技术领域
[0001] 本
发明涉及材料耐高温腐蚀性测量领域，特别涉及一种在一步酸溶法中设备所采用的耐腐蚀材料腐蚀寿命的测试设备及方法。
背景技术
[0002] 神华准能资源综合开发有限公司充分利用准格尔
煤田“高
铝、富镓”优势，在国内率先成功研发了循环
流化床粉煤灰“一步酸溶法”提取
冶金级
氧化铝工艺技术，该项目对缓解铝土矿资源短缺、保障铝工业资源安全具有重要意义。
[0003] 在“一步酸溶法”的工艺流程中，相关化工设备(如溶出罐、工艺管道、
蒸发器、酸吸收塔及沉降槽等)的工况条件较为苛刻：
工作温度较高(120～180℃之间)；溶出的料浆为非氧化性强酸—
盐酸条件，并且伴随着大量固态颗粒，在机械
力的作用下，对设备的材料具有一定的冲蚀磨损作用，所以与料浆溶液
接触部分的设备选材，其大多为抗高温腐蚀能力强的无机非金属材料，如聚四氟乙烯、
碳化
硅、玻璃
钢及
石墨等，该类材料的腐蚀速率无法通过常规的测量金属
电子得失的电化学方式进行评估，同时由于测试的工况条件较为苛刻，一般的高温高压反应釜也无法根据实际工况进行全程的模拟测试，从而导致该类化工设备的使用腐蚀寿命无法进行准确的评估。由于在整个工艺流程中，材料的耐受性及化工设备的使用腐蚀寿命关系到整个工艺流程的可行性，所以腐蚀寿命评估对一步酸溶法的意义十分重要。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种耐腐蚀材料腐蚀寿命的测试设备及测试方法，用于对于一步酸溶法中设备材料的使用腐蚀寿命进行评估。
[0005] 为实现上述发明目的的一个方面，本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种耐腐蚀材料腐蚀寿命的测试设备，其中，所述测试设备包括杯体、密封杯盖组件、搅拌组件和温控单元，其中，
[0007] 所述杯体包括外杯体和套设在所述外杯体内并与外杯体之间形成环隙的内杯体；
[0008] 所述密封杯盖组件包括与所述外杯体相适配的杯盖及陶瓷
隔热垫片，以及密封隔膜和隔膜挡圈，所述陶瓷隔热垫片呈环形并且其下端面设有与所述环隙相适配的环形凸起，所述陶瓷垫片设置在所述杯盖与外杯体之间，用于与所述杯盖配合密封所述外杯体；所述杯盖的下端设有圆形凸起，所述圆形凸起的
侧壁与所述内杯体内壁的上端设有相配合的
螺纹，所述密封隔膜和隔膜挡圈由上至下依次贴合在所述杯盖的圆形凸起的下表面，用于防护所述圆形凸起的下表面；
[0009] 所述搅拌组件包括
电机、搅拌件和连接所述电机和搅拌件的搅拌轴，所述搅拌轴穿过所述杯盖、密封隔膜和隔膜挡圈延伸使所述搅拌件位于所述内杯体内；
[0010] 所述温控单元包括耦合设置的
热电偶和电热丝，所述热电偶穿过所述杯盖伸入所述内杯体以监测内杯体内温度，所述电热丝缠绕至所述内杯体的外壁上以加热内杯体内物料。
[0011] 根据本发明的测试设备，优选地，所述搅拌件包括搅拌浆和套环，所述搅拌浆加工成方框式搅拌桨，所述方框式搅拌桨的方框的内侧设有凹槽，用于将待测试样品嵌入方框内；所述套环套设在所述方框外，用于将嵌入的待测试样品固定至所述方框式搅拌桨。
[0012] 根据本发明的测试设备，优选地，所述搅拌轴材料为
钛合金材料，更优选TC10；所述搅拌浆材料为聚四氟乙烯，所述套环为哈氏合金B。
[0013] 根据本发明的测试设备，优选地，所述内杯体的外壁上加工有螺旋凹槽，所述电热丝沿所述螺旋凹槽缠绕至所述内杯体的外壁上。在本发明中，所述温控单元中热电偶与电热丝的耦合设置是指所述电热丝的加热功率可以根据热电偶的监测温度进行反馈条件，以将内杯体内的
