哈氏合金及SMO254材质冷却器在特定环境下的使用效果对比

余博文,龙志平

(青海铜业有限责任公司，青海 西宁 810000)

真空蒸发结晶硫酸镍工艺因设备简单、投资少、容易操作，而被国内各铜冶炼厂广泛采用。但该工艺中存在板式冷却器腐蚀的问题，制约着该工艺的产能和效率。本文结合铜电解中硫酸镍生产实际，选用哈氏合金与SMO2542种材质的冷却器，对比2种材质的冷却器在特定环境下的耐腐蚀性能，分析其腐蚀原因并从生产工艺角度优化工况，寻求生产与设备使用寿命的平衡点，给铜电解硫酸镍蒸发工艺设备选用提供参考。

1 工艺条件概述

铜冶炼行业中，电解液净化工艺必不可少，普遍采用脱铜电解、真空蒸发结晶硫酸镍工艺：二段脱铜后液经泵送至硫酸镍高位槽，然后流入粗硫酸镍蒸发釜进行真空蒸发。蒸发后液泵入硫酸镍预冷槽进行水冷，后送至粗硫酸镍结晶槽进行冷冻结晶，结晶母液通过压滤机进行压滤，压滤后得到含镍约20%的粗硫酸镍。硫酸镍蒸发工艺流程如图1所示。

图1 硫酸镍蒸发工艺流程图Fig.1 Process flow chart of nickel sulfate evaporation

由图1可以看出，冷却器是蒸发工艺的关键设备，用于冷却从蒸发釜抽出的高温酸气。经过冷却后的酸气凝结成酸性液体流入汽水分离器，以自流的形式汇集到冷凝液储槽；硫酸镍真空蒸发工艺主要技术条件如表1所示。

表1 硫酸镍真空蒸发主要工艺技术条件Tab.1 Main technical conditions of vacuum evaporation of nickel sulfate

由表1可知，蒸发釜抽吸出来的酸气温度为90～110 ℃，酸气冷凝液主要成分为质量浓度30 g/L的硫酸溶液，同时含有质量浓度低于0.015 g/L的氯离子。

原硫酸镍蒸发工序在前期生产时，由于酸气温度较高，频繁导致板式冷却器腐蚀报废，曾先后试用过哈氏合金和SMO2542种材质的冷却器。

2 2种材质的冷却器使用情况

硫酸镍蒸发工序有1、2、3号计3台板式冷却器，工艺条件一致且稳定。其中1、3号冷却器为SMO254材质，换热面积11 m2，板片厚度0.6 mm，自2019年5月开始投入使用经7个月发生板式冷却器内漏。解体板式冷却器检查发现高温酸气进口处出现腐蚀，具体如图3所示。

图2 1、3号板式冷却器腐蚀情况Fig.2 Corrosion of No. 1 and No. 3 plate coolers

2号冷却器为哈氏合金C-276材质，换热面积11 m2，板片厚度0.6 mm，于2019年12月投入使用经20 d发生内漏，解体板式冷却器检查发现腐蚀位置同样为高温酸气进口处；具体如图3所示。

图3 2号板式冷却器腐蚀情况Fig.3 Corrosion of No.2 plate cooler

3 结果与讨论

以上2种材质的板式冷却器均在同样的工艺条件下使用，除了材质不同，其换热面积以及板片厚度均一致；使用效果直接反映了2种材质在特定工艺条件下的耐腐蚀能力。具体腐蚀区域如图4、图5深色区域所示。

图4 腐蚀区域示意图Fig.4 Schematic diagram of corrosion area

图5 冷却区域示意图Fig.5 Schematic diagram of cooling area

3.1 冷却器板片腐蚀区域分析

从图4可以看出，2种材质的板式冷却器腐蚀部位均为高温酸气进口处，且呈现扇形区域腐蚀。

对比图4和图5可以看出：腐蚀区域与未冷却区域重合，冷却介质无法冷却高温酸气进口区域，说明冷却器高温酸气进口处的扇形区域换热效果较差，形成长时间的高温干烧。

3.2 冷却器板片材质分析

哈氏合金是一种镍基耐腐蚀合金，分镍-铬合金与镍-铬-钼合金2大类。此次使用的冷却器材质哈氏合金是C-276镍-铬-钼类合金，C-276主要化学成分(质量分数)如表2所示。

