何賓
(云天化國際富瑞分公司設(shè)備管理部 云南安寧 650309)
關(guān)鍵詞:風(fēng)機(jī)葉輪;鈦納米聚合物;濕法磷酸;防腐;防垢
中圖分類號:TQ630．7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004-275X(2012)04-0054-04
在濕法磷酸生產(chǎn)中，除了大量使用非金屬材料外，使用最多的材料是316L等奧氏體不銹鋼。由于磷酸具有極強(qiáng)的腐蝕性，且含有F－、SO42－、Fe3+、Al3+、Mg2+等雜質(zhì)。除Fe3+外，其它雜質(zhì)均會加速不銹鋼的腐蝕，特別是F－及Cl－更為強(qiáng)烈。尾氣風(fēng)機(jī)葉輪由于其特殊的工況，工作面既受到磷酸的腐蝕，又因其高速轉(zhuǎn)動受到尾氣的強(qiáng)烈沖刷。在腐蝕和沖刷磨蝕的雙重作用下，葉輪的使用壽命往往很短。再加上葉輪在制造過程中，會產(chǎn)生熱影響區(qū)，使奧氏體不銹鋼的晶間組織發(fā)生不同程度的變化，從而進(jìn)一步降低了葉輪的抗腐蝕性。由于磷酸的強(qiáng)腐蝕性，適用于磷酸生產(chǎn)的不銹鋼品種不多。在904、316L和310S三種材質(zhì)中，最好的是904，其次是316L，最差的是310S。904價(jià)格昂貴，采購周期較長，所以用316L較為合適。但316L材質(zhì)的葉輪使用周期只有2到3個(gè)月，難以適應(yīng)磷酸生產(chǎn)長周期的要求。
如何減少葉輪的腐蝕與磨蝕，降低檢修費(fèi)用，提高裝置運(yùn)行率，成為磷酸生產(chǎn)企業(yè)急需解決的問題。
1·鈦納米聚合物涂料
1．1 鈦納米聚合物涂料簡介
金屬鈦具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐蝕性。但因價(jià)格高昂，阻礙了其應(yīng)用。如果加工成納米級金屬粉后加入涂料中，則既能加強(qiáng)涂層的耐磨耐蝕性，又能大大降低使用成本。
以工業(yè)鈦粉為原料，在制作過程中引入助粉碎劑、分散劑、保護(hù)劑及其它必要助劑，在特定的溫度和壓力下，在高效能粉碎機(jī)上進(jìn)行機(jī)械化學(xué)反應(yīng)后即可完成鈦納米金屬粉的生產(chǎn)。然后在完全封閉的條件下應(yīng)用專利技術(shù)(中國專利號:ZL00209258．1)制備成鈦納米聚合物。實(shí)際上，就是把鈦基納米金屬粉彌散到高分子聚合物材料中，形成高分子納米復(fù)合材料，這就是鈦納米聚合物［1］。該聚合物具有下列效應(yīng)和特性［2］:
1) 表面效應(yīng)
鈦納米聚合物粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面膜張力也隨之增加，從而引起粒子性質(zhì)的變化。粒子的表面原子所處的晶體場外環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，存在許多懸空鍵，并具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其它原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定，具有很高的化學(xué)活性。
2) 小尺寸效應(yīng)
當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減小，在一定條件下，會引起材料宏觀物理性能和化學(xué)性質(zhì)上的變化，此即小尺寸效應(yīng)。因鈦納米粒子小于50nm，最小顆粒尺寸為10nm，甚至可能更小。從而引起了鈦納米聚合物在物理、化學(xué)性質(zhì)上產(chǎn)生變化。
3) 鈦納米聚合物特性
①小于可見光波的波長，失去鈦金屬原有的銀白色而變成黑色。
?、阝伡{米聚合物具有導(dǎo)電性，可用于防靜電材料。
