華寶同，沈永紅，邢友前，郝江濤，趙振軍

（1.江蘇新宏大集團(tuán)有限公司，江蘇泰州 225721；2.青海鹽湖工業(yè)股份有限公司，青海格爾木 816000）

全球鉀資源分布嚴(yán)重不均， 中國(guó)的鉀資源儲(chǔ)量?jī)H占世界鉀資源總量的1.63%， 因此鉀鹽是我國(guó)緊缺的礦產(chǎn)資源。與此同時(shí)，我國(guó)又是鉀鹽特別是鉀肥的消耗大國(guó)， 我國(guó)鉀肥的消耗量約占世界鉀肥消耗總量的20%。 目前，我國(guó)鉀肥長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，每年約有50%的鉀肥源自進(jìn)口。

青海鹽湖工業(yè)集團(tuán)股份有限公司位于中國(guó)最大的干涸內(nèi)陸鹽湖——察爾汗鹽湖， 是中國(guó)最大的鉀肥工業(yè)生產(chǎn)基地。 目前，該企業(yè)年產(chǎn)氯化鉀5 000 kt，在生產(chǎn)過(guò)程中要排放出大約30 000 kt 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的含鉀廢鹽，折合含純鉀約600 kt。 以前，由于鹽湖集團(tuán)的生產(chǎn)工藝無(wú)法對(duì)這部分廢鹽進(jìn)行有效的回收利用，只能每年投入上億的費(fèi)用進(jìn)行堆存處理。為了滿足國(guó)內(nèi)高端氯化鉀的市場(chǎng)需求， 實(shí)現(xiàn)對(duì)含鉀廢鹽的回收利用， 鹽湖集團(tuán)下屬青海鹽湖三元鉀肥股份有限公司成立了熱溶車間對(duì)鈉鹽池及反浮選尾礦中的含鉀廢鹽進(jìn)行溶鉀回收鉀資源。

由于該熱溶車間建設(shè)時(shí)是國(guó)內(nèi)第1 套、 世界第3 套熱溶結(jié)晶精制氯化鉀工藝， 因此沒(méi)有充足的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。該廠通過(guò)小試獲取了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)后，經(jīng)批準(zhǔn)，正式建設(shè)100 kt/a 熱溶精制氯化鉀項(xiàng)目。 該項(xiàng)目于2010 年建成試車， 試車過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題。 針對(duì)這些問(wèn)題，該廠對(duì)熱溶槽、結(jié)晶槽進(jìn)行了一系列的改造，最終實(shí)現(xiàn)了達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)、降本增效。 本文擬對(duì)此次改造進(jìn)行分析， 以期探討含鉀廢鹽資源綜合利用、熱溶車間節(jié)能降耗的途徑。

1 熱溶車間鉀鹽生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 熱溶車間鉀鹽生產(chǎn)流程

熱溶車間的主要生產(chǎn)過(guò)程為先通過(guò)對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)廢棄物中的鉀進(jìn)行溶解回收，利用鹽田曬制鉀石鹽，然后通過(guò)熱溶—真空結(jié)晶工藝制取氯化鉀。 其生產(chǎn)流程，見(jiàn)圖1。

圖1 熱溶車間生產(chǎn)流程

1.2 存在問(wèn)題

在熱溶車間設(shè)計(jì)之初，一共有4 臺(tái)熱溶攪拌槽，槽體規(guī)格為?4 500 mm×5 500 mm （小W 形底、平頂），實(shí)行串聯(lián)布置。 其中，一、二號(hào)熱溶槽主要為升溫溶解裝置， 故采用的是蒸汽通過(guò)環(huán)形管噴射的方式對(duì)物料直接加熱；三、四號(hào)熱溶槽采用籠式密封加熱環(huán)形管進(jìn)行加熱。 熱溶槽底部蒸汽盤(pán)管見(jiàn)圖2。

