氧化铝高压溶出管道材质的演变.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：吴建伟（1978），男，汉族，山西忻州人，大学本科，河南华慧有色工程设计有限公司，技术室主任，氧化铝及冶金工程设计。-176-氧化铝高压溶出管道材质的演变 吴建伟 荆全海 河南华慧有色工程设计有限公司，河南 郑州 450041 摘要：摘要：随着氧化铝行业的快速发展，国内管道化溶出机组已投用年产百万吨氧化铝的大型化溶出机组。针对一水硬铝石管道化溶出高温、高压、高碱的苛刻工况因素，管道材料的安全选用显得非常重要。本文叙述了从国内氧化铝厂第一组管道化溶出装置高压管道选材 12CrMoV 到目前最新的 Q355 钢号标准变化过程，尽管 Q355 钢材基本适用于管道化溶出高压管道，但仍需对 Q355 钢材的实际使用情况加以关注。随着钢材标准的更新，钢材的牌号发生替代变化，材料成分也进行微调，高压管道的材料选择将日益丰富。关键词：关键词：管道材质；氧化铝；管道化溶出；钢材牌号 中图分类号：中图分类号：TG172 1 概述 近年随着国内铝工业的快速发展，新建氧化铝厂规模产能多已跨越年产百万，尽管拜耳法生产工艺及生产方法没有实质性变化，但在生产设备种类及装置大型化方面却是升级换代式改变。我国早期氧化铝工业以一水硬铝石为主，铝土矿溶出工艺先后引进法国AP 溶出技术、德国 RA6 管道化溶出技术，后在中国长城铝业公司形成具有自主知识产权的大型管道化溶出技术及装备。溶出设备实现国产化、大型化，而设备材料也在同步优化提升。针对溶出设备高温、高压、高碱、耐磨的苛刻需求，溶出管道基础材质几度变迁，其试验变化也在体现我国基础材料行业的发展与提升。本文简述了氧化铝厂管道化溶出套管换热器溶出工艺以及套管换热器的使用工况条件，通过对比管材的选取变迁经过以及近期溶管材选用标准的阐述，以期为氧化铝企业溶出装置管道材料的优化更新提供借鉴。2 管道化溶出工艺及管道工况条件 针对国内一水硬铝石型铝土矿特点，1990 年中国长城铝业公司引进德国的 RA6 型管道化溶出装置开始进行技术消化与科技攻关，中国的氧化铝工业开始拥有自己的管道化溶出技术。管道化溶出装置在各氧化铝产业单位及设计单位的优化改进下，单条溶出生产线（料浆闪蒸为一组）已从原 20 万吨/年逐步改进提升到 120 万吨/年以上。管道化溶出的工艺溶出温度为280，现多采用 10 级乏汽套管预热、一级冷凝水预热、一级新蒸汽加热和管道停留、11 级自蒸发的工艺技术和装备，并设置多级备用段，反应停留时间约为 50min。管道化矿浆管设计压力约 10.0MPa，设计温度（最高段）345，矿浆温度280，碱浓度240 g/l，固含350g/l，矿浆流速2.9m/s。由此可见，管道化溶出高压矿浆管选材重点考虑的因素有：（1）较高的工作压力和工作温度（2）需耐近 20%氢氧化钠碱腐蚀（3）矿浆高流速带来的冲磨蚀（4）材料焊接工艺对材质的影响。由于管道化溶出装置的上述因素综合影响，管道变形、刺漏、焊缝开裂等现象时有发生，严重影响装置正产运转，管道材质的选用及其优化便显得尤为重要。3 高压溶出管道材质的变化 管道化生产工艺的矿浆温度和碱浓度高，对材料要求较高；碳钢材料在此条件下会产生应力腐蚀开裂（碱脆），碳钢材料使用温度和 NaOH 浓度超出下表 1规定时，应对焊缝进行消除应力热处理。表 1 碳钢材料使用范围 碱液浓度/%5 10 20 30 40 50 60 温度/85 76 65 54 48 43 40 但当 NaOH 浓度和温度更高，超出下表 2 规定范围时，则应考虑采用镍合金1。表 2 镍合金材料使用范围 碱液浓度/%10 20 30 40 50 温度/105 110 97 82 77 管道化溶出矿浆碱浓度(Na2O)折NaOH浓度约20%，中国科技期刊数据库 工业 A 表 3 16Mn 钢的化学成分（GB 6479-2000）牌号 化学成分，%C si Mn Cr Mo V W Nb Ni P S 不大于 16Mn 0.120.20 0.200.60 1.201.60-0.030 0.030 表 4 Q345 钢的化学成分（GB/T 6479-2013）牌号 化学成分（质量分数）/%C si Mn Cr Mo V W Nb Ni P S 不大于 Q345B 0.120.20 0.200.50 1.201.70 0.30 0.10 0.15-0.07 0.50 0.025 0.015 Q345C 0.120.20 0.200.50 1.201.70 0.30 0.10 0.15-0.07 0.50 0.025 0.015 Q345D 0.120.18 0.200.50 1.201.70 0.30 0.10 0.15-0.07 0.50 0.025 0.015 Q345E 0.120.18 0.200.50 1.201.70 0.30 0.10 0.15-0.07 0.50 0.025 0.010 如采用镍合金材料使矿浆管道具有良好的力学、物理和化学性能，添加适宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蚀性、高温强度和改善某些物理性能。