摘要：被授予“21世纪金属的钛及钛合金，由于其具有密度小、强度高、优良的耐热、耐腐蚀性及断裂韧性等优点，在航空、化工、冶金、医疗等领域得到广泛应用。本文主要阐述了钛及钛合金的主要性质，以及钛材料与钛制设备在镍湿法冶金和电解行业中的具体应用特点。
关键词：腐蚀 钛制反应釜 钛制换热器 钛种板
1、前言
自从1789年，英国化学家马克·格列戈尔从矿石中发现钛金属，到1910年人类第一次制得纯净的钛及上世纪三十年代钛成为实用材料，钛的发展经历了漫长的岁月，故钛有“迟到的金属”之称。上世纪五十年代初期，钛材大量用于军事事业，直到七十年代以后，钛材才开始在化工行业和冶金行业中逐渐开始使用，解决了严重困扰企业生产中腐蚀问题。因此，钛作为一种新兴的耐腐蚀材料，在我国化工和冶金行业中的使用，获得了极大的成功，并取得了显著的社会效益和经济效益。
我公司是集采、选、冶、化为一体的综合大型有色企业，主打产品为硫酸镍、氯化镍、电解镍，吉恩牌高纯硫酸镍被评为国家级新产品称号。自上世纪九十年代，企业在湿法冶金工业技术改造中，大量地选用钛材、钛制设备，其中包括塔、釜、槽、罐、各种换热器、搅拌器、泵、阀、管道等，已有二十年以上的使用实践，成功解决了SO4—、Cl—离子对设备的腐蚀问题。
2、钛的基本性能：
2.1钛材的室温力学性能：
钛含量不低于99%，被称为工业纯钛，工业纯钛具有良好的塑性、适当的强度以及良好的冷热加工性能。我国工业纯钛及钛合金分为：TA1、TA2、TA3……，TC1、TC2、TC3……等若干等级。钛材的室温力学性能见表2-1。
表2-1 钛材的室温力学性能
2.2钛材的耐热性能和耐低温性能：
钛材的耐热性能好，新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用，钛合金和TA4、TA7等，可在-196℃～253℃的低温下保持较好的延性及韧性，避免了金属冷脆性，是低温容器的理想材料。
2.3钛材的耐腐蚀性
钛在很多介质中很稳定，都呈现出特别优异的耐腐蚀性。这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使由于机械磨损，也会很快自愈或重新再生，这说明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。钛的耐腐蚀特性表现在以下几个方面：
2.3.1 对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀，如淡水、海水、湿氯气、硫酸、硝酸、醋酸等，但对强还原性和无水强氧化性等介质不耐腐蚀，如发烟硝酸、氢氟酸、浓度大于3%的盐酸等。钛材在硫酸、盐酸中耐腐蚀性见表2-2和表2-3：
表2-2 钛对硫酸浴液的耐腐蚀性（自然通气）
表2-3 钛对盐酸浴液的耐腐蚀性（通气）
2.3.2钛在大多数碱性溶液中具有良好的耐腐蚀性能，在室温下氢氧化钡、氢氧化镁、氢氧化钠的饱和溶液中不受腐蚀，即使在高温、高浓度氢氧化钠溶液中，也有较强的耐腐蚀能力。
2.3.3钛与其他金属在几种浓度的氢氧化钠溶液中腐蚀数据见表2-4.
