有色冶金設(shè)施防腐及耐酸缸磚的應(yīng)用

孫治忠

有色冶金設(shè)施防腐及耐酸缸磚的應(yīng)用

孫治忠

(金川集團股份有限供應(yīng)分公司，甘肅金昌737102)

根據(jù)有色冶金中精煉及煙氣制酸工序處于強腐蝕環(huán)境、地面防腐常用材料選擇范圍較小的特點，闡述了耐酸缸磚的生產(chǎn)工藝、物理力學性能、耐腐蝕性能及其在有色冶金行業(yè)中的應(yīng)用。

設(shè)施防腐;耐酸缸磚;有色冶金

0 引言

有色金屬冶金具有工藝復雜、流程長、介質(zhì)對建(構(gòu))筑物、設(shè)備等腐蝕性強的特點。由于有色金屬火法冶煉只能產(chǎn)出中間產(chǎn)品，要產(chǎn)出符合國家等級品位產(chǎn)品，必須經(jīng)過濕法精煉才能做到。隨著科學技術(shù)進步和環(huán)境保護要求越來越嚴，不經(jīng)火法冶煉直接采用全濕法精煉工藝生產(chǎn)，受到許多企業(yè)關(guān)注并采用，同時也是未來發(fā)展方向。濕法精煉是通過采用大量酸、堿、鹽、Cl2、SO2、H2S、O2等物質(zhì)并加溫加壓進行化學反應(yīng)提純分離而得到合格產(chǎn)品的化工過程，區(qū)別只是有色金屬元素不同，加入上述物質(zhì)品種不同而已。濕法冶金生產(chǎn)中的介質(zhì)如酸、堿、鹽、油、水、汽等，對建筑、構(gòu)筑物具有很強的腐蝕性，因設(shè)計、施工、選材不當或管理等原因造成介質(zhì)跑、冒、滴、漏使得冶金建筑和構(gòu)筑物處于強腐蝕介質(zhì)的包圍之中，如果對其防腐措施不當，腐蝕很快，輕者耗費大量資金來維修，嚴重者造成建筑及構(gòu)筑物提前報廢或災難性破壞，導致人身傷害事故及巨大的經(jīng)濟損失。因此，搞好防腐蝕措施，對有色冶金濕法精煉至關(guān)重要。

眾所周知，選擇具有較好耐酸堿性能、強度高、抗沖擊、耐磨、與耐蝕膠泥的粘接強度高的材料，是濕法精煉防腐的關(guān)鍵因素，行業(yè)內(nèi)對這類材料進行了不斷探索和嘗試。耐酸耐磨耐溫缸磚能根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境選用相應(yīng)的膠泥砌筑，經(jīng)過有色治金行業(yè)多年大量應(yīng)用，獲得了滿意效果，是理想的有色、化工建筑、構(gòu)筑物防腐蝕材料之一。

1 有色濕法冶金工序環(huán)境特點

有色濕法冶金工序包括:浸出(分常壓與加壓)、凈化、過濾、沉降、蒸發(fā)、結(jié)晶、氯化、冷凝、洗滌、離子交換、干燥、煅燒、氫還原、熔鹽電解、水溶液電解、水溶液電積，以及它們之間的流體及物料輸送等多項單元操作過程。金屬元素不同，但生產(chǎn)工序總是離不開上述單元操作的組合。

1.1 有色濕法冶金工序腐蝕環(huán)境

濕法冶金工序過程的反應(yīng)動力是加溫、加壓、O2、Cl2、H2、H2S、SO2等，除干燥、煅燒、氫還原、熔鹽電解外，反應(yīng)過程均在酸性或堿性有色金屬鹽溶液中進行，和化工生產(chǎn)相似。反應(yīng)體系中，酸有H2SO4、HCl、HNO3，堿有Na0H、NaHCO3，只是因有色金屬元素和工藝不同，選擇酸、堿的種類和濃度、溫度、壓力高低不同，是否通入上述氣體各異。由于種種原因，介質(zhì)不可避免存在外泄，使建筑、構(gòu)筑物處在酸性或堿性有色金屬鹽溶液中。此外，作業(yè)現(xiàn)場空氣中也含有一定濃度的SO2、H2S、SO3、Cl2等腐蝕性氣體，相對濕度大，介質(zhì)溫度一般在45～95℃之間(如果是加壓工藝則達到165℃左右)。作為建筑物樓面、地面，由于工藝、操作、設(shè)備維修等特點，經(jīng)常受到?jīng)_擊、摩擦等外力作用。因此，此腐蝕環(huán)境等級要高于國家現(xiàn)行標準《GB 50046－2008工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》強腐蝕等級。

