1、前 言
鈦及鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優(yōu)點(diǎn) [1] ，在航空、航天、造船等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。尤其是其耐腐蝕性能優(yōu)良，使得鈦制設(shè)備具有鋼制、鋁制、銅制設(shè)備無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，雖然鈦設(shè)備價(jià)格較高，但使用壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低，有利于降低原材料和能源消耗，改善勞動(dòng)條件，利于環(huán)保，從而獲得很高的經(jīng)濟(jì)效益，廣泛應(yīng)用于酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)條件下的罐（塔）、換熱器、輸送管道等，在石油、化工、電力、冶金、海洋工程等工業(yè)領(lǐng)域是重要的結(jié)構(gòu)材料。目前國(guó)內(nèi)常用于制造鈦制設(shè)備或容器的鈦材品種有：工業(yè)純鈦 TA1、TA2，鈦鈀合金 Ti-0.2Pd，鈦鉬鎳合金Ti-0.3Mo-0.8Ni，鈦鉬鋯合金 Ti-15Mo-5Zr 等 [2] 。根據(jù)使用情況有著不同的選擇。
2、鈦制設(shè)備的應(yīng)用
2.1 石油工業(yè)
鈦在有機(jī)化合物中，除了溫度較高的 5 種有機(jī)酸（甲酸、乙酸、草酸、三氯乙酸和三氟乙酸）外，都具有非常好的穩(wěn)定性，是石油煉制和石油化工中優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料 [1] 。在石油化學(xué)工業(yè)中除反應(yīng)器、冷凝器、管道使用鈦外，在石油鉆井設(shè)備中也使用鈦。在 6000 m 深的含硫氣井內(nèi)，壓力為 140 MPa，溫度為 262 ℃，含硫化氫和鹽等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)
（pH=5~5.5），只有鈦合金適用 [1] 。
國(guó)外煉油廠中鈦正成功的使用于酸性水汽提塔、原油架空冷凝器、中間吸收交流換熱器、脫酸劑分餾塔，鈦還可以用來制作各種熱交換器、反應(yīng)器、高壓容器和蒸餾塔等。
2.2 電力工業(yè)
電力工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)工業(yè)，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)和先行產(chǎn)業(yè)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)近年來快速發(fā)展，許多地方電力供應(yīng)緊張，目前每年新增裝機(jī)量 2.5×10 7 kW 以上。
鈦在含有氯化物、硫化物等許多腐蝕性較強(qiáng)的熱水中具有較好的穩(wěn)定性，因此鈦大量在火力發(fā)電廠中用作熱交換器的冷卻管。
火電站和核電站過去都用的是鋁青銅冷凝器，但沿海的電站所用冷卻水是海水，有些內(nèi)陸電站用的冷卻水污染嚴(yán)重，對(duì)冷凝器具有較強(qiáng)的腐蝕性。
在這種環(huán)境下，鈦明顯優(yōu)于鋁青銅、鋁黃銅、70Cu-30Ni 和 90Cu-10Ni 等合金。盡管鈦制冷凝器一次性投資大，但壽命長(zhǎng)，減少了停機(jī)維修及更換設(shè)備所需的停產(chǎn)時(shí)間及因腐蝕泄漏而帶來的減產(chǎn)損失，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯 [1] 。
