趙愛君

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

鎳鈷濕法冶煉臥式加壓釜概述

趙愛君

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

總結(jié)了鎳、鈷濕法冶煉項(xiàng)目中臥式加壓釜的設(shè)計(jì)演變歷程，介紹了國內(nèi)鎳鈷濕法冶煉加壓浸出設(shè)備的發(fā)展與進(jìn)步。對鈦鋼復(fù)合板制加壓釜和鋼襯磚加壓釜在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題提出了合理化建議，并對加壓冶金設(shè)備技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

鎳鈷濕法冶煉； 加壓釜； 鈦鋼復(fù)合板； 鋼襯磚

鎳、鈷濕法冶煉臥式加壓浸出釜上世紀(jì)七十年代在金川公司就已經(jīng)安裝運(yùn)行，用于鈷冰銅硫酸浸出。該設(shè)備由中國恩菲完成非標(biāo)設(shè)計(jì)，國內(nèi)制造，采用鋼殼內(nèi)搪鉛再襯磚結(jié)構(gòu)，是國內(nèi)使用加壓浸出技術(shù)用于鎳鈷濕法冶煉工業(yè)生產(chǎn)的開端。上世紀(jì)八十年代，金川公司引進(jìn)了日本的一套鋼襯磚臥式加壓釜，用于對鎳冶煉工藝進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。上世紀(jì)九十年代，中國恩菲設(shè)計(jì)的用于鎳濕法冶煉生產(chǎn)的鋼襯磚制臥式加壓釜在新疆阜康冶煉廠投入運(yùn)行，至今仍正常生產(chǎn)。2000年左右，中國恩菲承擔(dān)吉林鎳業(yè)公司的1萬t/年精制硫酸鎳冶煉項(xiàng)目設(shè)計(jì)，首次采用鈦鋼復(fù)合板制臥式加壓釜對高冰鎳進(jìn)行氧壓條件下的選擇性連續(xù)浸出，生產(chǎn)電子級硫酸鎳。該釜的容積大約20 m3，在嚴(yán)格的操作制度下從2001年投產(chǎn)正常運(yùn)行至今，打破了鈦制釜不能在氧壓環(huán)境下應(yīng)用的說法，為后續(xù)類似的工程奠定了基礎(chǔ)。該釜的成功設(shè)計(jì)、研究、制造和使用，是我國濕法冶金技術(shù)發(fā)展中一項(xiàng)突破性的進(jìn)步，為我國有色金屬的濕法冶金，特別是鎳、鈷金屬的高溫氧壓提取，以及鈦鋼復(fù)合板制加壓釜的設(shè)計(jì)與制造，提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)?；诩嚰訅焊某晒\(yùn)行，金川公司在2008年的鎳精煉項(xiàng)目中采用了容積超過200 m3的鈦鋼復(fù)合板制加壓釜進(jìn)行鎳金屬氧壓浸出，并正常運(yùn)行至今。

對于濕法冶煉高氧分壓(≥35%)的氧壓浸出工藝過程，國內(nèi)外仍采用鋼外殼搪鉛再襯磚的結(jié)構(gòu)，只是隨著設(shè)計(jì)手段的進(jìn)步，有限元分析設(shè)計(jì)更多的融入到設(shè)計(jì)過程，使得設(shè)備的安全性提高，不同材料之間的匹配性更加合理，使用壽命延長，生產(chǎn)效率更高。中國恩菲為某項(xiàng)目設(shè)計(jì)的鈷冰銅氧壓浸出加壓釜采用了鋼外殼搪鉛再襯耐酸耐溫磚的結(jié)構(gòu)，吸收了國內(nèi)外類似釜的經(jīng)驗(yàn)，采用了有限元分析方法進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

對于低品位鎳紅土礦的冶煉，需要更高的溫度、更高的壓力、更高的酸度及更大的容積，如中國恩菲承接的某紅土鎳礦項(xiàng)目，采用鈦鋼復(fù)合板制加壓釜，操作溫度超過240 ℃、操作壓力超過4.8 MPa、幾何容積超過了750 m3。

1 加壓釜結(jié)構(gòu)分析

鎳、鈷冶煉加壓釜是浸出工藝中重要的關(guān)鍵設(shè)備，一般都工作在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)、高溫、高壓、高磨損的工礦條件下。根據(jù)工藝條件和各種要求的不同，可以選擇采用鈦鋼復(fù)合板制造(見圖1)或鋼襯復(fù)合襯里結(jié)構(gòu)(見圖2)。加壓釜一般由臥式釜體、工藝內(nèi)插管及管口(包括進(jìn)出料、安全泄放、壓力溫度監(jiān)控、加熱、冷卻等)、攪拌裝置、機(jī)械密封和密封潤滑冷卻系統(tǒng)等組成。釜體內(nèi)采用隔墻分隔成多個(gè)隔室，每個(gè)隔室?guī)в歇?dú)立的攪拌裝置，攪拌裝置垂直安裝在釜體上方。此類釜的設(shè)計(jì)、制造及使用的技術(shù)性很強(qiáng)，要求很嚴(yán)格，涉及到冶煉工藝的要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選擇、高壓下機(jī)械密封、制造、安全防護(hù)及溫度、壓力、液位、流量、含氧濃度等相關(guān)各參數(shù)，要求在工作狀態(tài)下工藝、設(shè)備、儀表連鎖集散控制等多學(xué)科的綜合交叉集合，才能保證安全、穩(wěn)定的正常生產(chǎn)。

