鈦材在制鹽工業的應用及展望

摘 要：鈦以其良好的耐腐蝕、傳熱性、抗熱膨脹、高強度等性能特點廣泛應用于我國工業中，創造了良好的應用價值。本文在分析鈦材各性能特點的基礎上，探討了鈦材的研制方法及其在制鹽工業中的應用情況和加工特點。并分析了目前鈦材在我國工業事業領域中的應用現狀和發展前景，以期更好的推動我國工業事業的發展。

關鍵詞：鈦材 性能特點 制鹽工業 應用 展望

中圖分類號：TS3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0089-02

近年來，鈦材以其良好的耐腐蝕、傳熱性、抗熱膨脹、高強度等性能在眾多金屬材料中脫穎而出，由早期的航空業轉到普通工業，乃至人們日常生活中，取得了良好的應用價值。尤其是在制鹽工業中，制鹽設備長期存在氯離子對金屬材料嚴重腐蝕，為解決腐蝕問題提供了良好的解決途徑，應用范圍不斷增加。然而，鈦在自然界的分布比較零散，且提取難度大，因此被認為是一種稀有金屬。且與國外相比，鈦材在我國工業事業中的運用尚處于初步階段，如何提高各鈦材設備的制造、加工技術以及掌握鈦材的應用要點，進而充分利用鈦材的性能優勢對提高鈦材的社會價值及推動我國工業事業的發展具有重要的意義。本文在分析鈦材各性能的基礎上，探討了鈦材在制鹽工業中的應用及其加工特點。并分析了目前鈦材在應用中存在問題和發展前景。

1 鈦材的性能特點

1.1 耐腐蝕

鈦的化學性質較為穩定。常溫下，鈦容易與空氣中的氧化物發生化學反應進而合成一層堅固、致密的氧化膜薄膜覆蓋在鈦的表面，從而保護其不與強酸、強堿發生反應。因此，體現出鈦材的耐腐蝕性能。

1.2 傳熱好

用于換熱器，滴狀冷凝，強度高，所以管壁薄，所以傳熱效果好。

1.3 抗熱膨脹

鈦的導熱性和導電性能較差。因而其熱穩定性量好，熔點為1660±10 ℃，沸點為3287 ℃，熱膨脹系數低。所以用其做設備材料時，可以發揮良好的抗熱膨脹性能，保證材料的穩定，不變形。

1.4 強度高

鈦的密度為4.506～4.516 g/cm3（20 ℃），其比強度位于金屬之首。且在非合金的狀態下，鈦的強度跟某些鋼相若，因而具有強度高的良好性能。

2 鈦材的開發和應用

從20世紀70年代起，制鹽設備的腐蝕及滴漏問題日漸對制鹽工業造成嚴重困擾，因主要的氯離子腐蝕問題，受我國金屬材料發展的制約，主體設備，大部分是碳鋼制造，一般在二年左右，其中換熱器用過20號碳鋼管，一般使用年限不會超過一年，基本上是幾個月就開始穿管了；后來發展到使用銅材，使用時間大約在二至三年左右，造成設備制造、更換費用高，而且影響生產。近些年，不銹鋼被大量應用于制鹽行業，其中316L證實可以耐氯離子腐蝕，但制鹽系統中的換熱器因對換熱系數的要求，316L材料不適用。新的耐腐蝕制鹽設備材料亟待開發。

1910年，美國在試驗室中第一次用鈉法制得海綿鈦。20世紀50年代，我國鈦工業開始起步。70年代，在國家統一規劃下，投入到鈦材的開發、研究。隨后，鈦材性能優勢不斷凸顯，其良好的耐氯離子腐蝕引入制鹽行業，國家于90年代開始，制鹽行業的換熱器開始使用鈦材。

2.1 鈦材的研制

目前，鈦材的研制重要包括有電子束冷床爐法、真空吸鑄法、粉末冶金法。

2.2 鈦在制鹽工業的應用

（1）鈦材及鈦合金在真空制鹽加熱室中的應用。

真空制鹽工藝中，加熱室是最關鍵的設備。在鈦材未應用于制鹽工業之前，加熱室中的加熱管多采用普通鋼管、銅管。但這些鋼管耐腐蝕性能低，常被制鹽鹵水介質腐蝕，從而嚴重制約著制鹽工業的發展。后來，隨著鈦材及鈦合金的誕生，因其抗氯離子性能優良，后國家推廣到制鹽行業應用。

國內制鹽基本上四效真空制鹽工藝，鈦材應用于換熱器換熱管，管長一般有9m，壁厚在0.8～1.5之間。因為每效操作溫度各不相同，加上鈦材的制造原因，鈦材有工業純鈦和鈦鉬鎳合金之分，工業純鈦含合金成分少，價格相對便宜，但鈦合金耐溫性相對較好，強度方面也稍強。