③鈦納米粒子比傳統(tǒng)的粗晶鈦材硬得多，可制造耐磨材料。
?、茆伡{米聚合物由于微小納米粒子的填充作用，表面膜光滑度很高，近壁流層薄，不易結(jié)垢。
1．2 鈦納米聚合物涂料的防腐耐磨和抗垢機(jī)理
用鈦納米聚合物做活性填料和偶聯(lián)劑改性制成成品的涂料就是鈦納米聚合物涂料。其防腐蝕耐磨和抗垢機(jī)理如下:
1)分子間化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附
鈦納米粒子的高活性懸空鍵以化學(xué)鍵合和化學(xué)吸附的形式與聚合物配位。同時(shí)將聚合物閉環(huán)打開，形成開環(huán)的羥基與醚鍵，進(jìn)一步與樹脂進(jìn)行化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附，并形成新的活性開環(huán)與基材表面發(fā)生化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附。這極大改善了填料與樹脂間以及樹脂分子之間的結(jié)合力，由普通涂料的物理結(jié)合轉(zhuǎn)變成化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附。
2)抗?jié)B透耐腐蝕原理
第一，鈦納米聚合物涂料與樹脂分子之間以化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附相結(jié)合，致密性高，結(jié)合緊密，阻塞了腐蝕介質(zhì)滲透通道。一般涂層的破壞都是由于腐蝕介質(zhì)沿分子和填料間的界面或樹脂分子間的界面而進(jìn)行的，鈦納米聚合物涂料用化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附阻塞了這些通道，因此更耐腐蝕。
第二，微小的鈦納米聚合物粒子具有填充空穴的作用，由于鈦納米聚合物根本不溶于水，水、氧和其它離子不能透過顆粒本身，只能繞道滲透，延長了滲透路線，大大減緩了腐蝕速度。鈦納米聚合物比表面積很大又有化學(xué)作用，所以加入少量就能起到顯著的抗?jié)B效果。
第三，鈦納米聚合物有憎水性，阻止水、氧及其它腐蝕介質(zhì)的取代作用，使其不易發(fā)生腐蝕反應(yīng)。通常的極性介質(zhì)和離子很難通過涂膜。其高抗?jié)B透性，可抗汞的滲透。所以耐腐蝕性好。
3)附著力強(qiáng)
第一，如前所述，鈦納米聚合物增加了活性羥基、醚鍵的數(shù)量，對涂敷面形成了化學(xué)吸附;第二，所選樹脂固化時(shí)體積收縮很小，內(nèi)應(yīng)力不高;
第三，樹脂中的醚鍵使分子鏈柔軟便于旋轉(zhuǎn)，可消除內(nèi)應(yīng)力，所以附著力強(qiáng)。鈦納米聚合物涂料對于金屬、混凝土、木材、玻璃、塑料等不同材質(zhì)均有優(yōu)良的附著力。
4)耐磨蝕
鈦材本來就是耐腐蝕、耐磨材料，超級細(xì)化成納米粒子，排列更好，其致密性更強(qiáng)，比粗晶粒子更為耐腐、耐磨。
5)抗垢性能好
首先，粗糙的表面會增加液體流動的阻力，減小流速，增加近壁流層的厚度，造成更多的結(jié)垢核心，使污垢沉積長大。而鈦納米聚合物涂料由于微小納米粒子的填充作用表面光滑度很高，近壁流層薄，不利于結(jié)垢。其次，鈦納米聚合物與化學(xué)結(jié)構(gòu)形成親油憎水表面，一方面能對污垢粒子整形使其排列整齊，不形成垢質(zhì)分子交錯(cuò)的硬垢;另一方面排斥污垢粒子，使其不能粘附到涂層表面上，從而達(dá)到防垢的目的。
2·鈦納米聚合物涂料的應(yīng)用
我公司磷酸廠一期磷酸尾氣風(fēng)機(jī)由美國魯濱遜公司制造，風(fēng)機(jī)流量為124680m3/h，轉(zhuǎn)速980r/min，功率為250kW。2005年2月26日投用，運(yùn)行正常，但到同年12月21日風(fēng)機(jī)葉輪被腐蝕損壞。之后，風(fēng)機(jī)葉輪因?yàn)椴馁|(zhì)的原因，頻頻損壞，成為影響磷酸長周期生產(chǎn)的不利因素。