但镍合金材料价格高、应用较少，且管材加工困难以及施工经验少，并非最佳适用材料。氧化铝行业技术人员通过多年不断理论研究结合实践验证，开发的以低合金钢为主的管材逐步得到行业认可，并推广到各级高压溶出设备应用之中。3.1 12CrMoV 和 2Cr13 钢管 中国最早的管道化溶出装置始于中国长城铝业公司 1990 年引进的德国的 RA6 型管道化溶出装置，该管道化系国外拆迁设备，钢管材料为德国材料 LSTE36，其第一个字母 L 指作耐碱处理，可见国外对于矿浆管管材的碱脆应力腐蚀非常重视，也特别对该种管材进行了特殊处理，而具体处理方法无从查知。为攻克管道化溶出系统材质选择及其处理难题，原中国长城铝业公司和有关研究机构联合，对 20G、12CrMoV、2Cr13 以及 1Cr18Ni9Mo2Ti 材料进行了系统的管道磨损规律的动力学研究，主要从抗冲蚀磨损方面，推荐在管道化溶出直管段采用 12CrMoV 无缝钢管，而弯管则采用 2Cr13 材料，弯管空冷时即可淬上火。2后期在中铝长城铝业公司第二组管道制作选用了化学成分与 12CrMoV 相近、机械性能较好的 12Cr1MoVG 管材。但在第二组管道化实际运行过程中，12Cr1MoVG材质试验不能适合管道化溶出套管式加热器矿浆管工况条件，且施工条件对材料影响较大。Cr-Mo 型珠光体耐热钢有一定的淬硬性，对回火脆性和再热裂纹较为敏感，预热和缓冷措施要求较高。高温回火消除应力不佳与应力腐蚀开裂问题一直未得到有效解决，现场施工难以达到焊接工艺的质量要求3。3.2 16Mn 和 Q345 钢管 2000 年经中国长城铝业公司第二组管道化溶出装置实际应用，16Mn 材质的管材能够较好地适用于管道化溶 出 的工 况 条件，用 16Mn 材质的 管材 代 替12Cr1MoVG 对 BWT2、BWT4 两段矿浆管进行替代更换试验，运行近六个月未发现裂纹产生。4自此较长时间，管道化溶出高压管道的最佳管道牌号定格在 16Mn。16Mn 低合金钢具有铁素体+珠光体组织，主要合金元素是 Mn 和 Si 对铁素体起固溶强化作用。虽然杂质元素 P、S 的含量比 12CrlMoV 中的 P、S 含量高，但其含有少量稀土元素及 Ti 等可以起到细化晶粒作用，抵消 P、S 元素的有害影响。Mn 元素增加钢的淬透性，珠光体数量和组织均得到优化，钢的强度提高。此外，V还能提高钢的耐热性，Ti、Nb 等元素使钢的韧性和焊接性能得到改善。所选用钢管标准及其中 16Mn 钢号的 177中国科技期刊数据库 工业 A 表 5 Q355 钢的化学成分（GB/T 1591-2018）牌号 化学成分（质量分数）/%钢级 质量等级 C si Mn P S Nb V Ti Cr Ni Cu Mo N B 以下公称厚度或直径/mm 不大于 40 40 不大于 Q355 B 0.24 0.55 1.60 0.035 0.035-0.30 0.30 0.40-0.012-C 0.20 0.22 0.030 0.030 D 0.20 0.22 0.025 0.025-化学成分见表 3。所选用16Mn钢管执行 高压化肥设备用无缝钢管（GB 6479-2000）标准，但其中钢的牌号却仍然采用低合金结构钢（GB 1591-1988）老标准中的钢号16Mn。低合金高强度结构钢（GB/T 1591-1994）规范已于较早时间颁布，Q345 钢替代了老牌号 16Mn、18Nb、12MnV、14MnNb、16MnRE 等多个钢种，但并非仅替代一种 16Mn 材料，两者只能说成分相近。直到高压化肥设备用无缝钢管（GB/T 6479-2013）标准的更新，其中的管道钢号也相应调整更新为 Q345，两个标准中的钢号得到统一。Q345 钢号的化学成分见下表4。Q345 钢的主要组成元素比例与 16Mn 钢基本相同，区别是增加了 V、Ti、Nb 微量合金元素，钢的韧性更高，综合机械性能更优，钢板的厚度可以做得更大一些。Q345 钢的许用应力略高于 16Mn 钢，低温性能比16Mn 钢更好。