圖2 熱溶槽底部蒸汽盤(pán)管

一、 二號(hào)熱溶槽的蒸汽盤(pán)管環(huán)管直徑為?3 400 mm，盤(pán)管尺寸規(guī)格為?139.77 mm×6.37 mm,共2 圈。蒸汽環(huán)管位于熱溶槽底部以上1 m 處，環(huán)管下部開(kāi)設(shè)直徑為?5 mm 的蒸汽噴射孔，噴射孔間距為200 mm。三、四號(hào)熱溶槽的蒸汽盤(pán)管環(huán)管直徑為?2 500 mm，尺寸規(guī)格為?139.7 mm×6.3 mm,共4 圈。豎向排管尺寸規(guī)格為?45 mm×3 mm,每圈100 等分。蒸汽進(jìn)入管的尺寸規(guī)格為?168.37 mm×7.17 mm，與最上層環(huán)形管相連并均勻供應(yīng)蒸汽。 蒸汽盤(pán)管位于熱溶槽底部以上0.5 m 處。 攪拌槽中物料工作溫度為95 ℃，工作壓力為常壓；蒸汽溫度約175 ℃，壓力為0.8～0.9 MPa。

在試車過(guò)程中，熱溶槽存在以下幾方面的問(wèn)題：1）試車期間頻繁停、開(kāi)機(jī)，物料驟冷驟熱，造成蒸汽盤(pán)管內(nèi)部結(jié)鹽并難以清理，部分噴孔失去作用，致使蒸汽噴射不均勻。2）由于蒸汽的噴射量較大，需要利用攪拌葉片對(duì)其與物料進(jìn)行混合加熱。 攪拌葉片的使用增加了設(shè)備負(fù)荷，再加上后期蒸汽噴射不均勻，導(dǎo)致攪拌葉片頻繁脫落， 進(jìn)而引起熱溶槽的振動(dòng)頻率和幅度加大，實(shí)心攪拌軸因此經(jīng)常斷裂，嚴(yán)重制約生產(chǎn)。3）由于環(huán)管下部的噴孔為直噴孔，蒸汽的使用量無(wú)法控制， 導(dǎo)致試車時(shí)每噸氯化鉀需要消耗2.2 t左右的蒸汽。4）由于蒸汽進(jìn)入熱溶槽過(guò)多，冷凝淡水參與熱溶過(guò)程的量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)指標(biāo)， 導(dǎo)致上清液處于不飽和狀態(tài)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。5）加熱盤(pán)管普遍出現(xiàn)裂紋。 6）生產(chǎn)中產(chǎn)生大量泡沫，且不容易消除，常出現(xiàn)漫槽現(xiàn)象，腐蝕上部設(shè)備。7）大量蒸汽從攪拌口溢出，影響作業(yè)環(huán)境，也帶來(lái)了不必要的能量損失。

2 取樣分析

2.1 取樣部位宏觀分析

對(duì)存在裂紋的接管進(jìn)行取樣，見(jiàn)圖3，可以清楚地看到焊縫處裂紋及軸向裂紋。 結(jié)合其他取樣可以發(fā)現(xiàn)，裂紋分布的區(qū)域集中在焊縫的熱影響區(qū)，遠(yuǎn)離焊縫的接管裂紋缺陷很少。

圖3 接管裂紋取樣

2.2 化學(xué)成分分析

為確認(rèn)本次取樣材料的化學(xué)成分，參照《不銹鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》（GB/T 11170—2008），對(duì)樣品進(jìn)行化驗(yàn)分析。測(cè)得w（C）=0.025%，w（Ni）=4.9%，w（Cr）=22.75%，w（Mo）=2.83%。 其中，除w（Mo）略低于3.0%～3.5%的標(biāo)準(zhǔn)值，其余元素均符合要求。

2.3 金相組織分析

對(duì)裂紋處材料取金相試樣進(jìn)行鑲嵌研磨處理，參照 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》（GB/T 13298—2015）、《不銹鋼中α-相面積含量金相測(cè)定法》（GB/T 13305—2008），進(jìn)行了金相檢測(cè)。試樣500 倍的金相照片見(jiàn)圖4，圖中可見(jiàn)白色奧氏體組織+灰色及褐色鐵素體組織， 其中褐色鐵素體組織中彌散分布大量二次相沉淀，且鐵素體、奧氏體分布不均。