圖1 鈦鋼復(fù)合板制加壓釜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鋼襯磚加壓釜結(jié)構(gòu)示意圖

在釜體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在滿足工藝要求的有效容積的前提下，其長徑比的確定是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它不僅要保證釜體在內(nèi)壓力、重力載荷和攪拌裝置引起的動(dòng)載荷作用下處于良好的受力狀況，還要保證每個(gè)隔室的長度和直徑之比能使介質(zhì)在攪拌器的攪拌作用下處于最佳的流動(dòng)狀態(tài)，還要考慮釜內(nèi)留有合適的操作空間。隔室的數(shù)量可根據(jù)項(xiàng)目情況進(jìn)行確定。如某工程臥式加壓釜幾何容積要求9 m3，開始設(shè)計(jì)方案采用四隔室，內(nèi)部設(shè)置盤管，直徑較小。設(shè)計(jì)過程中分析此釜內(nèi)部空間狹小，不利于安裝和維修內(nèi)部構(gòu)件。于是協(xié)調(diào)各方，將釜體直徑改大，四個(gè)隔室調(diào)整為三個(gè)隔室。即滿足了工藝要求，又方便操作。

2 設(shè)計(jì)因素分析

2.1 鈦鋼復(fù)合板制加壓釜釜體

(1)對于使用氧氣的加壓釜，必須保證釜內(nèi)氣相在運(yùn)行狀態(tài)下含O2≤33%～35%，否則有使高壓釜內(nèi)襯的工業(yè)純鈦發(fā)生燃燒的危險(xiǎn)。圍繞著這項(xiàng)特殊規(guī)定和對介質(zhì)的耐蝕要求，不但要強(qiáng)化工藝操作，設(shè)計(jì)中對充氧管、攪拌軸等的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)也必須科學(xué)地考慮。

(2)在釜體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，用釜體所受內(nèi)壓力計(jì)算其壁厚只是一方面，另外還要綜合考慮高壓釜正常工作時(shí)攪拌器攪拌介質(zhì)引起的動(dòng)載荷，攪拌裝置支撐在釜體上，在釜體開孔與接管處引起的較大的、復(fù)雜的邊緣應(yīng)力以及因基層材料與復(fù)層材料熱膨脹系數(shù)不同而引起的應(yīng)力。

(3)在充氧條件下，內(nèi)部附件固定必須牢固，鈦材內(nèi)件固定界面最好進(jìn)行隔離，防止鈦材表面相互摩擦。

(4) 在強(qiáng)磨損區(qū)域可設(shè)置耐磨板，定期檢查更換，避免釜體破壞。

(5)外部須保溫隔熱。

(6)檢漏孔須接短管伸出保溫隔熱層外，有條件可接管匯總到水池中，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏情況。

2.2 鋼襯磚釜體

此類釜一般用于強(qiáng)腐蝕性、高氧氣含量的工藝反應(yīng)過程。鋼釜體內(nèi)圓筒體采用隔離層再襯耐酸耐溫磚。

(1)在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意襯里對鋼殼的作用力與反作用力，必要時(shí)采用有限元方法進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

(2) 合理的選擇襯里材料，包括隔離層、耐酸耐溫磚、膠泥等。國內(nèi)目前所用釜隔離層材料采用搪鉛，但搪鉛的施工過程對工人的危害較大，對環(huán)境也有一定的影響，因此，希望找到一種環(huán)保材料替代搪鉛，并能夠滿足工藝生產(chǎn)的要求。國外有成功使用有機(jī)覆層作為隔離層的實(shí)例，國內(nèi)有待進(jìn)一步考核、論證、推廣使用。

(3)隔墻及擋板一般采用磚砌結(jié)構(gòu)，也可采用耐腐蝕金屬結(jié)構(gòu)。磚砌隔墻及擋板設(shè)計(jì)、施工要求牢固嵌入筒體襯里中，不得出現(xiàn)松動(dòng)、掉磚情況。金屬隔墻及擋板須保證有足夠的強(qiáng)度、剛度，避免金屬變形對筒體磚襯產(chǎn)生影響。

(4)管口處的排磚要合理，防止襯磚脫落，特別是攪拌裝置安裝口等有震動(dòng)的管口處，鋼接管及磚襯合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

