歐陽燦

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

0 引言

濕法加壓酸浸工藝對于處理特定有色金屬低品位資源及伴生礦產(chǎn)資源具有金屬提取率高、工藝流程短、環(huán)境友好等特點[1-3]。隨著高品位礦產(chǎn)資源日益匱乏及環(huán)保要求的不斷提高，濕法加壓酸浸工藝近年來越來越受到重視。

反應(yīng)釜是濕法加壓酸浸工藝的核心設(shè)備之一，物料在密閉高溫加壓反應(yīng)釜內(nèi)進行液- 固兩相或液- 固- 氣三相浸出反應(yīng)，可以獲得遠大于常壓條件下的反應(yīng)推動力，浸出過程可以得到強化。

鈦鋼復(fù)合板是一種鈦與鋼結(jié)合在一起的特殊復(fù)合材料。這種材料在300 ℃以內(nèi)、氧化性酸環(huán)境下具有良好的耐蝕性和經(jīng)濟性。近年來各種規(guī)格的鈦鋼復(fù)合板臥式、立式反應(yīng)釜在鈷鎳硫化物精礦、紅土鎳礦、稀貴金屬渣等資源的濕法加壓酸浸項目中得到了廣泛應(yīng)用。

由于鈦鋼復(fù)合板材料本身的特殊性及濕法加壓酸浸工況的復(fù)雜性，鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜在設(shè)計中需要采取一些措施保證設(shè)備的安全運行。本文結(jié)合濕法冶金加壓酸浸工藝的特點對鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜在設(shè)計中應(yīng)重視的地方進行了闡述。

1 反應(yīng)釜設(shè)計標準

有關(guān)鈦鋼復(fù)合板的國內(nèi)現(xiàn)行標準如表1所示。

表1 鈦鋼復(fù)合板相關(guān)國內(nèi)現(xiàn)行標準

此外，用于加壓酸浸工藝的鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜屬于壓力容器，其設(shè)計還應(yīng)滿足TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱《固容規(guī)》)、《壓力容器》等現(xiàn)行壓力容器規(guī)程規(guī)范(GB 150.1—2011、GB 150.2—2011、GB 150.3—2011、GB 150.4—2011)的要求。

設(shè)計者應(yīng)當注意的是，硫酸常作為加壓酸浸反應(yīng)釜中的反應(yīng)介質(zhì)之一，壓力容器設(shè)計中對于硫酸毒性程度的界定，現(xiàn)行《固容規(guī)》中要求根據(jù)標準HG 20660—2000《壓力容器中化學介質(zhì)毒性危害和爆炸危險程度分類》確定，該標準將硫酸定義為中度危害。而在上述標準的更新版本(HG/T 20660—2017《壓力容器中化學介質(zhì)毒性危害和爆炸危險程度分類標準》)中硫酸已被定義為極度危害介質(zhì)。這就提醒有關(guān)設(shè)計人員，今后新版《固容規(guī)》要求按照標準HG/T 20660—2017來劃分介質(zhì)毒性程度，對于采用含硫酸類液體作為反應(yīng)介質(zhì)的鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜在容器劃類、結(jié)構(gòu)設(shè)計、檢測要求等各方面均應(yīng)按盛裝極度危害介質(zhì)容器對待。

2 反應(yīng)釜殼體選材要求

鈦鋼復(fù)合板根據(jù)材料成型方法不同可以分為軋制復(fù)合板、爆炸復(fù)合板和爆炸-軋制復(fù)合板三類，鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜殼體材料幾乎都為爆炸復(fù)合板。爆炸復(fù)合板即通過爆炸成形的方式將鈦復(fù)層(工業(yè)純鈦或鈦合金)與鋼基層(碳鋼或低合金鋼)結(jié)合為一體所形成的復(fù)合板?？捎米麾佷搹?fù)合板復(fù)層的國產(chǎn)鈦及鈦合金牌號主要有TA0、TA1、TA2、TA9、TA10。其中TA1、TA2鈦純度高，爆炸成形缺陷少，貼合強度高，反應(yīng)釜殼體復(fù)層材料多選用TA1或TA2。