温度控制在需要的范围内，两者之间的具体设置为本领域熟知，这里不再赘述。
[0014] 根据本发明的测试设备，优选地，所述内杯体为刚玉陶瓷杯体，其内壁涂有环氧
树脂涂层；
[0015] 所述外杯体包括碳化硅内层、
不锈钢外层，以及用于黏结所述碳化硅内层与不锈钢外层的中间胶黏剂层；优选地，所述胶黏剂层为硅
橡胶。
[0016] 根据本发明的测试设备，优选地，所述杯盖由不锈钢材料加工而成，优选1Cr18Ni9Ti材料；所述电机为微型旋转电机，固定于所述杯盖上。
[0017] 根据本发明的测试设备，优选地，所述杯盖、密封隔膜与隔膜挡圈之间，以及所述杯盖与陶瓷隔热垫片之间，均通过
环氧树脂粘结在一起；优选地，所述陶瓷隔热垫片由氧化铝陶瓷加工制成，其中氧化铝含量不低于96wt％，所述密封隔膜与隔膜挡圈材料分别为氯丁橡胶及聚四氟乙烯材料。
[0018] 根据本发明的测试设备，优选地，在所述杯盖、密封隔膜以及隔热垫片与搅拌轴之间形成的环形间隙内装入环柱形石墨管；优选地，在石墨管的外壁涂覆环氧树脂材料以与所述密封隔膜、隔热垫片形成自润滑密封结构。所述陶瓷隔热垫片、密封隔膜、隔膜挡圈及石墨管的配合设置可以有效起到阻碍酸性挥发气体外溢的密封作用。
[0019] 为实现上述发明目的的另一方面，本发明采用以下技术方案：
[0020] 一步酸溶法中所用装置的耐腐蚀材料腐蚀寿命的测试方法，其中，利用上述测试设备，将样品固定至所述搅拌将上在酸性条件下进行测试；通过测量试样前后样品的
质量变化，以计算出样品的在该工况下的腐蚀速率，进而得到耐腐蚀材料的腐蚀寿命；其中，[0021] 所述腐蚀速率根据公式(1)计算：
[0022]
[0023] 其中:v—腐蚀速率，单位为mm/h；W0—始重，单位为g；
[0024] W1—终重，单位为g； ρ—
密度，单位为g/cm3；
[0025] S—表面积，单位为mm2； h—试验时间，单位为小时。
[0026] 所述腐蚀寿命根据公式(2)计算
[0027] f＝D/v (2)
[0028] 其中：f—腐蚀寿命；D—材料允许的腐蚀裕量
[0029] 粉煤灰“一步酸溶法”提取氧化铝的工艺可以参见
专利文献CN102145905A，其通过引用的方式并入到本
申请中。具体地，所述白泥的制备方法可以包括以下步骤：
[0030] 1)粉煤灰
磁选除
铁:粉煤灰经
粉碎达到100目以下，加
水配成固含量为20-40wt％的浆料，在立环式
磁选机上进行磁选，磁选场强1.0-2.0万GS；磁选后的浆料经固液分离后得到固含量为25-50wt％的
滤饼；
[0031] 2)酸溶:将磁选后的滤饼置于耐酸反应釜中进行盐酸酸溶，盐酸浓度为20-30wt％，盐酸中HCl与粉煤灰中氧化铝的摩尔比为4.5:1-9:1，溶出温度为120℃-150℃；酸溶后产物经固液分离、干燥，得到白泥。
[0032] 根据本发明的方法，优选地，测试时，所述内杯体内装有淹没所述搅拌件的浆体，所述浆体由浓度20wt％～30wt％，比如22wt％、25wt％或28wt％的盐
酸溶液和粉煤灰组成，所述浆体中粉煤灰的含量为200-300g/L，比如220g/L、250g/L或280g/L；搅拌转速为1-2转/秒；测试温度可以基本与上述溶出温度范围相同，比如120℃-160℃，比如130、140或150℃。
[0033] 本发明具有如下有益效果：