2.3 攪拌裝置

攪拌裝置是高壓釜的核心，在釜內(nèi)達(dá)到工藝要求的工作溫度和工作壓力下，足夠的攪拌強(qiáng)度是達(dá)到理想反應(yīng)效果的保證。

(1)影響和制約攪拌強(qiáng)度的因素很多，礦漿比重、黏度、固體含量、固體顆粒大小、固體真比重、氣體加入與否、氣體加入點(diǎn)、反應(yīng)要求的程度大小、隔墻高度、擋板形式、攪拌器型式、攪拌轉(zhuǎn)速等諸多因素都要綜合考慮，特別應(yīng)該注意的是高溫狀態(tài)下液體比重減小對固體顆粒運(yùn)動(dòng)的影響。

(2)攪拌裝置須滿足機(jī)械密封對軸向竄動(dòng)和徑向擺動(dòng)的要求。

(4)氧壓條件下，釜體內(nèi)部可能運(yùn)動(dòng)的部件必須可靠連接，必要時(shí)進(jìn)行點(diǎn)焊。

(5) 攪拌器材料的選擇，應(yīng)考慮安全性、耐腐蝕性等因素，在高速區(qū)域還需考慮耐磨性，可采用局部硬化，提高使用壽命。

2.4 機(jī)械密封及配套裝置

機(jī)械密封是攪拌裝置在釜內(nèi)壓力狀態(tài)下正常運(yùn)行的保證。

(1) 機(jī)械密封一般采用雙端面結(jié)構(gòu)?？筛鶕?jù)工藝條件選擇通用產(chǎn)品與攪拌裝置配套，或由攪拌裝置供貨商根據(jù)其攪拌裝置進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)并供貨。

(2)氧壓條件下，除動(dòng)靜環(huán)外，其余與釜內(nèi)介質(zhì)接觸部件嚴(yán)禁產(chǎn)生相對摩擦運(yùn)動(dòng)。

(3) 密封液如采用強(qiáng)制循環(huán)方式，應(yīng)設(shè)置斷流或失壓報(bào)警，如采用靜態(tài)釜壓聯(lián)動(dòng)方式，應(yīng)設(shè)置密封液低液位報(bào)警，便于操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。

3 加壓釜技術(shù)發(fā)展方向

隨著鎳鈷礦的品位越來越低，浸出難度越來越大，有價(jià)金屬浸出工藝向著高壓、高溫、強(qiáng)酸、充入各種氣體強(qiáng)化反應(yīng)的方向發(fā)展，且越來越復(fù)雜。曾經(jīng)在～1.0 MPa、～160 ℃、pH～2的操作條件下就能對高冰鎳進(jìn)行浸出，而低品位鎳紅土礦的浸出條件≥5.0 MPa、≥240 ℃、pH～0.5就顯得非?？量?。以前的設(shè)備部件材料采用普通鈦材即可滿足生產(chǎn)，而在更加惡劣的工況下，就需要選擇鈦合金(如鈦鈀合金、鈦鉬鎳合金等)、超級雙相鋼、鎳基合金、甚至金屬鉭等超級耐腐蝕合金才能滿足生產(chǎn)要求。

隨著鎳鈷礦的品位越來越低，同樣金屬產(chǎn)量處理的原礦量會成倍增加，在強(qiáng)化單位處理能力的前提下，設(shè)備的容積將向大型化方向發(fā)展。中國恩菲參與設(shè)計(jì)項(xiàng)目的加壓釜從9 m3、16 m3、20 m3、50 m3、150 m3、250 m3直到鎳紅土礦的加壓釜容積達(dá)到750 m3，加壓釜容積越大，要求設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行的難度也會越來越大。

隨著控制理論、一次儀表、自動(dòng)控制閥門等水平的提高，自動(dòng)監(jiān)測加報(bào)警、人工調(diào)整的模式逐漸向全程自動(dòng)監(jiān)測、自動(dòng)控制的方向發(fā)展，形成壓力、溫度、液位、物料平衡、配套設(shè)備、反應(yīng)效果等數(shù)據(jù)監(jiān)測與過程控制連鎖的一整套自動(dòng)化系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性、安全性。

Summarizationofhorizontalautoclaveinnickelandcobalthydrometallurgicalprojects

ZHAO Ai-jun

The development process of design of horizontal autoclave in nickel and cobalt hydrometallurgical projects was summarized, and the development and improvement of pressure leaching equipments in domestic nickel and cobalt hydrometallurgy were introduced. The reasonable suggestions for the design of titanium steel composite board autoclave and brick-lining steel autoclave were proposed, and development of pressure hydrometallurgical equipment in the future was discussed in this paper.

nickel and cobalt hydrometallurgy; autoclave; titanium steel composite board; brick-lining steel

趙愛君(1960—)，男，北京人，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事濕法冶金設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

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