何宾
(云天化国际富瑞分公司设备管理部 云南安宁 650309)
关键词:风机叶轮;钛纳米聚合物;湿法磷酸;防腐;防垢
中图分类号:TQ630．7 文献标识码:A 文章编号:1004-275X(2012)04-0054-04
在湿法磷酸生产中，除了大量使用非金属材料外，使用最多的材料是316L等奥氏体不锈钢。由于磷酸具有极强的腐蚀性，且含有F－、SO42－、Fe3+、Al3+、Mg2+等杂质。除Fe3+外，其它杂质均会加速不锈钢的腐蚀，特别是F－及Cl－更为强烈。尾气风机叶轮由于其特殊的工况，工作面既受到磷酸的腐蚀，又因其高速转动受到尾气的强烈冲刷。在腐蚀和冲刷磨蚀的双重作用下，叶轮的使用寿命往往很短。再加上叶轮在制造过程中，会产生热影响区，使奥氏体不锈钢的晶间组织发生不同程度的变化，从而进一步降低了叶轮的抗腐蚀性。由于磷酸的强腐蚀性，适用于磷酸生产的不锈钢品种不多。在904、316L和310S三种材质中，最好的是904，其次是316L，最差的是310S。904价格昂贵，采购周期较长，所以用316L较为合适。但316L材质的叶轮使用周期只有2到3个月，难以适应磷酸生产长周期的要求。
如何减少叶轮的腐蚀与磨蚀，降低检修费用，提高装置运行率，成为磷酸生产企业急需解决的问题。
1·钛纳米聚合物涂料
1．1 钛纳米聚合物涂料简介
金属钛具有良好的化学稳定性和耐蚀性。但因价格高昂，阻碍了其应用。如果加工成纳米级金属粉后加入涂料中，则既能加强涂层的耐磨耐蚀性，又能大大降低使用成本。
以工业钛粉为原料，在制作过程中引入助粉碎剂、分散剂、保护剂及其它必要助剂，在特定的温度和压力下，在高效能粉碎机上进行机械化学反应后即可完成钛纳米金属粉的生产。然后在完全封闭的条件下应用专利技术(中国专利号:ZL00209258．1)制备成钛纳米聚合物。实际上，就是把钛基纳米金属粉弥散到高分子聚合物材料中，形成高分子纳米复合材料，这就是钛纳米聚合物［1］。该聚合物具有下列效应和特性［2］:
1) 表面效应
钛纳米聚合物粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面膜张力也随之增加，从而引起粒子性质的变化。粒子的表面原子所处的晶体场外环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，并具有不饱和性质，因而极易与其它原子相结合而趋于稳定，具有很高的化学活性。
2) 小尺寸效应
当超微颗粒尺寸不断减小，在一定条件下，会引起材料宏观物理性能和化学性质上的变化，此即小尺寸效应。因钛纳米粒子小于50nm，最小颗粒尺寸为10nm，甚至可能更小。从而引起了钛纳米聚合物在物理、化学性质上产生变化。
3) 钛纳米聚合物特性
①小于可见光波的波长，失去钛金属原有的银白色而变成黑色。
②钛纳米聚合物具有导电性，可用于防静电材料。
③钛纳米粒子比传统的粗晶钛材硬得多，可制造耐磨材料。
④钛纳米聚合物由于微小纳米粒子的填充作用，表面膜光滑度很高，近壁流层薄，不易结垢。
1．2 钛纳米聚合物涂料的防腐耐磨和抗垢机理
用钛纳米聚合物做活性填料和偶联剂改性制成成品的涂料就是钛纳米聚合物涂料。其防腐蚀耐磨和抗垢机理如下:
1)分子间化学键合与化学吸附
钛纳米粒子的高活性悬空键以化学键合和化学吸附的形式与聚合物配位。同时将聚合物闭环打开，形成开环的羟基与醚键，进一步与树脂进行化学键合与化学吸附，并形成新的活性开环与基材表面发生化学键合与化学吸附。这极大改善了填料与树脂间以及树脂分子之间的结合力，由普通涂料的物理结合转变成化学键合与化学吸附。
2)抗渗透耐腐蚀原理
第一，钛纳米聚合物涂料与树脂分子之间以化学键合与化学吸附相结合，致密性高，结合紧密，阻塞了腐蚀介质渗透通道。一般涂层的破坏都是由于腐蚀介质沿分子和填料间的界面或树脂分子间的界面而进行的，钛纳米聚合物涂料用化学键合与化学吸附阻塞了这些通道，因此更耐腐蚀。
第二，微小的钛纳米聚合物粒子具有填充空穴的作用，由于钛纳米聚合物根本不溶于水，水、氧和其它离子不能透过颗粒本身，只能绕道渗透，延长了渗透路线，大大减缓了腐蚀速度。钛纳米聚合物比表面积很大又有化学作用，所以加入少量就能起到显著的抗渗效果。
