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碳化硅陶瓷---应对高腐蚀、高磨蚀性流体的泵体材料
2020年02月06日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:415
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陶瓷泵,是指泵体内,与腐蚀性介质接触的部件(如叶轮、两侧泵盖、泵体、轴套、轴端螺母等)均采用工程陶瓷制成的泵体。通常,陶瓷件外用铁壳铠装以保护内衬陶瓷件,而内衬陶瓷件凭借高耐磨性、耐腐蚀性作为过流部件,两者间用粘结剂连接,其主要陶瓷件如图1所示。

1 陶瓷泵结构及其主要陶瓷件

过去,在众多陶瓷泵材料中,氧化铝陶瓷(常作叶轮及泵体)和氮化硅陶瓷(常作轴套及密封件)被大量应用在矿山、冶金、化工和环保等行业,市场反馈良好,不过也存在着相应的问题。例如陶瓷材料脆性大,当介质中存在特大颗粒时,陶瓷叶轮叶片容易断裂,且陶瓷泵体在运输过程中容易出现开裂,应用过程中的检修也较为困难等问题。

近年来,随着工程陶瓷技术的进步,碳化硅在陶瓷泵材料上的应用愈发广泛,特别是在运送含有固相颗粒的高腐蚀性、高磨蚀性流体中,显现出独特的价值。今天,我们通过两个实例,来看看碳化硅陶瓷泵的魅力。

纯碱工业中的碳化硅衬里泵

纯碱是最基本的化工原料之一,纯碱生产过程中,气体介质多为氨气和二氧化碳,液体介质多为氯化钠、氯化铵和氯离子的高浓度溶液,其氨盐水系统具有高腐蚀性,过去普遍采用钛材料,但是钛材价格昂贵,加工难度大,并且钛泵的叶轮、轴套、叶轮螺母均为钛材质,备品备件价格昂贵,维护费用也较高;此外,当流量较小时,钛泵存在振动大,故障率高的问题。

1 纯碱工业中常用泵体

针对以上提到的钛泵缺点,2015年,江苏井神盐化股份有限公司淮安碱厂在重碱车间蒸吸工序的成品氨盐水系统中,安装了一台碳化硅陶瓷衬里泵,以代替钛泵用于生产,经过十个月的运行,发现该泵使用效果良好、结垢率低,操作方便、运行平稳,且抗腐蚀、耐磨损性能优于传统钛泵。

典型的ACPAdvanced Ceramic Pump)系列陶瓷泵结构如图2所示。

2 典型ACP型陶瓷衬里泵的结构

淮安碱厂所采用的ACP-TL型金属+陶瓷衬里泵,是将金属外壳与内衬碳化硅粘结为一体,叶轮为内嵌金属骨架的整体碳化硅,其核心技术是利用陶瓷-金属复合制造技术,基于金属泵高效水力模型采用CFD计算分析平台修正因加衬陶瓷而改变的水力尺寸,并保证液体介质内部流动的顺畅性,减少流动损失,使之能始终处于高效、经济的运行状态。

磷铵工业中的碳化硅泵

除了纯碱工业外,磷铵工业中,碳化硅陶瓷泵性能同样非常突出。

目前,我国磷铵装置普遍采用湿法磷酸生产工艺(即采用硫酸分解磷矿萃取磷酸),在生产过程中存在硫酸、磷酸及多元酸等不同种类和浓度的酸,在温度、压力、流体动力、机械应力、电解效应等各种条件影响下,对系统设备具有严重的腐蚀作用(研究和实践证明,在湿法磷酸工艺酸铵生产中,除了多元酸的腐蚀,对机器设备腐蚀最为严重的杂质是氯离子和氟离子,它们是加快设备腐蚀速率的关键影响因素)。

除了严重的腐蚀问题之外,湿法磷酸工艺,磷酸浆料、磷酸、磷铵料浆中含有硫酸钙和一些不溶性固体颗粒,因而黏度较大、流动性差。这些固体颗粒会对设备产生严重的磨损,尤其是浆料泵等转动设备更是如此。

2016年,襄阳泽东化工集团有限公司将碳化硅材料应用于泵体材料上。公司磷酸车间的稠浆泵,原泵体材质为双相不锈钢材料CD4MCu,泵体使用时间仅为6-8个月,其喉舌部位使用4个月就被磨穿,堆焊修补后勉强能再使用两个月,便需要更换新的泵体,且需要频繁更换备件,成本较高。

通过材质替换,公司使用了湖北托马斯流体技术公司提供的LVT系列碳化硅泵体,在这个工位上使用时间上目前已经超过12个月,预估寿命达到15个月以上。LVT系列碳化硅耐磨泵的特点为:泵所有于介质接触的部位均为碳化硅材料,耐磨耐腐,大幅度延长泵使用寿命;碳化硅叶轮质量轻,轴运行扰度小,泵运行更为平稳。

3 湖北托马斯流体技术公司生产的碳化硅泵

小结与展望

对于工业用泵体而言,其必要需求是运行时间长、安全可靠,在此基础上,前期投资小、节能减排和维修方便是工业用泵的进一步需求。纯碱、磷铵等工业品的生产,具有强腐蚀性、强磨蚀性的特点,最初的钼二钛、316L等合金材料制成的叶轮,使用寿命均在2-3个月,而近年来兴起的双相不锈钢材料CD4MCu等材料能将将泵体寿命提高至6-8个月。但碳化硅陶瓷泵的使用寿命能达到12个月以上,可以应对极端的使用环境,特别是在输送含有固相颗粒的高磨蚀性流体上。不过,目前碳化硅陶瓷泵仍存在叶轮脆断、蜗壳开裂等问题,目前采用的方法均通过流体力学分析结合结构设计来避免,实际上更应从陶瓷材料成型、烧结等相关技术入手,才能更为彻底地解决复杂陶瓷件的脆性问题。

参考文献

陶瓷衬里泵在纯碱行业的推广应用,江苏井神盐化股份有限公司淮安碱厂,王建,蔡家帅。

碳化硅泵在磷铵生产中的应用,襄阳泽东化工集团有限公司,闻明,曾志,王波。

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