圖4 試樣500 倍的金相照片

2.4 腐蝕分析

熱溶攪拌槽的槽體、盤(pán)管、攪拌軸、槳葉、噴頭等使用的是2205 雙相不銹鋼材料。 該材料的鉻、鉬的含量都很高， 因此具有較好的抗點(diǎn)腐蝕和均勻腐蝕的能力。在交貨狀態(tài)下觀測(cè)，其顯微組織具有約50%的鐵素體和約50%的奧氏體雙相組織， 足以保證其具有較高的抗應(yīng)力腐蝕破裂的能力； 而且機(jī)械強(qiáng)度也很高，20 ℃下的屈服強(qiáng)度達(dá)542 MPa，100 ℃下的屈服強(qiáng)度達(dá)360 MPa。

制作規(guī)格為50 mm×50 mm×10 mm 的2205 掛片，放入現(xiàn)場(chǎng)熱溶槽中進(jìn)行3×24 h 試驗(yàn)，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 2205 材料浸泡試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可知，此材質(zhì)耐腐蝕、耐磨蝕的特性能夠適應(yīng)熱溶槽的工況。

2.5 制作工藝分析

從圖3 中不難看出， 絕大部分裂紋處于環(huán)形集箱上的焊接影響區(qū)， 這說(shuō)明雙相不銹鋼焊接的主要問(wèn)題不在焊縫，而在熱影響區(qū)（HAZ）。 分析認(rèn)為，這是由于在焊接熱循環(huán)作用下， 熱影響區(qū)處于快冷非平衡態(tài)，冷卻后會(huì)保留下更多的鐵素體，從而增加了材料的腐蝕傾向和發(fā)生氫脆的可能性。 在雙相不銹鋼的等溫時(shí)效和不恰當(dāng)?shù)臒崽幚磉^(guò)程中會(huì)有眾多二次相的沉淀析出（如碳化物、Cr2N、CrN、σ 相、二次奧氏體等[1]）。 其中，最有害的析出相是σ 相，這就要求在進(jìn)行熱處理和熱成形時(shí)，應(yīng)避開(kāi)形成σ 相的溫度區(qū)間，盡量提高溫度，固溶后采用水冷的方法快速冷卻[2]。

由于豎向豎管之間距離只有33.5 mm， 且環(huán)形管是通過(guò)冷彎成形。 2205 的屈服強(qiáng)度較高，環(huán)形管冷彎成形的過(guò)程可能會(huì)引起材料塑性變形。 此環(huán)管的直徑較大，補(bǔ)償量大，彎曲應(yīng)該沿著軋制垂直方向進(jìn)行，變形完成后須進(jìn)行淬火軟化處理。

腐蝕疲勞的斷口由三部分組成，即疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)， 在裂紋擴(kuò)展區(qū)往往覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，瞬時(shí)斷裂區(qū)則與一般疲勞斷口相同。從圖3 中可以看出，裂紋是由疲勞源開(kāi)始擴(kuò)展，且其表面覆蓋有氯化鹽晶體。在這種高溫氯化物溶液中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕， 兩者疊加則加劇了鋼管的開(kāi)裂。

3 改造措施

3.1 設(shè)計(jì)新型蒸汽噴嘴

經(jīng)過(guò)上述分析認(rèn)為， 原有盤(pán)管加熱方式及盤(pán)管結(jié)構(gòu)并不適合此工況， 因此該公司設(shè)計(jì)了一種新型蒸汽噴嘴來(lái)代替盤(pán)管加熱，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 新型蒸汽噴嘴結(jié)構(gòu)

