阳极液蒸发浓缩加热室选材探讨：基于2507 与C276 合金的对比分析

1. 引言

电镍生产通常采用电解法，其阳极液主要成分为硫酸镍（NiSO₄）、硫酸（H₂SO₄）、氯化物（Cl⁻，主要来自原料或添加剂）、少量其他金属离子（如 Cu² ⁺、Fe³⁺等）及硫酸盐。为维持电解液成分稳定并回收镍，需对阳极液进行蒸发浓缩。此过程在真空或常压蒸发器中进行，加热室作为核心部件，其管束外通入蒸汽（或高温导热油）提供热源，管束内壁与高温、高浓度、强腐蚀性的阳极液直接接触。因此，加热室材料必须具备优异的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂（SCC）及均匀腐蚀能力。

2507（超级双相不锈钢）和 C276（哈氏合金 C276）是当前高温强腐蚀环境下高端设备选材的代表。2507 以其高性价比和良好的综合力学性能被广泛应用，而 C276 则凭借其卓越的耐全面腐蚀和局部腐蚀能力，被视为极端苛刻环境下的“终极”选择。本文通过对比分析两者在电镍阳极液蒸发浓缩加热室应用中的表现，探讨其适用性与选材策略。

2. 用材环境与工艺要求

2.1 典型阳极液环境

化学成分：

pH 值：通常为强酸性， 。

主要离子： )， SO₄^2⋅ (150-300g/L) )，H⁺(对应 H₂SO₄ 浓度约 100-250g/L; 。关键腐蚀性离子： Cl^-(100-500mg/L ，甚至更高，取决于原料和工艺控制)， SO₄^2- -本身也具有氧化性。

杂质离子： Fe³ ⁺(强氧化性，加剧腐蚀)， Cu² ⁺等。

物理条件：

温度：蒸发浓缩操作温度通常在 80^∘ C 至 110^∘ °C 之间，局部热点可能更高。

压力：常压或真空操作。

流速：液相流速较低，但存在汽液两相流，易形成局部冲刷和气蚀。

状态：沸腾状态，存在气泡冲刷和局部浓缩效应。

2.2 加热室关键工艺要求

耐强酸腐蚀：抵抗高浓度 H₂SO₄ 和 NiSO₄ 的均匀腐蚀。

抗点蚀与缝隙腐蚀：高Cl⁻浓度和局部浓缩是主要威胁，材料需有高临界点蚀温度（CPT）和临界缝隙腐蚀温度（CCT）。

抗应力腐蚀开裂（SCC）：高温、高应力（热应力、残余应力）、高Cl⁻环境是SCC 的温床，材料需具备高抗SCC 能力。

良好的热传导性：保证蒸发效率。

足够的强度与韧性：承受操作压力、热应力及可能的机械冲击。

可焊性与加工性：便于制造、安装和维修。

经济性：在满足寿命要求的前提下，追求全生命周期成本（LCC）最低。

3. 材料特性与耐腐蚀机理对比

3.1 超级双相不锈钢 2507 (UNS S32750)

成分特点：高Cr (24-26%) 、高 Mo (3-4%) 、高N (0.24-0.32%) )，以及适量的 Ni (6-8%) 。形成约 50% 铁素体 450% 奥氏体的双相组织。

耐腐蚀机理：

高Cr、Mo、N：显著提升钝化膜稳定性，增强抗点蚀和缝隙腐蚀能力。其点蚀当量数（PREN=%0%+3.3×%Mo+16×%N) ）通常 >40 ，远高于普通不锈钢。

双相组织：铁素体相提供高强度和抗 Cl⁻ SCC 能力，奥氏体相提供良好韧性和焊接性。两相协同作用，整体耐蚀性优于单相奥氏体或铁素体不锈钢。

局限性：在极高Cl⁻浓度、高温（ Ω^′>100^∘ °C）、低pH 及存在氧化性离子（如Fe³⁺）的环境中，铁素体相可能发生选择性腐蚀或σ相等有害相析出，导致耐蚀性下降。抗 SCC 能力虽优于316L 等奥氏体钢，但在极端条件下仍可能失效。