采用 Q345 钢管，其钢材强度较高、焊接性能好、价格较低、耐碱腐蚀，此后在国内民营氧化铝企业快速发展阶段，该材料迅速得到广泛使用，大型管道化溶出高压管道多采用该标准材质的管道。对应的管材及管件加工生产、焊接施工、无损检测等相关工艺技术逐步成熟。3.3 Q355 钢管 随着国家基础材料的发展，2019 年 2 月 1 日起，根据低合金高强度结构钢（GB/T 1591-2018）规定，取消 Q345 钢材牌号，改为 Q355（对应欧盟标准的S355 钢材牌号），而其他钢材型号仍在沿用。Q355 是普通的低合金高强度钢，屈服强度 355MPa。随着本次规范钢材牌号参数的修改，国标钢材在国际项目中应用有了充分的技术标准依据。Q355 钢的化学成分见下表 5。目前对于Q355钢材的力学性能研究尚处于起步阶段，仍缺少大量累积数据和指导性结论，尤其缺乏在复杂的相互作用损伤环境中的探索与研究。虽然 Q355与 Q345 两种钢材的强度接近，但是化学成分和生产工艺等方面的差异仍然会对其经历复杂环境后的力学性能变化规律造成影响。Q355 低合金高强钢作为一种新的钢材种类正在逐步全面替代 Q345 钢材，在日常建筑结构中先行大量的使用，在氧化铝管道化溶出高压管道中也逐步开始应用。现行低合金高强度结构钢（GB/T 1591-2018）标准中，要求明确按不同交货状态规范各牌号的化学成分，并细化晶粒元素的含量，为全面了解 Q355 钢材的力学性能、更加科学高效运用于实际工程选材以及考虑环境因素的损伤提供更为准确的评估参考。在氧化铝管道化溶出复杂的环境下，低合金钢材的力学性能指标会发生改变。目前在已有的氧化铝高压管道所用低合金钢材力学性能研究成果当中，多是关于 Q345 等常见低合金钢材的经验研究，较少考虑环境因素对 Q355 钢材力学性能影响的研究总结。因此，有必要继续关注高压管道管材的应用情况，为今后的Q355 钢材的推广使用和选材设计提供数据支撑。4 Q355 钢管焊接 在氧化铝生产中的工艺管道设计过程中，针对输送介质特性和运行工况，确定最佳管道材料和规格是非常重要的。其次，工业管道施工质量和检测也将极大影响管道使用寿命，焊接质量至关重要。早期管道化溶出矿浆管(12Cr1MoVG 材质)产生焊缝裂纹的主要原因是应力腐蚀引起的碱脆，但焊接质量不高也对焊接裂纹的产生有一定影响。而在 Q355 钢管的施工作178中国科技期刊数据库 工业 A 业中同样需要注意以下几点。（1）由于 Q355 钢的冷裂纹倾向较大，低氢型的焊接材料中建议选用 E5015（J507）型电焊条。（2）Q355 钢在焊接时热影响区在焊接冷却过程中，容易形成淬火组织-马氏体，所以靠近焊缝区域的硬度提高，塑性下降，易产生焊后裂纹。（3）为改善焊缝的金属组织和性能，降低焊接残余应力，减小焊缝中的氢含量，焊后焊缝热处理温度建议为：600-640，恒温 2 小时（板厚 40mm 时），升降温速度为 125/h，板厚下降时可以适当缩短时间。（4）为了避免焊缝组织粗大，造成冲击韧性下降，可选用小直径焊条、窄焊道、薄焊层、多层多道的小范围焊接工艺。由于 Q355 钢的 Ceq0.45%，在焊接前应进行预热，预热温度 T0=100-150，层间温度 Ti400。（5）根据工业金属管道相关质量验收要求，管道化溶出高压管道焊口建议采用超声波探伤法进行检验，检验比例 100%。5 结语 本文主要叙述了氧化铝高压溶出管道选材的选用经验与研究历程，回顾了管道材料从 12CrMoV、16Mn、Q345、Q355 变化的缘由。按照国家钢材标准的替代规范，新的管道标准中钢材牌号也应由 Q355 钢材替代Q345；Q345 钢材已实际应用于管道化溶出高压管道多年，从材料成分及钢材性能分析，Q355 钢材基本适用于管道化溶出高压管道，但仍需针对 Q355 钢材的实际使用情况加以关注。Q355 钢是目前用量较大的钢材牌号，广泛应用于工艺管道、桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器以及特种设备；正确合理的选用管道材料，将会促进工业良性发展，同时也为氧化铝工业设备的安全运行提供保障。参考文献 1全国压力管道设计审批人员培训教材(第二版)/国家质量监督检验检疫总局各种设备安全监察局编M.北京:中国石化出版社,2011.2李旺兴.氧化铝生产理论与工艺M.长沙:中南大学出版社 2010.3蔡胜利.管道化溶出套管式换热器矿浆管焊缝裂纹影响因素分析J.轻金属,2013,(3):19-23.4顾敏,汪红杰.管道化加热器矿浆管选材的讨论J.轻金属,2002(9):18-19.179