2.3 海水淡化工業(yè)
海水約占地球水資源的 97%，通過海水淡化來得到新的淡水資源是今后發(fā)展的一大趨勢(shì)。目前，它已成為中東、日本等水資源缺乏地區(qū)獲取淡水的主要方式。
海水淡化主要有 2 種方法：蒸餾法和反滲透法。
蒸餾法是將海水加熱使其汽化，然后將蒸汽冷凝而獲得淡水，其工作溫度較高，可以用鈦；反滲透法是將海水加壓，使其中的淡水透過一種特殊的膜而將鹽份截留，如此獲得淡水，其工作溫度較低，一般不用鈦。目前，蒸餾法海水淡化工藝占到世界造水量的 78%左右，一般大多采用多級(jí)蒸餾法。在多級(jí)蒸餾法中加熱器和蒸餾器則大多使用薄壁焊接鈦管。
鈦抗海水腐蝕的能力比其他所有金屬都好，無論是在靜止的或高速流動(dòng)的海水中鈦都具有特殊的穩(wěn)定性，因此鈦是海水淡化裝置的理想材料。海水淡化中應(yīng)用鈦制設(shè)備有：熱交換器、冷凝器、供水加熱管、管道、其他接觸海水設(shè)備等。
2.4 純堿工業(yè)
純堿——碳酸鈉，是最基本的化工原料之一，廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化肥、化纖、染料、紡織、玻璃、紙漿、食品和肥皂等工業(yè)中。
生產(chǎn)純堿的方法主要有天然堿法和以鹽為原料的氨堿法、聯(lián)堿法（伴生氯化銨），生產(chǎn)介質(zhì)中的 Na + 、CO 3 2- 、Cl - 等對(duì)鋼制、鑄鐵制設(shè)備及管道有著很強(qiáng)的腐蝕性。尤其是聯(lián)堿法生產(chǎn)氯化銨部分，其 Cl - 濃度更高，腐蝕更為嚴(yán)重。由于鈦對(duì) Cl -的耐蝕性能優(yōu)于常用的不銹鋼和其它有色金屬，鈦材在氨母液中的年腐蝕率幾乎為零，而且鈦換熱管傳熱效果好，設(shè)備壽命長(zhǎng)，鈦在純堿生產(chǎn)的各種主體設(shè)備上得到大范圍的推廣應(yīng)用，如鈦板式換熱器、鈦外冷器、鈦母液預(yù)熱器、碳化塔冷卻小管、鈦泵閥等 [3] 。
2.5 氯堿工業(yè)
氯堿工業(yè)是基礎(chǔ)原料化學(xué)工業(yè)，其主要產(chǎn)品有燒堿、液氯、鹽酸、聚氯乙烯及其相關(guān)產(chǎn)品，是重要的無機(jī)化工原料，廣泛用于輕紡、造紙、農(nóng)藥、醫(yī)藥、建材和冶金等行業(yè)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。
在氯堿工業(yè)的生產(chǎn)中，諸如鹽水精制、電解、氯氣處理等工序的許多物料，都具有很強(qiáng)的腐蝕性，利用鈦材對(duì)濕氯氣、次氯酸及氯酸鹽等介質(zhì)具有很強(qiáng)的抗蝕性的特點(diǎn)，較好的解決了防腐問題，使氯堿工業(yè)得到了迅速發(fā)展。
20 世紀(jì) 70 年代后期，推廣使用金屬鈦陽極隔膜電解槽代替石墨陽極電解槽。金屬鈦陽極隔膜電解槽與石墨陽極電解槽相比，陽極壽命由原來的6~9 個(gè)月，提高到現(xiàn)在的 10 年以上，同時(shí)還提高了燒堿和氯氣的產(chǎn)量與質(zhì)量以及電流效率和電流密度，降低了能耗和生產(chǎn)成本，提高了勞動(dòng)效率，并徹底消除了鉛對(duì)環(huán)境的污染，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益是
顯著的 [4] 。