[0034] 1本发明采用杯盖与杯体的螺纹旋转连接结构，其在隔膜及挡圈的作用下，既能起到隔绝内部酸气向外飘逸，保证测量工况的指标准确效果，又能依靠螺纹间的连接，承受住由于温度升高所带来内压升高问题，确保实验的安全。
[0035] 2本发明采用钛合金材料(TC10)作为搅拌轴材料，最大程度上保证了旋转设备在扭转时所需要的扭转
刚度，同时又使工况环境对材料的腐蚀程度达到最小。
[0036] 3本发明的搅拌桨采用
框架式结构，方便样品的镶嵌与安装，同时采用不锈钢套环进行固定，增加了搅拌桨的整体刚度，有利于搅拌实验的进行；另外，采用聚四氟作为搅拌桨材料，即可经受环境腐蚀，又使其加工难度及成本大大降低。
[0037] 4本发明的搅拌轴与搅拌桨采用螺纹形式连接，使每次试验后的搅拌桨拆卸与更换更加便捷，同时保证搅拌桨与搅拌轴的连接可靠性。
[0038] 5本发明采用刚玉陶瓷材料作为内部杯体材料，一方面增强了杯体实验部分的抗酸腐蚀能力；同时，由于其耐温性及成型加工型良好，热稳定较高，可以直接加工螺纹以缠绕
电阻丝，使整体设计简单，容易小型化加工。
[0039] 6本发明使用耐高温耐腐蚀的环氧树脂黏剂作为杯体内壁的涂层材料，可以阻止料浆溶液在高温条件下对陶瓷材料的微渗透，又可以缓解料浆溶液中的固态颗粒对陶瓷内壁部位进行冲刷磨蚀作用，并且每次试验后，可根据涂层的厚度及出现的磨损情况，进行局部的清理与修补，延长设备的使用寿命。
[0040] 7本发明为防止在搅拌轴转动时
酸性气体的泄露挥发，在杯盖、隔膜挡圈以及隔热垫片与搅拌轴形成的环形间隙空间内插入环柱状石墨管填料，通过石墨材料的固态自润滑性及耐温防腐性进行搅拌轴与垫片间密封，有效防止了酸性气体的挥发。
[0041] 8本发明采用碳化硅材料作为杯体外部隔热材料，使杯体内部与杯体外部间的
传热效果大大降低，增强了设备的保温性能。
[0042] 9本发明采用橡胶材料填充碳化硅筒体与不锈钢
外壳，既起到隔热保温的作用，又能缓解因
热膨胀系数相差较大的两种材料所带来的热
应力问题。
附图说明
[0043] 图1为本发明的测试设备的结构示意图。
具体实施方式
[0044] 以下结合附图对本发明进行详细说明。如图1所示，在一种实施方式中，本发明的测试设备，包括杯体、密封杯盖组件、搅拌组件和温控单元，其中，所述杯体包括外杯体1和套设在所述外杯体1内并与外杯体之间形成环隙的内杯体2；所述密封杯盖组件包括与所述外杯体1相适配的杯盖3及陶瓷隔热垫片4，以及密封隔膜5和隔膜挡圈6，所述陶瓷隔热垫片4呈环形并且其下端面设有与所述环隙相适配的环形凸起，所述陶瓷垫片4设置在所述杯盖
3与外杯体1之间，用于与所述杯盖3配合密封所述外杯体1；所述杯盖3的下端设有圆形凸起，所述圆形凸起的侧壁与所述内杯体2内壁的上端设有相配合的螺纹，所述密封隔膜5和隔膜挡圈6由上至下依次贴合在所述杯盖3的圆形凸起的下表面，用于防护所述圆形凸起的下表面；所述搅拌组件包括电机7、搅拌件9和连接所述电机7和搅拌件9的搅拌轴8，所述搅拌8轴穿过所述杯盖3、密封隔膜5和隔膜挡圈6延伸使所述搅拌件9位于所述内杯体2内；所述温控单元10包括耦合设置的热电偶101和电热丝102，所述热电偶101穿过所述杯盖3伸入所述内杯体2以监测内杯体2内温度，所述电热丝102缠绕至所述内杯体2的外壁上以加热内杯体2内物料。所述温控单元10中热电偶101与电热丝102的耦合设置是指所述电热丝102的加热功率可以根据热电偶101的监测温度进行反馈条件，以将内杯体2内的温度控制在需要的范围内，两者之间的具体设置为本领域熟知，这里不再赘述。
[0045] 在一个