表2 C-276主要化学成分Tab.2 The main chemical composition of C-276

由表2可知，C-276合金含镍量超过50%，以铬、钼作为主要的合金元素，具有良好的耐腐蚀性和热稳定性，广泛用于热交换、化工、航天等领域。

SMO254是一种奥氏体不锈钢，国内代号00Cr20Ni18Mo6CuN，其主要化学成分(质量分数)如表3所示。

表3 SMO254主要化学成分Tab.3 Main chemical composition of SMO254

由表3可知，SMO254含有较高的镍、铬、钼元素，同样具有良好的耐腐蚀性，广泛用于海水热交换、环保、能源、化工等领域。

C-276和SMO254材料在硫酸介质中的耐腐蚀曲线，具体结果如图6所示。由图6可知，2种材质在硫酸介质环境下均具有优良的耐腐蚀性。在特定的硫酸质量浓度为30 g/L条件下(硫酸浓度<10%)，C-276耐受极限温度接近100 ℃，SMO254材质的耐受极限温度接近95 ℃；C-276材质耐腐蚀温度极限略高于SMO254材质。

图6 C-276及SMO254耐腐蚀曲线(年腐蚀量0.1 mm)Fig.6 C-276 and SMO254 corrosion resistance curve (annual corrosion amount 0.1 mm)

实际应用过程中，C-276材质冷却器仅用了20 d，其表现跟耐腐蚀曲线对比结果相反。这原因可能是在高温酸气高速冲刷环境下，SMO254材质钝化膜耐冲刷能力优于哈氏合金C-276钝化膜，最终导致C-276材质腐蚀速度高于SMO254材质。

3.3 工艺分析

板式冷却器板片采用反对称结构，板间安全承压能力约25 Bar。机械强度满足使用工况，能够有效抵抗流体坚硬颗粒对板片的冲击。同时，酸性介质与冷却介质的温差、流量不同，实行非对称流道，保证了板间流速稳定，提高了换热效果。板面采用等截面的人字波纹，角孔一致。因而，排除了因产品加工质量造成腐蚀的可能。

板式冷却器进口酸气温度在90～110 ℃，可见真空蒸发结晶硫酸镍工艺中酸气温度在2种材质腐蚀临界点。

4 延长板式冷却器寿命的措施

通过对腐蚀区域、材质、工艺3个方面的分析可知，SMO254材质更加适应真空蒸发结晶硫酸镍工艺环境。同时，板式换热器和板式冷却器是同一种产品，只是使用场合的区别。由于密封条的设计特点，在高温酸性工况条件下板式冷却器介质进口更容易发生局部腐蚀。另外，还可以得出2个关于延长板式冷却器寿命的措施：

4.1 改进冷却器的密封胶条

腐蚀区域与未冷却区域重合，冷却介质无法冷却高温酸气进口区域，如果将密封胶条改成图7所示密封形式(深色表示冷却区域)，可以极大改善高温酸气进口区域的换热效果，避免长时间高温干烧造成的腐蚀。

图7 改进后的密封形式和冷却区域Fig.7 Improved seal form and cooling area

4.2 降低高温酸气温度

将反应釜蒸发出来的酸气温度严格控制在80 ～90 ℃，使酸气温度在材质腐蚀临界点以下，从而延缓材质腐蚀速度，提高冷却器使用寿命。

5 结语

综上所述，适当降低高温酸气温度和改善冷却区域(通过改进冷却器的密封胶条实现)是延长板式冷却器寿命的有效措施。在后期的生产过程中，将酸气温度控制在95 ℃以下，SMO254材质板式冷却器使用寿命延长至1年，但腐蚀区域并无改变。相信随着密封胶条改进，板式冷却器的寿命将进一步延长，从而降低维护成本。