第三，钛纳米聚合物有憎水性，阻止水、氧及其它腐蚀介质的取代作用，使其不易发生腐蚀反应。通常的极性介质和离子很难通过涂膜。其高抗渗透性，可抗汞的渗透。所以耐腐蚀性好。
3)附着力强
第一，如前所述，钛纳米聚合物增加了活性羟基、醚键的数量，对涂敷面形成了化学吸附;第二，所选树脂固化时体积收缩很小，内应力不高;
第三，树脂中的醚键使分子链柔软便于旋转，可消除内应力，所以附着力强。钛纳米聚合物涂料对于金属、混凝土、木材、玻璃、塑料等不同材质均有优良的附着力。
4)耐磨蚀
钛材本来就是耐腐蚀、耐磨材料，超级细化成纳米粒子，排列更好，其致密性更强，比粗晶粒子更为耐腐、耐磨。
5)抗垢性能好
首先，粗糙的表面会增加液体流动的阻力，减小流速，增加近壁流层的厚度，造成更多的结垢核心，使污垢沉积长大。而钛纳米聚合物涂料由于微小纳米粒子的填充作用表面光滑度很高，近壁流层薄，不利于结垢。其次，钛纳米聚合物与化学结构形成亲油憎水表面，一方面能对污垢粒子整形使其排列整齐，不形成垢质分子交错的硬垢;另一方面排斥污垢粒子，使其不能粘附到涂层表面上，从而达到防垢的目的。
2·钛纳米聚合物涂料的应用
我公司磷酸厂一期磷酸尾气风机由美国鲁滨逊公司制造，风机流量为124680m3/h，转速980r/min，功率为250kW。2005年2月26日投用，运行正常，但到同年12月21日风机叶轮被腐蚀损坏。之后，风机叶轮因为材质的原因，频频损坏，成为影响磷酸长周期生产的不利因素。
在先后试用316L、310S等材料和VS-12耐磨涂料后，于2006年4月开始用钛纳米聚合物涂料对磷酸风机叶轮作防腐蚀耐磨试验。我公司磷酸厂一期30万t磷酸尾气风机叶轮的使用情况见表1所示。
表1 富瑞分公司磷酸厂一期30万t磷酸尾气风机叶轮的使用情况见
钛纳米聚合物涂料虽然耐磨蚀和耐腐蚀，但易脆断，在运输和吊装过程中不能撞击，在使用清理时也不能敲击。一旦受到撞击使涂料层出现裂纹，轻则会在使用中被F－沿裂纹渗透，造成腐蚀，重则当场脱落，失去防护功能。表1中14、16(序号，下同)叶轮就是在运输和吊装中损坏局部涂层后，减少了使用寿命。19、20叶轮则是清理不慎，损坏局部涂层后导致使用时间短的情况。
此外，为了加强涂料的附着力和强度，可在涂料中增加碳纤维作为骨架，能较好地改善钛纳米聚合物涂料的性能，增加风机叶轮的使用寿命。18、22、25叶轮就是作了这方面的改进，可以看到它们的使用寿命几乎与原装904叶轮的相同。21、23、24叶轮使用时，未达到理想运行时间的原因是装置清理或检修时，对叶轮作预防性更换维修，所以使用时间相对较短。
通过上述历时一年多的实践，证明钛纳米聚合物涂料能满足磷酸生产。为了更多地降低检修费用，曾将原316L材质的叶轮改为碳钢/钛纳米聚合物涂料，23的叶轮就是这样制作的。为了确认钛纳米聚合物涂料的适用性，同时还制作了碳素钢/玻璃鳞片的叶轮，但两相比较，还是钛纳米聚合物涂料的使用效果显著。因此，二期30万t磷酸装置的尾气风机也换成了钛纳米聚合物涂料的叶轮，使用正常。
在试制和使用到序号为第26的叶轮时，已在磷酸生产实践中证明尾气风机叶轮采用钛纳米聚合物涂料后，运行良好可靠。随着制作、使用该涂料防护叶轮的水平不断提升，以及采用变频器适当降低风机的工作转速后，我公司磷酸厂尾气风机叶轮的使用寿命大大提高，基本上半年更换一次。如涂装使用情况良好时，使用时间更长。例如一期30万t磷酸装置风机叶轮就从2011年5月9日使用到2012年1月11日，二期30万t磷酸装置风机叶轮则从2011年4月8日使用到2011年12月16日，两套装置的叶轮均因为装置检修才更换，扣除其间的装置计划停车清理等时间，实际运行时间各约7个多月，均达5000多小时。
目前，我公司磷酸尾气风机叶轮在316L的基体上涂装钛纳米聚合物涂料后再投入使用已经成为常规模式，效果良好。
3·结语
经过我公司和合作单位近年来的探索应用和不断改进，证明钛纳米聚合物涂料是磷酸风机叶轮防腐耐磨的好材料。如该涂料的性能和使用方法还能继续改善，使用维护得当，则能更好地延长叶轮的使用寿命，降低检修费用和生产成本，保障生产能稳定地长周期运行。
参考文献:
［1］薛峻峰．材料的耐蚀性和适用性手册［M］．北京:知识产权出版社，2001．
［2］薛峻峰，薛富津．钛纳米聚合物涂料的制备与应用［J］．涂料工业，2004，(12):54-56．