实施例中，所述搅拌件9包括搅拌浆91和套环92，所述搅拌浆91加工成方框式搅拌桨，所述方框式搅拌桨的方框的内侧设有凹槽，用于将待测试样品嵌入方框内；所述套环92套设在所述方框外，用于将嵌入的待测试样品固定至所述方框式搅拌桨91。所述搅拌轴8材料为钛合金材料，更优选TC10；所述搅拌浆91材料为聚四氟乙烯，所述套环92为哈氏合金B。
[0046] 在一个实施例中，所述内杯体2的外壁上加工有螺旋凹槽，所述电热丝102沿所述螺旋凹槽缠绕至所述内杯体2的外壁上。所述内杯体2为刚玉陶瓷杯体，其内壁涂有环氧树脂涂层21；所述外杯体1,包括碳化硅内层11、不锈钢外层12，以及用于黏结所述碳化硅内层11与不锈钢外层12的中间胶黏剂层；优选地，所述胶黏剂层为硅橡胶；所述外杯体1下端设有底座13。所述杯盖3由不锈钢材料加工而成，优选1Cr18Ni9Ti材料；所述电机7为微型旋转电机，固定于所述杯盖3上。
[0047] 在一个实施例中，所述杯盖3、密封隔膜5与隔膜挡圈6之间，以及所述杯盖3与陶瓷隔热垫片4之间，均通过环氧树脂粘结在一起；优选地，所述陶瓷隔热垫片4由氧化铝陶瓷加工制成，其中氧化铝含量不低于96wt％，所述密封隔膜5与隔膜挡圈6材料分别为氯丁橡胶及聚四氟乙烯材料。在所述杯盖3、密封隔膜5以及隔热垫片6与搅拌轴8之间形成的环形间隙内装入环柱形石墨管；优选地，在石墨管的外壁涂覆环氧树脂材料以与所述密封隔膜、隔热垫片形成自润滑密封结构。所述杯盖、陶瓷隔热垫片、密封隔膜、隔膜挡圈及石墨管的配合设置可以有效起到阻碍酸性挥发气体外溢的密封作用。
[0048] 以下进一步结合利用上述测试设备进行测试的实施例对本发明进行说明。
[0049] 测试设备
[0050] 如图1所示，杯盖3(φ20×2cm)由不锈钢加工而成，具体为1Cr18Ni9Ti材料，杯盖3上部固定微型旋转电机7(90ZYT52永磁直流电机)，杯盖3下端的圆形凸起侧壁(φ10×5cm)带用螺纹，与内杯体2内壁上部螺纹部分(φ10×5cm)靠螺纹旋转进行连接密封。热电偶101为耐蚀性铂铑合金热电偶，具体型号为WPR14F，安装于靠近杯盖3圆心的1/4R处，测试端插入内杯体2内部的测试料浆溶液中，外端与温控制单元10的热电偶
传感器相连。陶瓷隔热垫片4为环形多层结构(上层环形结构中：内环φ10cm，外环φ20cm，厚度1cm；下层环形凸起中：
内圈φ12cm，
外圈φ15cm，厚度4cm)，其下层的环形凸起部分对环隙的顶端部分进行隔热密封，其材料为96％的氧化铝陶瓷。密封隔膜5(外环：φ10cm内环：φ1.5cm厚度：0.5cm)及隔膜挡圈6(外环：φ10cm内环：φ2cm厚度：0.5cm)起到阻碍酸性挥发气体外溢的密封作用，其材料分别为氯丁橡胶及聚四氟乙烯材料，其与搅拌轴8形成的环形缝隙采用环柱状石墨管填充，管材的壁厚为1cm，高度为1cm，石墨管外壁采用耐高温环氧树脂材料与密封隔膜5、隔膜挡圈6的内壁圆粘结。搅拌轴8(φ1×15cm)为钛合金TC10材料，上端与微型电机7相连，下端端口处有
外螺纹，与其连接的搅拌浆91的端口处有
内螺纹，两者通过螺纹结构结合。搅拌浆91为高密度聚四氟材料，加工成框式搅拌桨(5×5cm)，测试样品加工成可以镶入由搅拌浆91的外棱形成方形结构的凹槽中(4.5×4.5cm)，搅拌桨91及样品通过外套哈氏合金B套环92固定。