將該噴嘴置于一、二號(hào)熱溶槽進(jìn)行試驗(yàn)，取得了明顯效果：1）使用蒸汽噴嘴后每生產(chǎn)1 t 氯化鉀的蒸汽用量由試車時(shí)的2.2 t 降至1.6 t， 產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值138 元/t，降低成本1 380 萬(wàn)元/a。2）提前在噴嘴內(nèi)將蒸汽和物料混合并且噴射均勻，故對(duì)攪拌葉片的影響極小，基本杜絕了葉片脫落現(xiàn)象，避免了熱溶槽振動(dòng)大的現(xiàn)象出現(xiàn)。 3）由于去除了槽內(nèi)加熱盤(pán)管，物料的循環(huán)性有較大的提高，蒸汽與物料混合效果較好。蒸汽用量減少，還使進(jìn)入熱溶槽的蒸汽量和冷凝水同步減少，上清液基本可以達(dá)到飽和狀態(tài)，極大地提高了質(zhì)量和產(chǎn)量。4）采用新型蒸汽噴頭后，管路較短，避免了前期加熱環(huán)管普遍出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象。5）針對(duì)泡沫和蒸汽外溢現(xiàn)象，在槽蓋處增加帶有冷卻系統(tǒng)的填料密封裝置， 從根本上解決了設(shè)備腐蝕問(wèn)題，改善了作業(yè)環(huán)境。

3.2 改進(jìn)熱溶攪拌軸及槳葉

3.2.1 攪拌軸的改進(jìn)

攪拌裝置運(yùn)行時(shí)， 攪拌軸主要承受扭矩及彎矩的疊加力。 而軸的強(qiáng)度及剛度在受力相同的情況下是與其抗彎截面模量W 有關(guān)的。 實(shí)心圓、空心管的模量計(jì)算公式[3]分別見(jiàn)式（1）、式（2）。

式中：D 為外徑，mm；d 為內(nèi)徑，mm；α=d/D。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)： 原攪拌軸采用的實(shí)心軸直徑D=?175 mm，此次采用的無(wú)縫鋼管規(guī)格為?219 mm×18 mm。代入式（1）、式（2）得：W實(shí)心圓=525 888 mm3；W空心軸=528 187 mm3。

按2205 材質(zhì)密度ρ=7 800 kg/m3計(jì)算， 每米質(zhì)量為：m實(shí)心圓=187.52 kg/m；m空心軸=88.61 kg/m。 很明顯，改造后的攪拌軸質(zhì)量降低了52.7%，且改造至今未發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

撓度計(jì)算公式見(jiàn)式（3）：

式中：fA為撓度,mm；P 為軸端徑向力,N；l 為力臂,mm；E 為彈性模量，N/mm2；I 為慣性矩，mm4，I=W×0.5D。

將I 代入撓度計(jì)算公式可知，fA與D4成反比，即在受力、力臂相同、相同材料情況下，攪拌軸外徑越大，其撓度越小，運(yùn)行時(shí)擺動(dòng)量也就越小。

攪拌軸的設(shè)計(jì)除了強(qiáng)度、剛度的計(jì)算，還需校核攪拌裝置的臨界轉(zhuǎn)速。 攪拌軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期變化的離心力，這個(gè)力的變化頻率與轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)離心力引起的振動(dòng)頻率和攪拌軸的固有頻率一致時(shí)，發(fā)生的振動(dòng)頻率最大，即共振。 這時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速叫臨界轉(zhuǎn)速。 臨界轉(zhuǎn)速又分一階臨界轉(zhuǎn)速和二階臨界轉(zhuǎn)速。當(dāng)工作轉(zhuǎn)速小于一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，攪拌軸按剛性軸設(shè)計(jì)， 當(dāng)工作轉(zhuǎn)速介于一階臨界轉(zhuǎn)速與二階臨界轉(zhuǎn)速之間時(shí)，攪拌軸按柔性軸設(shè)計(jì)。為避免攪拌軸斷裂和槽體振動(dòng)，必須計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速值，并需符合相關(guān)規(guī)定。 攪拌槳、攪拌軸制作完畢后，還需對(duì)攪拌器、攪拌軸和攪拌器組合分別做靜、動(dòng)平衡試驗(yàn)。這樣能有效降低攪拌槽的振動(dòng)頻率， 延長(zhǎng)攪拌軸的使用壽命。臨界轉(zhuǎn)速、平衡試驗(yàn)均須符合化工行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械攪拌設(shè)備》（HG/T 20569—2013）相關(guān)規(guī)定[4]。

3.2.2 葉輪的改進(jìn)

