何賓
(云天化國際富瑞分公司設備管理部 云南安寧 650309)
關鍵詞:風機葉輪;鈦納米聚合物;濕法磷酸;防腐;防垢
中圖分類號:TQ630．7 文獻標識碼: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－更為強烈。尾氣風機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，從而進一步降低了葉輪的抗腐蝕性。由于磷酸的強腐蝕性，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個月，難以適應磷酸生產(chǎn)長周期的要求。
如何減少葉輪的腐蝕與磨蝕，降低檢修費用，提高裝置運行率，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穩(wěn)定性和耐蝕性。但因價格高昂，阻礙了其應用。如果加工成納米級金屬粉后加入涂料中，則既能加強涂層的耐磨耐蝕性，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，在高效能粉碎機上進行機械化學反應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用專利技術(中國專利號:ZL00209258．1)制備成鈦納米聚合物。實際上，就是把鈦基納米金屬粉彌散到高分子聚合物材料中，形成高分子納米復合材料，這就是鈦納米聚合物［1］。該聚合物具有下列效應和特性［2］:
1) 表面效應
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，具有很高的化學活性。
2) 小尺寸效應
當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性質(zhì)上的變化，此即小尺寸效應。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、化學性質(zhì)上產(chǎn)生變化。
3) 鈦納米聚合物特性
?、傩∮诳梢姽獠ǖ牟ㄩL，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理如下:
1)分子間化學鍵合與化學吸附
鈦納米粒子的高活性懸空鍵以化學鍵合和化學吸附的形式與聚合物配位。同時將聚合物閉環(huán)打開，形成開環(huán)的羥基與醚鍵，進一步與樹脂進行化學鍵合與化學吸附，并形成新的活性開環(huán)與基材表面發(fā)生化學鍵合與化學吸附。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)變成化學鍵合與化學吸附。
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鍵合與化學吸附相結(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行的，鈦納米聚合物涂料用化學鍵合與化學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。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
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吸附;第二，所選樹脂固化時體積收縮很小，內(nèi)應力不高;
第三，樹脂中的醚鍵使分子鏈柔軟便于旋轉(zhuǎn)，可消除內(nèi)應力，所以附著力強。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，超級細化成納米粒子，排列更好，其致密性更強，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，從而達到防垢的目的。
2·鈦納米聚合物涂料的應用
我公司磷酸廠一期磷酸尾氣風機由美國魯濱遜公司制造，風機流量為124680m3/h，轉(zhuǎn)速980r/min，功率為250kW。2005年2月26日投用，運行正常，但到同年12月21日風機葉輪被腐蝕損壞。之后，風機葉輪因為材質(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機葉輪作防腐蝕耐磨試驗。我公司磷酸廠一期30萬t磷酸尾氣風機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磷酸尾氣風機葉輪的使用情況見
鈦納米聚合物涂料雖然耐磨蝕和耐腐蝕，但易脆斷，在運輸和吊裝過程中不能撞擊，在使用清理時也不能敲擊。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，重則當場脫落，失去防護功能。表1中14、16(序號，下同)葉輪就是在運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，損壞局部涂層后導致使用時間短的情況。
此外，為了加強涂料的附著力和強度，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，增加風機葉輪的使用壽命。18、22、25葉輪就是作了這方面的改進，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，未達到理想運行時間的原因是裝置清理或檢修時，對葉輪作預防性更換維修，所以使用時間相對較短。
通過上述歷時一年多的實踐，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。為了確認鈦納米聚合物涂料的適用性，同時還制作了碳素鋼/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磷酸裝置的尾氣風機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，已在磷酸生產(chǎn)實踐中證明尾氣風機葉輪采用鈦納米聚合物涂料后，運行良好可靠。隨著制作、使用該涂料防護葉輪的水平不斷提升，以及采用變頻器適當降低風機的工作轉(zhuǎn)速后，我公司磷酸廠尾氣風機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，使用時間更長。例如一期30萬t磷酸裝置風機葉輪就從2011年5月9日使用到2012年1月11日，二期30萬t磷酸裝置風機葉輪則從2011年4月8日使用到2011年12月16日，兩套裝置的葉輪均因為裝置檢修才更換，扣除其間的裝置計劃停車清理等時間，實際運行時間各約7個多月，均達5000多小時。
目前，我公司磷酸尾氣風機葉輪在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用和不斷改進，證明鈦納米聚合物涂料是磷酸風機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，使用維護得當，則能更好地延長葉輪的使用壽命，降低檢修費用和生產(chǎn)成本，保障生產(chǎn)能穩(wěn)定地長周期運行。
參考文獻:
?。?］薛峻峰．材料的耐蝕性和適用性手冊［M］．北京:知識產(chǎn)權出版社，2001．
?。?］薛峻峰，薛富津．鈦納米聚合物涂料的制備與應用［J］．涂料工業(yè)，2004，(12):54-56．
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