蝕區(qū)域并無(wú)改變。相信隨著密封膠條改進(jìn)，板式冷卻器的壽命將進(jìn)一步延長(zhǎng)，從而降低維護(hù)成本。