鈦鋼復(fù)合板爆炸復(fù)合后應(yīng)通過退火消除內(nèi)應(yīng)力。此外，鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜設(shè)計文件中應(yīng)規(guī)定用于設(shè)備制造的爆炸復(fù)合板類別。爆炸復(fù)合板類別及特點如表2所示[4]。

表2 爆炸復(fù)合板類別及特點

由表2可知B0類復(fù)合板力學性能最優(yōu)，但B0類復(fù)合板在爆炸成形過程中良品率低，造價成本高。鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜絕大多數(shù)屬于中低壓反應(yīng)容器，B1、B2類復(fù)合板通?？梢詽M足要求。此外，為保證一些特殊工況下鈦鋼復(fù)合板的貼合強度，設(shè)計人員應(yīng)額外對鈦鋼復(fù)合板的剪切強度提出明確要求。

3 規(guī)避不利介質(zhì)

鈦之所以在許多介質(zhì)中耐腐蝕性強于鋼材，主要是由于鈦在空氣或者氧化性、中性水溶液介質(zhì)中，其表面容易形成致密的氧化鈦鈍化膜[5]。但是鈦在一定條件下接觸氫氟酸、氫氣、干氯氣、氟化物溶液、四氯化碳、熔融金屬鹽等介質(zhì)后，鈦表面氧化膜易被破壞，導(dǎo)致鈦材耐腐蝕性急劇下降并引發(fā)應(yīng)力腐蝕，甚至燃燒、爆炸[6]。在這些介質(zhì)環(huán)境下應(yīng)回避使用鈦鋼復(fù)合板或采取其他措施。設(shè)計人員應(yīng)在反應(yīng)釜設(shè)計前詳細了解反應(yīng)釜內(nèi)浸出原料成分及反應(yīng)副產(chǎn)物。例如對于氟含量過高的待浸原料，應(yīng)考慮在進入反應(yīng)釜前對這些物料脫氟處理。又例如某些合金廢渣料的加壓過程會副產(chǎn)少量氫氣，設(shè)計中可考慮物料進反應(yīng)釜前通過預(yù)浸工序?qū)錃馀懦?/p>

4 防磨設(shè)計

加壓酸浸過程中鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜攪拌器下方一定區(qū)域及攪拌器葉片端部與礦漿顆粒之間相對運動速度高容易被磨蝕。特別是臥式反應(yīng)釜最后一個隔室內(nèi)由于料位較低、礦漿湍流強度大，礦漿顆粒對于設(shè)備的磨損大于其他隔室。反應(yīng)釜設(shè)計中可以采取的有效防磨措施包括：在攪拌器下方易磨損區(qū)域內(nèi)增設(shè)鈦防磨板，定期對防磨板進行檢查補焊；對硬度高、粒度大的反應(yīng)漿料，可采取選用更耐磨的鈦合金材質(zhì)攪拌槳葉、對攪拌槳葉易磨損區(qū)域局部噴涂耐磨層、攪拌槳葉端部邊角圓滑過渡等手段保證攪拌器使用壽命；對于臥式反應(yīng)釜最后一個隔室，可根據(jù)物料混合需求及料位情況，選擇合適的攪拌功率和槳葉形式來降低礦漿湍流強度。

5 反應(yīng)釜熱交換方式

加壓酸浸過程中除了物料自身反應(yīng)熱外還需要通過外加熱(冷)載體與釜內(nèi)物料進行換熱以保證反應(yīng)溫度。鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜幾種熱交換方式比較情況見表3。

由表3可知，釜內(nèi)通蒸汽(冷卻液)直接進行換熱的方式存在諸多優(yōu)點，水平衡允許條件下應(yīng)作為首選。夾套換熱結(jié)構(gòu)對反應(yīng)釜帶來的不利影響較多，應(yīng)謹慎使用。