20 世紀(jì) 80 年代中期，推廣采用節(jié)能、高效和無污染的現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)——離子膜法生產(chǎn)燒堿。離子膜制堿中要求鹽水的質(zhì)量極高，鹽水在進(jìn)入電解槽前的設(shè)備、管線、儀表等中不允許有任何腐蝕而帶進(jìn)鐵、鈣等重金屬陽離子。若重金屬離子含量超標(biāo)，會(huì)嚴(yán)重影響離子膜壽命，很快降低電流效率，無法體現(xiàn)離子膜制堿的優(yōu)越性，整個(gè)裝置就不能長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)。鈦材在含氯介質(zhì)中具有的極強(qiáng)耐蝕性，使得鈦在離子膜氯堿工業(yè)應(yīng)用中的重要性體現(xiàn)更加明顯。離子膜法用鈦設(shè)備有鈦陽極電解槽、配套鈦陽極液槽、儀表鈦冷卻器、次氯酸鈉鈦冷卻器、鈦制脫氯塔、管線和泵閥等，1 套萬噸級(jí)裝置用鈦量約 8 t[4] 。
2.6 焦化行業(yè)
我國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展十分迅速，對(duì)焦炭的需求量越來越大。在生產(chǎn)焦炭時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煤氣，這些煤氣需要凈化處理，同時(shí)提取硫銨、硫磺等副產(chǎn)品。
目前采用的煤氣凈化工藝主要有 AS 法（氨硫聯(lián)合洗滌法）和 HPF 法（以氨為堿源的硫氨法）。由于煤氣中含有腐蝕性極強(qiáng)的 H 2 S、NH 3 、HCN，使設(shè)備腐蝕十分嚴(yán)重。國(guó)外對(duì)焦炭生產(chǎn)主體設(shè)備均采用鈦材。我國(guó)在 20 世紀(jì) 80 年代初僅在熄焦塔撲塵裝置上應(yīng)用鈦材，90 年代以后，陸續(xù)在 AS 法煤氣凈化工程中大量采用了鈦制設(shè)備，有鈦制脫酸塔、鈦制蒸氨塔分縮器、蒸氨塔和揮發(fā)銨塔鈦塔盤、鈦板式換熱器、鈦閥門、鈦管道、鈦制儀表、流量計(jì)等，應(yīng)用效果非常好。近幾年來，我國(guó)自行研發(fā)采用 HPF新型高效復(fù)合催化劑從焦?fàn)t煤氣中脫除 H 2 S、HCN的新工藝，這種工藝已陸續(xù)在一些企業(yè)應(yīng)用，其中氨分縮器、精餾塔塔盤、氨冷凝冷卻器、熄焦撲塵裝置均采用鈦材 [5] 。
2.7 濕法冶金行業(yè)
自 20 世紀(jì) 70 年代初以來，我國(guó)的濕法冶金行業(yè)，如云南冶煉廠、上海冶煉廠、沈陽冶煉廠、金川公司、葫蘆島鋅廠等企業(yè)率先在銅電解、鎳電解、鉛鋅冶煉、貴金屬提煉中使用鈦材，制作鈦種板、鈦加熱器、鈦反應(yīng)釜等，并獲得極大成功，不僅解決了以往的腐蝕問題，且提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，取得了極其顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
以往的種板選用銅種板、不銹鋼種板，由于其在硫酸溶液下工作耐蝕性等較差，且容易燒板變形，鈦?zhàn)鳛榉N板應(yīng)用的主要優(yōu)點(diǎn)是：
1）鈦表面的氧化膜保護(hù)了鈦不被電解液腐蝕，且又不污染電解液；
2）剝離極其容易，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度；
3）成品率提高了 30%以上；
4）電銅結(jié)晶組織致密，表面光滑；
5）不易短路燒板；
6）使用壽命在 30 年以上。
以往的銅電解液加熱用鉛管或石墨管，由于鉛管、石墨管固有的性能不足，不能承受較大的蒸汽壓力，怕震動(dòng)、極易結(jié)垢等，滿足不了加熱工藝要求，經(jīng)選用鈦列管加熱器后，解決了以上問題。近幾年，鈦鋼復(fù)合工藝日趨成熟，從節(jié)約資金、滿足生產(chǎn)工藝考慮，外殼選用碳鋼，換熱管選用鈦管，不僅解決了腐蝕問題，又降低了設(shè)備的投資 [6] 。