葉輪是攪拌裝置關(guān)鍵部件， 它的作用是給槽中物料提供循環(huán)動(dòng)力。此次改造，槳葉形式選擇為變截面、變傾角、圓弧、流量型HDCBY 槳。 此槳葉采用專用模具一次性成型， 確保每一個(gè)機(jī)翼型剖面均能圓滑過(guò)渡。螺旋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使流體以軸向流動(dòng)為主，循環(huán)動(dòng)力大，能廣泛適用于固液懸浮、混合、溶解、傳質(zhì)、反應(yīng)等工作狀態(tài)。 其工作面積大，從而增強(qiáng)了軸向循環(huán)流動(dòng)， 能使槽底部沉積的料漿有效地懸浮起來(lái)， 因此此槳葉在固液懸浮場(chǎng)合適用性更強(qiáng)。 在槳徑、槽徑比和流量均相同的條件下，與傳統(tǒng)的斜葉槳相比，此槳葉能節(jié)約能耗近45%，具有超強(qiáng)的泵送能力。 攪拌功率及單位時(shí)間排量計(jì)算公式分別見(jiàn)式（4）、式（5）。

式中：P 為攪拌功率，W；Q 為攪拌單位時(shí)間排量，m3/s；Np為功率準(zhǔn)數(shù)；ρ 為混合物料密度，kg/m3；v 為攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；D 為攪拌直徑，m；NQ為攪拌槳排量準(zhǔn)數(shù)[5]。

綜合式（4）、式（5）可知，在相同槳徑和相同流量下,軸功率P 與Np/NQ3成正比，這個(gè)比值可作為攪拌槳效率的判據(jù)。 常用的幾種流量型攪拌槳Np/NQ3見(jiàn)表2， 對(duì)于同樣的攪拌效果，Np/NQ3越小功耗越低。其中螺旋槳的Np/NQ3值也較小， 但此槳形式只適用于小型槽體，越大耗材越多，越不經(jīng)濟(jì)。

表2 攪拌槳葉相對(duì)效率

在功率不變的條件下， 采用HDCBY 槳可以獲得更高的循環(huán)流量，鹽渣能得到更充分的溶解，在更低的電機(jī)頻率下，可達(dá)到同等的循環(huán)流量，從而達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

3.3 結(jié)晶器底攪拌改造

結(jié)晶槽原攪拌由萊寧公司設(shè)計(jì)制造， 其密封形式采用填料密封，密封材料為聚四氟乙烯盤(pán)根。由于物料靜壓、攪拌運(yùn)行的擺動(dòng)、磨損、填料徑向補(bǔ)償量小，使其無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)密封，漏液嚴(yán)重。 滲漏液會(huì)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕，嚴(yán)重影響設(shè)備安全、車間作業(yè)環(huán)境。 因此，該廠根據(jù)結(jié)晶鹽特性，決定改為采用雙端面機(jī)械密封。為防止結(jié)晶顆粒沉降堵塞，引起密封環(huán)磨損，在常規(guī)底攪拌機(jī)封的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。此結(jié)構(gòu)機(jī)械密封還可以在線更換， 不需排凈料漿就可實(shí)現(xiàn)。 經(jīng)過(guò)改造，密封處不再有漏液現(xiàn)象，且機(jī)械密封的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 年, 有效節(jié)省了設(shè)備維護(hù)時(shí)間及成本。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)使用蒸汽噴嘴代替原有盤(pán)管結(jié)構(gòu)， 改用無(wú)縫鋼管作攪拌軸，采用HDCBY 節(jié)能型槳葉，底攪拌密封改機(jī)械密封等一系列改造， 三元公司熱溶車間在達(dá)產(chǎn)、節(jié)能、提質(zhì)、增效上有很大地提升，大幅降低了運(yùn)行成本及后期維護(hù)成本，提升了產(chǎn)能、質(zhì)量。 該廠2018 年生產(chǎn)氯化鉀成品155 kt，2019 年生產(chǎn)氯化鉀成品180.66 kt， 創(chuàng)造了歷史最高產(chǎn)量；2020 年生產(chǎn)氯化鉀成品174.48 kt， 產(chǎn)品平均品位在90%以上，其中品位為98%的氯化鉀產(chǎn)品有30.18 kt。