[0051] 设置在底座13上的外杯体1(φ20×30cm)包括碳化硅内层11及不锈钢外层12，将碳化硅内层11加工成圆筒形(φ19×25壁厚3)，外部套以不锈钢外层筒体(φ20×25cm壁厚2cm)，缝隙处可通过硅橡胶材料黏剂黏结封装，其整体作为杯体的隔热材料及外壳。内杯体
2(φ12×25cm壁厚2cm)的陶瓷材料为刚玉氧化铝陶瓷材料，其外壁被加工出螺旋状凹槽，将Ni-Cr螺旋状电热丝102缠绕于其上，电热丝102的两端与温控单元的
开关模
块相连。内杯体的陶瓷材料的内壁涂有耐高温耐腐蚀的环氧树脂涂层21，其涂抹厚度为2～3mm，涂抹的高度为陶瓷内壁螺纹(自杯口向下5cm)以下，每次测试实验结束后，检查涂层是否损耗，缺损及磨蚀的部位可以重新补涂环氧树脂。
[0052] 测量一步酸溶法设备材料腐蚀寿命，测试条件1为：HCl含量25％，固含(粉煤灰)250g/L，温度120℃。将样品镶装在搅拌浆上，在杯体内以2转/秒的转速不间断旋转10天。
[0053] 测试条件2为：HCl含量20％，固含(粉煤灰)300g/L，温度140℃。将样品镶装在搅拌
叶片上，在杯体内以1.5转/秒的转速不间断旋转10天。
[0054] 测试条件3为：HCl含量30％，固含(粉煤灰)200g/L，温度110℃。将样品镶装在搅拌叶片上，在杯体内以1转/秒的转速不间断旋转10天。
[0055] 其测试项目为通过测量试样前后样品的质量变化，根据腐蚀速率的计算公式(1)计算出样品的在该工况下的腐蚀速率，进而推算材料的使用年限。
[0056] 公式：
[0057] 其中:v—腐蚀速率，单位为mm/h； W0—始重，单位为g；
[0058] W1—终重，单位为g； ρ—密度，单位为g/cm3；
[0059] S—表面积，单位为mm2； h—试验时间，单位为小时
[0060] 所述腐蚀寿命根据公式(2)计算
[0061] f＝D/v (2)
[0062] 其中：f—腐蚀寿命；D—材料允许的腐蚀裕量
[0063] 实施例1-3
[0064] (1)将酸溶反应釜底部出口处的陶瓷
阀门的腔体材料切割3个试样(4.5×4.5cm)。
[0065] (2)将试样记号后用蒸馏水和
乙醇进行清洗，在烘箱中恒温60℃干燥24h，然后称重记下1、2、3号平行样品的始重。
[0066] (3)将1、2、3号平行试样通过哈氏合金B套环固定在搅拌桨上。
[0067] (4)试验容器中充满试验
浆液，分别按照测试条件1、2和3进行测试。
[0068] (5)试验完成后停止试验并取下试样，然后将试样分别用蒸馏水和乙醇清洗后在烘箱中恒温60℃干燥24h并称重，记下1、2、3号平行样品的终重。
[0069] 通过腐蚀速率的计算公式得出腐蚀磨损速率见表6。
[0070] 表6阀门陶瓷材料的腐蚀寿命数据
[0071]
[0072] 为防止阀门腐蚀泄露，其阀门腔体内部的腐蚀裕量允许值≤1.5mm，根据上述测定数据及腐蚀寿命公式(2)计算，可以预估其平均腐蚀寿命约为10.5年。
[0073] 在实际运行中，神华准能的应用于“一步酸溶法”粉煤灰提铝的溶出反应釜，其常年运行工况基本为：盐酸浓度为20-30wt％，盐酸中HCl与粉煤灰中氧化铝的摩尔比为4.5:1-9:1，溶出温度为120℃-150℃；
[0074] 其底部出口新换的陶瓷阀门在处于工作状态运行3年后，检修拆下时，其内部腐蚀最为严重处深度约为0.435mm，由此得出其平均腐蚀磨损速率V约为0.145，与上述实施例所得平均腐蚀磨损速率的V平差值不超过平均腐蚀磨损速率V的±10％。由此，可以认为本发明的测试设备和测试方法对一步酸溶法中所用装置的耐腐蚀材料腐蚀寿命的估测上具有较好的可靠性。