6 合理設(shè)置檢漏孔

鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜設(shè)計中需要考慮設(shè)置檢漏孔，一方面是為了在鈦層焊接時向焊縫背面提供氬氣保護，另一方面是為了制造過程中氦檢漏和設(shè)備運行時的泄漏檢查需要。反應(yīng)釜殼體應(yīng)按鋼基層縱、環(huán)焊縫位置劃分為各個獨立封閉的檢漏區(qū)域，每個檢漏區(qū)域端頭設(shè)置兩個檢漏孔。反應(yīng)釜接管大多采用無縫鋼管或鋼鍛件襯鈦結(jié)構(gòu)，對于每一個管口的背面應(yīng)設(shè)置兩個檢漏孔，一個位于接管口頸部，另一個位于附近殼體的最高或最低點。

表3 鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜幾種熱交換方式比較

7 熱氣循環(huán)試驗

復(fù)合板結(jié)構(gòu)中鈦復(fù)層與鋼基層之間線性膨脹系數(shù)差異較大，鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜內(nèi)鈦蓋板及接管襯層與鈦復(fù)層之間的焊縫在設(shè)備運行過程中受到內(nèi)壓和溫差應(yīng)力的雙重作用，特別是對于溫度、壓力經(jīng)常變動的間歇加壓酸浸反應(yīng)釜，極易使焊縫中存在的缺陷發(fā)展為焊接裂紋并造成滲漏。

實踐證明通過熱氣循環(huán)試驗對反應(yīng)釜進行升溫、升壓、保溫、保壓、降溫、降壓以模擬其真實使用工況，能夠最大程度發(fā)現(xiàn)鈦復(fù)層焊接接頭在生產(chǎn)過程中的泄漏隱患。對于復(fù)雜工況下運行的反應(yīng)釜，除了按鈦制壓力容器規(guī)范進行射線檢測、壓力試驗、滲透檢測、氣密性試驗、氦檢漏外，設(shè)計文件中加入熱氣循環(huán)試驗要求有利于保障鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜的制造質(zhì)量和使用壽命。熱氣循環(huán)試驗應(yīng)在最終水壓試驗合格后進行，釜內(nèi)溫度和壓力一般經(jīng)歷兩次循環(huán)。

8 其他事項

鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜鈦層的焊接質(zhì)量受施工環(huán)境的影響很大，作業(yè)環(huán)境中存在的油污、鐵離子等雜質(zhì)均容易導(dǎo)致焊接缺陷。設(shè)計文件中應(yīng)要求通過菲繞啉試驗、酸洗、陽極化處理等手段保證焊接環(huán)境和焊縫質(zhì)量。反應(yīng)釜外形尺寸應(yīng)盡可能控制在可運輸范圍內(nèi)以便于鈦材焊接在制造廠的潔凈廠房內(nèi)進行。

為避免釜內(nèi)縫隙腐蝕，反應(yīng)釜攪拌擋板、隔墻等部件在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)采取措施避免在設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)物料流的滯留區(qū)。

此外，通過設(shè)計合理的自控系統(tǒng)，對反應(yīng)釜壓力、溫度、料位、礦漿進出、通氣(汽)、排氣、泄壓等過程進行連鎖控制以杜絕違章操作，亦是保證鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜安全運行的重要因素。

9 結(jié)語

濕法冶金加壓酸浸工藝苛刻復(fù)雜的操作條件，要求鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜設(shè)備運行具有高度可靠性，鈦鋼復(fù)合板的應(yīng)用在我國盡管已經(jīng)歷了多年的發(fā)展，但是隨著各類金屬綜合回收礦料品位越來越低，加壓酸浸鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜還將趨向大型化發(fā)展，釜內(nèi)工況(溫度、壓力、酸度)也將進一步惡化，因此對于鈦鋼復(fù)合板反應(yīng)釜的設(shè)計、制造、檢驗、管理等各個環(huán)節(jié)均存在諸多值得繼續(xù)研究發(fā)展的地方。