目前濕法冶金行業(yè)應(yīng)用的鈦設(shè)備主要有：鈦真空蒸發(fā)器，用于電解硫酸銅制造銅；鈦閥，用于銅電解液的輸送；鈦板式加熱器，用于電解液的加溫；鈦反應(yīng)器或鈦復(fù)合板反應(yīng)器，用于濕法提取金屬工藝；鈦制母板易剝而不易粘板、始板片質(zhì)量較好、無需使用隔離劑、耐電解液腐蝕 4 大優(yōu)點(diǎn)使其在電解行業(yè)采用廣泛；鈦盤管則用于濕法提取銀溶液的保溫。
2.8 制藥工業(yè)
鈦在制藥業(yè)中主要用于制作容器、反應(yīng)器和加熱器等。
制藥生產(chǎn)中，設(shè)備經(jīng)常要接觸鹽酸、硝酸、硫酸等無機(jī)酸、有機(jī)酸及其鹽類，設(shè)備因腐蝕經(jīng)常損壞，同時(shí)因鋼制設(shè)備帶來的鐵離子污染影響了產(chǎn)品質(zhì)量，采用鈦制設(shè)備則能解決這些問題。例如，青霉素酯化釜、糖化罐、氯霉素薄膜蒸發(fā)器，安乃近反應(yīng)器、米吐爾過濾器、硫酸二甲酯冷卻器、藥液過濾器等都有選鈦材的先例，所生產(chǎn)的藥液的數(shù)量和質(zhì)量都在不斷提高，而且質(zhì)量完全符合中國(guó)藥典的規(guī)定。
2.9 造紙和紡織工業(yè)
鈦對(duì)二氧化氯、亞氯酸、亞氯酸鹽等漂白劑具有特殊的抗腐蝕性能。因此，鈦在紡織印染工業(yè)、造紙工業(yè)的漂白設(shè)備中有著重要的作用，例如：鈦材制造的亞漂機(jī)使用效果很好，還有在合成纖維等工業(yè)中用作噴絲頭。
在紡織工業(yè)中應(yīng)用鈦設(shè)備有：連續(xù)漂白機(jī)、反應(yīng)槽、冷凝器、熱交換管、離心分離機(jī)的泵、閥等；在造紙工業(yè)中應(yīng)用的鈦設(shè)備有：攪拌器、漂白塔、加熱鍋、反應(yīng)塔配管等。
2.10 真空制鹽工業(yè)
高溫濃鹽鹵水對(duì)真空制鹽用碳鋼設(shè)備的嚴(yán)重腐蝕直接影響了設(shè)備能力的發(fā)揮及生產(chǎn)的正常進(jìn)行，腐蝕造成設(shè)備頻繁維修，大量的跑冒滴漏。鈦及鈦合金具有優(yōu)異的抗海水及氯化物溶液腐蝕及流體沖刷的性能，良好的綜合機(jī)械性能，比強(qiáng)度高，使其在真空制鹽行業(yè)得以廣泛推廣應(yīng)用。應(yīng)用的主要設(shè)備為：鈦氨蒸發(fā)器、鈦預(yù)熱器、鈦預(yù)冷器、鈦冷凍泵、鑄鈦葉輪、鹽漿輸送管道等。
2.11 其他行業(yè)
鈦在冶金工業(yè)中應(yīng)用有：合金鋼添加劑、電解純金屬（如鋼、鎳、鈷）的陰極板和電鍍槽等。
鈦在艦艇工業(yè)中的應(yīng)用有：艦艇外殼、甲板、閥、快艇推進(jìn)器、傳動(dòng)軸、深潛艇壓力艙等。
3、結(jié) 語
我國(guó)鈦儲(chǔ)量占世界首位，從資源角度來講，我國(guó)有著發(fā)展鈦工業(yè)良好的物資保證條件。而近年來，國(guó)內(nèi)鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，隨著鈦應(yīng)用的不斷推廣以及企業(yè)對(duì)鈦認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加強(qiáng)，鈦設(shè)備在工業(yè)中的應(yīng)用將日趨廣泛，鈦制設(shè)備的研究開發(fā)也在日漸深入，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，將會(huì)為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。
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相關(guān)鏈接