制鹽行業首效加熱室加熱強度高，最容易結垢，對制鹽生產有較大的制約。而選用鈦鉬鎳合金材料，純鈦在II、III、IV效加熱室的應用。且具有良好的耐腐蝕、熱傳導性、不積垢優點，有效避免了加熱管的堵塞，優化了生產工藝。其次，傳統材料應用下，加熱室極易發生腐蝕穿孔現象。而純鈦表面雜質少，抗腐蝕性能強，從而不易發生腐蝕穿孔及管道堵塞現象。且在同等傳熱性能下，鈦加熱室具有重量比鋼管加熱室輕，體積小的優點。

（2）鈦材鹽水預熱器的應用。

在制鹽工藝中，鹵水預熱器是又一重要的工藝設備。在100℃以下的環境中，鈦在NaCl溶液中具有較強的抗腐蝕性能。因此，在制作鹽水預熱器的管束、封頭時采用鈦材能有效避免NaCl溶液對預熱器零部件的腐蝕，從而保證了設備的正常使用。

（3）鈦材在氯堿行業的應用。

作為我國重要的原材料工業，氯堿廣泛用于造紙，輕紡、醫藥，建材等行業，同時，氯堿也是是國內使用鈦材最大的用戶。近年來，Ti12和Ti-Pd和金是氯堿行業中應用效果良好的耐縫隙腐蝕材料。主要應用于鈦泵泵體、葉輪以及其他零部件的制作中，以及金屬陽極電解槽、離子膜電解槽、脫氯塔的制造中，取得了良好的應用價值。

3 鈦材設備的制造加工特點

合理的加工工藝是保證鈦材應用價值的重要環節。為避免鈦材加工中對金屬結構以及性能的破壞，應綜合鈦的物理、化學及機械性能特點來采取適當的加工工藝。目前，鈦材的加工環節主要包括機加工環節和焊接加工環節，其加工工藝特點分別如下所示。

3.1 機加工

鈦材機械加工環節中，加工刀頭一般選用合金刀頭，避免選用工具鋼刀頭，保控制切口區滲碳。剪切下料時要保證切口加工余量的留足，將切口表層產生的污染物質機械清除。并將一層牛皮紙貼在鈦材表面，起到保護作用。同時，加工時的加熱溫度不宜過高，加熱時間不宜過長，避免高溫條件下鈦金屬晶粒長大，體積擴張等情況的發生而導致鈦材綜合性能的破壞。另外，在沖壓過程中，基于鈦的彈性模量較低，回彈量大特點的考慮，盡量選擇模壓法（預彎）或在三輥卷板機上模板滾壓成形。并可分多次熱成形以保證封頭的幾何尺寸。

3.2 焊接加工

鈦材焊接加工前，首先應將附著在焊口的油污和雜質清除，將氧化膜刷去，以防止焊接口污染或再次氧化。其次，為盡可能的保證焊縫與基本金屬具有相近的耐腐蝕性能，應盡量保證所采用焊絲的成分與基本進食相近。最后，嚴格避免強制對口，保證管道及管件組對接的同心，內壁平齊。

焊接氣體保護，任何接頭的施焊，必須進行焊接過程中的全程氣體保護，否則鈦易被氧化，焊縫強度下降，出現裂紋，焊縫質量無法保證。通常是做焊縫跟蹤和焊后區補氣護罩，如果是管類施焊，必須將管另一頭做堵頭堵住，焊前就開始充氣，氣體產選氮氣，排除環境空氣，焊接時，補氣護罩對住已焊的焊縫，保護，直到焊縫降溫到200度以下，所以鈦材焊縫需要一段一段的施工。

4 鈦材的發展現狀及展望

近年來，鈦材作為一種優良的耐蝕材料和一種重要的結構金屬，因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。除了應用在航空航太工業、船舶工業、制鹽工業、氯堿工業中外，還憑借其耐氯離子，耐腐蝕、傳熱的性能特點，推廣用于工業廢水的處理工業中。

東江環保股份有限公司從事廢物處置中，有大量的氨氮廢水需要處理，主要工藝就是蒸發濃縮減量化處理，應用了MVR和普通蒸發系統，早期設備采用316L類不銹鋼，有些地方耐腐蝕性可以滿足要求，但主體換熱器仍不耐腐蝕。后借鑒制鹽行業經驗，主體換熱器和濃縮母液管路都用鈦材，取得滿意效果。值得注意的是，東江公司位于惠州的處理基地，有鎳渣回收處理后廢水，含有氯離子、硫酸根離子、硝酸根離子，做鈦材90攝氏度下掛片試驗時，鈦材（TA1、TA2）仍有輕微腐蝕的情況，最后，決定對此廢水進行預處理，去硫酸根、硝酸根離子，至此，鈦材耐腐蝕良好。

5 結語

隨著社會經濟的快速發展，各領域鈦材應用范圍擴大，尤其是氯堿工業領域和航空航天、船舶海洋領域對鈦的需求量不斷擴大。但鈦提煉困難，造價較高；而且存在鈦材需求個性化差異，擴大鈦合金品種的研制，革新提煉技術，實現材料個性化的性能，又保證材料價格可控，為人類文明做出更大的貢獻。

參考文獻

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