在先后試用316L、310S等材料和VS-12耐磨涂料后，于2006年4月開始用鈦納米聚合物涂料對磷酸風(fēng)機(jī)葉輪作防腐蝕耐磨試驗(yàn)。我公司磷酸廠一期30萬t磷酸尾氣風(fēng)機(jī)葉輪的使用情況見表1所示。
表1 富瑞分公司磷酸廠一期30萬t磷酸尾氣風(fēng)機(jī)葉輪的使用情況見
鈦納米聚合物涂料雖然耐磨蝕和耐腐蝕，但易脆斷，在運(yùn)輸和吊裝過程中不能撞擊，在使用清理時(shí)也不能敲擊。一旦受到撞擊使涂料層出現(xiàn)裂紋，輕則會在使用中被F－沿裂紋滲透，造成腐蝕，重則當(dāng)場脫落，失去防護(hù)功能。表1中14、16(序號，下同)葉輪就是在運(yùn)輸和吊裝中損壞局部涂層后，減少了使用壽命。19、20葉輪則是清理不慎，損壞局部涂層后導(dǎo)致使用時(shí)間短的情況。
此外，為了加強(qiáng)涂料的附著力和強(qiáng)度，可在涂料中增加碳纖維作為骨架，能較好地改善鈦納米聚合物涂料的性能，增加風(fēng)機(jī)葉輪的使用壽命。18、22、25葉輪就是作了這方面的改進(jìn)，可以看到它們的使用壽命幾乎與原裝904葉輪的相同。21、23、24葉輪使用時(shí)，未達(dá)到理想運(yùn)行時(shí)間的原因是裝置清理或檢修時(shí)，對葉輪作預(yù)防性更換維修，所以使用時(shí)間相對較短。
通過上述歷時(shí)一年多的實(shí)踐，證明鈦納米聚合物涂料能滿足磷酸生產(chǎn)。為了更多地降低檢修費(fèi)用，曾將原316L材質(zhì)的葉輪改為碳鋼/鈦納米聚合物涂料，23的葉輪就是這樣制作的。為了確認(rèn)鈦納米聚合物涂料的適用性，同時(shí)還制作了碳素鋼/玻璃鱗片的葉輪，但兩相比較，還是鈦納米聚合物涂料的使用效果顯著。因此，二期30萬t磷酸裝置的尾氣風(fēng)機(jī)也換成了鈦納米聚合物涂料的葉輪，使用正常。
在試制和使用到序號為第26的葉輪時(shí)，已在磷酸生產(chǎn)實(shí)踐中證明尾氣風(fēng)機(jī)葉輪采用鈦納米聚合物涂料后，運(yùn)行良好可靠。隨著制作、使用該涂料防護(hù)葉輪的水平不斷提升，以及采用變頻器適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速后，我公司磷酸廠尾氣風(fēng)機(jī)葉輪的使用壽命大大提高，基本上半年更換一次。如涂裝使用情況良好時(shí)，使用時(shí)間更長。例如一期30萬t磷酸裝置風(fēng)機(jī)葉輪就從2011年5月9日使用到2012年1月11日，二期30萬t磷酸裝置風(fēng)機(jī)葉輪則從2011年4月8日使用到2011年12月16日，兩套裝置的葉輪均因?yàn)檠b置檢修才更換，扣除其間的裝置計(jì)劃停車清理等時(shí)間，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間各約7個(gè)多月，均達(dá)5000多小時(shí)。
目前，我公司磷酸尾氣風(fēng)機(jī)葉輪在316L的基體上涂裝鈦納米聚合物涂料后再投入使用已經(jīng)成為常規(guī)模式，效果良好。
3·結(jié)語
經(jīng)過我公司和合作單位近年來的探索應(yīng)用和不斷改進(jìn)，證明鈦納米聚合物涂料是磷酸風(fēng)機(jī)葉輪防腐耐磨的好材料。如該涂料的性能和使用方法還能繼續(xù)改善，使用維護(hù)得當(dāng)，則能更好地延長葉輪的使用壽命，降低檢修費(fèi)用和生產(chǎn)成本，保障生產(chǎn)能穩(wěn)定地長周期運(yùn)行。
參考文獻(xiàn):
?。?］薛峻峰．材料的耐蝕性和適用性手冊［M］．北京:知識產(chǎn)權(quán)出版社，2001．
?。?］薛峻峰，薛富津．鈦納米聚合物涂料的制備與應(yīng)用［J］．涂料工業(yè)，2004，(12):54-56．