3.2 镍基合金 C276 (UNS N10276)

成分特点：高Ni (基体， ～57% )、高 Mo 15-17%) )、C r(14.5–16.5%) 、W (3-4.5%) ，低 Fe(<6.5%) ，无 Ti、Al。为单一奥氏体组织。

耐腐蚀机理：

高Ni 基体：提供优异的抗还原性酸（如H₂SO₄）腐蚀能力。

高 Mo、W：是抵抗 Cl⁻引起的点蚀、缝隙腐蚀和 SCC 的关键。Mo 能有效稳定钝化膜，尤其在含Cl⁻环境中。

高Cr：保证在氧化性环境中的钝化能力。

低Fe：减少在强还原性环境中的活性溶解。

综合性能：C276 在广泛的酸性、含Cl⁻环境中表现出极佳的耐全面腐蚀和局部腐蚀能力，其CPT 和CCT 远高于2507，抗SCC 能力极强。几乎不受σ相析出影响。

4. 2507 与C276 在阳极液环境下的适用性对比

5. 选材决策与建议选材需基于对具体工况的精确评估：

首选2507 的情况：

阳极液Cl⁻浓度稳定且较低（ ≤300mg/L⟩ ）

操作温度控制在 90^∘ C 以下。

pH 值相对稳定，氧化性离子 (Fe³⁺) ）浓度得到有效控制。

企业预算有限，且对设备寿命要求在5-8 年。

关键：必须确保焊接质量，进行焊后热处理（如适用），并建立严格的腐蚀监测制度。首选C276 的情况：

阳极液Cl⁻浓度高 (>500mg/L ）或波动大操作温度接近或超过 100^∘ C。

存在强氧化性条件（如高Fe³⁺浓度）。

对设备可靠性要求极高，要求长周期 _(>10 年）无故障运行，最大限度减少非计划停车。

企业有充足预算，追求长期稳定运行和最低的维护/停产总成本。

作为关键设备的“保险”选择，尤其在历史数据表明2507 等材料已发生腐蚀失效的场合。综合建议：

详细工况分析：精确测定阳极液的实际成分（尤其 Cl⁻、Fe³⁺）、温度分布、流速、pH 值等。

腐蚀试验验证：在实际或模拟工况下进行挂片试验或电化学测试（如动电位极化、EIS），直接比较2507 和C276 的腐蚀行为。

全生命周期成本（LCC）分析：综合考虑初始投资、预期寿命、维护成本、停产损失、安全环保风险等，进行量化比较。

设计优化：无论选用何种材料，都应优化设备设计（如避免缝隙、改善流场、减少应力集中）以降低腐蚀风险。

监测与维护：建立完善的腐蚀监测体系（如定期测厚、内窥镜检查、水质监控），及时发现并处理潜在问题。

6. 结论

2507 和 C276 均为电镍阳极液蒸发浓缩加热室的高端候选材料，但其适用性存在显著差异。2507 凭借其高性价比和良好的综合性能，在 Cl⁻浓度和温度相对温和的环境中是经济高效的选择。然而，其耐蚀性上限受限于 Cl⁻浓度、温度及有害相析出风险。C276 则以其无与伦比的耐全面腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀和SCC 能力，成为应对极端苛刻工况的“终极”解决方案，尤其适用于高Cl⁻、高温、高氧化性环境，能确保设备的长期可靠运行。

最终选材决策不应仅基于材料性能或成本的单一维度，而应建立在对具体工艺环境的精确评估、充分的腐蚀试验验证以及全面的全生命周期成本分析基础之上。对于追求长周期稳定运行和最高可靠性的电镍企业，C276 往往是更优的选择；而在成本敏感且工况相对可控的项目中，经过精心设计和严格质量控制的2507 应用亦能取得成功。科学的选材是保障电镍企业高效、安全、可持续发展的关键环节。

参考文献：

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