新型镍基合金材质在片碱生产系统的应用

任勇强，王潇

(新疆圣雄氯碱有限公司，新疆 吐鲁番 838000)

新疆圣雄氯碱有限公司(以下简称“圣雄氯碱”)降膜法片碱生产装置中接触高温、高浓度碱的设备、管线均采用纯镍材质。纯镍材质的设备、管线比其他材质的使用寿命长，但价格昂贵，导致片碱生产成本居高不下。为进一步延长设备、管线的使用寿命，降低片碱生产成本，圣雄氯碱技术人员研发了一种比纯镍更耐腐蚀、价格相对较低的新型材质——镍基合金。

1 纯镍设备在片碱生产中的使用情况

电解生产的32%碱液(质量分数，下同)在蒸发工序通过浓缩换热被提浓至70%，之后在最终浓缩器与410 ℃左右的熔盐进行换热，质量分数由70%增至98.5%以上，再通过片碱机制成片碱，包装后外售。在生产片碱的过程中，最终浓缩器降膜管为片碱工序的关键部件，其使用寿命是影响片碱工序能否连续、稳定运行的一个重要指标。

1.1 纯镍材质的降膜管

降膜管作为碱与熔盐换热的主要部件，内管的碱质量分数由70%提升至98.5%，温度在400 ℃左右，而管外即夹套内熔盐温度也在410 ℃左右。针对此种苛刻的工况，国内厂家一般采用纯镍材质(Ni4、Ni201)的降膜管，以防止高温、高浓度碱液的腐蚀，而降膜管的使用寿命从3个月到18个月不等。因镍材昂贵，每年更换降膜管产生的费用居高不下；同时，因停车更换降膜管，产生的头、尾碱较多，造成生产成本增加。

1.2 纯镍材质的下碱管

成品分离器98.5%碱经过下碱管流至再分配器。碱浓度高、温度高、流速快，对管线腐蚀较大，管线发生泄漏时，只能停车补焊。管线使用12个月左右，就因壁厚减薄进行更换。

2 镍基合金材质的研发

为使降膜法片碱装置安全、稳定、长周期运行，同时为降低降膜管的采购费用，降低片碱生产成本，圣雄氯碱与多家设备制造商沟通交流，分析了降膜管的腐蚀原因，并查找文献资料，分析在熔融碱工况下可使用的相关材料的特性。最终确定寻找新型材料替代纯镍材质的方案，要求新型材料在机械强度、抗氧化腐蚀性及传热效率等方面要优于纯镍材质，并且价格相对较低，在延长降膜管使用寿命的基础上，降低采购价格，降低片碱的生产成本。

从提高材质机械强度、抗氧化腐蚀性和传热性能等方面考虑，在纯镍中加入C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu、Ti等元素，通过调整各元素比例，满足镍基合金材料在高温、高浓度融熔碱环境中所需的机械强度、抗氧化腐蚀性、热传导性和使用寿命。

3 镍基合金材质在片碱生产中的应用

3.1 镍基合金材质的降膜管

第1根镍基合金材质降膜管于2017年1月9日投入使用，于2018年5月发生泄漏，使用周期接近16个月，超过镍材降膜管平均寿命。从2018年5月开始，圣雄氯碱将泄漏的纯镍降膜管全部更换为镍基合金降膜管，经过2年多的使用证明，镍基合金降膜管平均使用寿命可达到12个月。证明该材质耐腐蚀性不差于纯镍材质。

3.2 镍基合金材质的管线

用镍基合金材质替换最终浓缩器至再分配器的熔融碱管道(壁厚4.0 mm)，于2018年4月更换，投用至今无泄漏情况，测量管线壁厚为3.1～3.2 mm。

3.3 镍基合金材质的片碱机转鼓

片碱机转鼓外侧与高温、98.5%熔融碱接触，内侧通30 ℃冷却水，冷却凝固熔融碱。片碱机转鼓为碳钢材质，使用过程中，发生点腐蚀，转鼓受冷热应力变形，沾碱不均匀；刮刀刮碱后成片效果差，粉末率高，片碱板结严重。为提高片碱质量，降低片碱粉末率，须更换转鼓鼓面。碳钢材质鼓面使用周期平均在14个月，使用周期短，更换鼓面的工作量大、风险高。

用镍基合金板材制作片碱机转鼓替代碳钢材质的转鼓，降低了高浓度碱对鼓面的腐蚀速率，延长片碱机转鼓使用寿命。在正常生产中，镍基合金转鼓刮碱厚度为1.3～1.5 mm，较碳钢转鼓刮碱厚度增加约0.5 mm，降低了片碱包装过程粉末率，提高了产品质量。

4 镍基合金材质的推广应用

镍基合金材质中加入铬、钼、钛、铜提高了降膜管材质的硬度、抗氧化性和传热系数，镍基合金降膜管平均寿命可达12个月;镍基合金材质中镍质量分数38%～46%，同等规格板材或管材的镍基合金价格为纯镍价格的30%～40%，相应制造出来的设备价格要低,因此，用镍基合金设备代替纯镍设备，降低了设备采购费用；同时，片碱生产装置能连续、稳定地运行，节约了生产成本。

镍基合金材料在高温、高浓度的碱性环境中使用时间超过1年，表明新材料完全可以替代片碱生产工序的纯镍材设备及管道，乃至电解工序的镍材设备。