表2-4 金属在5～14%NaOH中的腐蚀率
3、镍湿法冶金中，几种常用钛制设备
近几年，国内国外镍湿法冶金工艺中，越来越多钛制设备被广泛应用，包括反应釜、搅拌器、各种形式的换热器、塔器、泵和阀门等，在镍电解工艺中，采用钛材作为种板，具有其他材料无法比拟的效果。
3.1 衬钛反应釜（槽）和钛钢复合板反应釜（槽）
钛在室温下强度很高，但温度超过200℃时强度显著下降，因此采用各级工业纯钛制造的全钛压力容器的许用温度不得超过150℃。对于较大的常压容器，也可选用衬里结构，衬里厚度通常为1.5mm～2mm，还需考虑失稳增强措施。为了降低设备材料费和施工方便，衬里厚度在满足下列条件时尽量减薄：（1）容器的使用寿命；（2）腐蚀和腐蚀裕度；（3）制造工艺的要求（4）使用条件（包括温度、开停车的频繁程度等）；由于衬里与筒壁之间易形成间隙，还有钛的热膨胀系数较钢小1/3，因此钛衬里设备的最高使用温度应小于205℃，松衬里容器不适用于真空或要求器壁传热的场合。钛衬里不得在碳钢外壳上直接焊接，否则会形成脆性的金属化合物，影响焊缝质量，为此，常采用在外壳上放平垫板的对接焊或瓦片式搭接焊。鉴于以上原因，在镍的浸出过程中，钛衬里设备只能用于常压浸出。
对于高温、有压力的镍浸出设备，为了使其更加经济合理，宜采用钛钢复合板设备制作。用钛钢复合板制造的设备，内层钛耐腐蚀，外层钢具有强度高、韧性好的特点。这种钛钢复合板是采用爆破压结的方法或更先进的特殊工艺，使复合板的复层（钛层）与基层（钢层）连成一体，并具有一定的结合强度和良好的导热性，故能承受热应力与真空吸力，可以在苛刻的工况下工作，故钛钢复合板制作的设备能用于高温、高压或真空及经常波动的、有传热要求和衬里上需焊接内件的场合，其最高使用温度可达350℃，因此，在镍的浸出过程中，可做为加压反应釜或真空蒸发塔等设备。我公司从1996年开始使用钛钢复合板反应釜，该釜由沈阳市中兴钛制设备厂制造，体积为2m3，用于镍的氧气加压浸出工艺，这也是在国内帅先将钛材质设备用在氧气浸出工艺上。2001年开始，我公司扩建硫酸镍产能，加压浸出用的钛钢复合板浸出釜体积增至20m3。
经过十几年的使用实践证明，钛钢复合板加压釜质量可靠，性能稳定，不仅大大提高了耐腐蚀能力，增加了反应釜使用寿命，而且也降低了硫酸镍的制造成本，给公司生产带来了可观的利润。
3.2钛换热器
用钛材料作为换热元件具有以下优点：（1）管壁较薄，传热效果好；（2）表面光洁，无垢层，污垢系数大大降低；（3）比重小，强度高，设备体积和重量小。由于上述优点，各种类型的钛制换热器在化工生产装置中应用日益增多。常见的形式有：固定管板式换热器、U型管换热器、填料函式换热器、盘管换热器、套管换热器、板式换热器等。钛制换热器从材料消耗、制造成本、使用维修等综合考虑，管板式换热器管径宜采用φ19～φ38mm，管壁厚度1.25～2.5mm，盘管式换热器的管径为φ22～φ50mm，壁厚为1.5～2.5mm，板式换热器板厚一般为0.7mm～1.2mm。我公司应用最多的是列管式钛制换热器和盘管式换热器，在氯化镍产品蒸发系统中，不仅使用列管式钛制换热器，同时也采用了板式钛换热器。
3.3钛种板
电解镍（或电解铜）生产中，设备接触含酸很高的溶液和活性离子，而钛的耐腐蚀性优异，因而成为制造电解镍（电解铜）设备的理想材料。钛作为电解镍、电解铜行业中阴极种板与不锈钢种板相比，具有更好的经济效果和优越的使用性能：
（1）钛表面的氧化膜保护了钛不被电解液腐蚀，且又不污染电解液；
（2）钛种板的始极片平直，刚性好，电解时电流密度均匀，产品结晶组织致密。
（3）钛种板上沉积镍皮（或铜皮）不易沾板，剥离极其容易，剥离率提高，减轻了劳动强度，成品率提高30%以上。
（4）不易断路烧板，延长使用寿命。
我公司在电解镍和电解铜的生产过程中，均使用了钛阴极母板，获得了良好的经济效果。
4、结束语
随着我公司冶金、电解行业的不断向前发展，钛金属也越来越受到行业人士的重视，用途越来越广。相信不久的将来，钛真正成为铁、铝之后的第三金属——未来的钢铁。
参考文献：
钛材与钛设备应用技术 氯碱工业编辑部 徐伟等编
机械设计手册（第五版） 化学工业出版社
钛制化工设备 化学工业出版社 黄嘉琥 应道宴等编
论文作者:胡宝君
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
标签：换热器论文; 衬里论文; 设备论文; 钛材论文; 金属论文; 复合板论文; 湿法论文; 《基层建设》2019年第14期论文;