1.2 建筑、構(gòu)筑物腐蝕特點

有色冶金建筑物和構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)是由水泥、鋼材、磚、砂石等基本材料組成的一種多構(gòu)件、多孔洞形體，在復雜的冶金生產(chǎn)環(huán)境中，遭受介質(zhì)腐蝕是多方面的，在此僅對濕法冶金鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行介紹。鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)材料是混凝土與鋼筋的復合體，其腐蝕特點如下。

(1)化學溶蝕。酸類介質(zhì)與水泥水化后的固化物中游離的鋁酸三鈣、氫氧化鈣中的鈣水化物反應(yīng)，生成有一定溶解度的鹽;按酸類介質(zhì)不同，會生成Ca(NO3)2、CaSO4、CaCl2等鹽類。堿類介質(zhì)與混凝土中的硅酸鈣作用，生成膠粘強度不高的氫氧化鈣和易于溶于堿液的硅酸鈉;與鋁酸鈣作用則生成氫氧化鈣和易溶的鋁酸鈉。

(2)結(jié)晶破壞。鹽類溶液滲入混凝土中，在干濕交替的條件下，在孔洞或縫隙中結(jié)晶成固態(tài)鹽，例如氯化鈉、硫酸銅、硫酸鎳等鹽類。堿類(如NaOH)滲入混凝土，再與空氣中的二氧化碳作用生成含結(jié)晶水的碳酸鈉。酸類與混凝土中的氫氧化鈣作用，生成酸的鈣鹽結(jié)晶體，如含水硫酸鈣結(jié)晶體。上述酸、堿、鹽類介質(zhì)與混凝土的作用所生成的結(jié)晶鹽，由于體積膨脹而使材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、酥松、層層剝落等破壞。在多孔材料中，鹽類比酸、堿更易形成結(jié)晶，它的破壞性更大。

(3)鋼筋的腐蝕。酸性液體介質(zhì)或氣體介質(zhì)的滲入，使混凝土內(nèi)的pH值下降至10以下，或者有氯離子或其他活性較大的元素存在時，鋼筋表面存在的鈍化膜就會受到破壞，鋼筋開始受到化學腐蝕或電化學腐蝕，隨著含有與鐵反應(yīng)的介質(zhì)的侵入，如氯水、鹽酸、硫酸等腐蝕加速，因腐蝕產(chǎn)物而產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，足以致混凝土開裂，導致建筑結(jié)構(gòu)破壞。

2 耐酸缸磚的制造工藝及性能

2.1 耐酸缸磚的制造工藝

耐酸缸磚是以粘土(宜興特有的白泥和紫泥)為主體，并適當?shù)丶尤氲V物、助熔劑等，經(jīng)高溫煅燒而成的無機耐酸材料。其主要化學成分是二氧化硅和三氧化二鋁。耐酸缸磚的制造工藝見圖1。其主要生產(chǎn)過程有配料、泥料制備、成型、干燥、煅燒、檢驗等步驟。

圖1 耐酸缸磚的制造工藝示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Acid－proof Clinker Brick Manufacturing Process

配料:就是同時兼顧制品工藝性能和技術(shù)性能，如可塑性、干燥收縮率、燒結(jié)溫度、孔隙率、強度、耐腐蝕性能等。粘土是自然的礦物原料，化學成分各異，必須采用不同的配比方能獲得應(yīng)有組成及性能的泥料。當二氧化硅和三氧二鋁的配合比為3∶1，三氧化二鋁含量為23%～27%時，耐酸性最好。熟料的加入不僅影響制造工藝性能，而且還對制品的使用性能具有較大的影響。從制造工藝考慮，制品越厚，尺寸越大，則所需熟料比例也應(yīng)越大。但隨著熟料比例的增加，耐溫度急變性能提高，孔隙率也隨之增加，機械強度降低，耐酸性變差，因此根據(jù)不同的環(huán)境要求，確定不同的配比，當制造耐酸制品時，熟料比例小，顆粒要細。耐酸缸磚的化學成分見表1。

表1 耐酸缸磚的化學成分Tab.1 Chemical Com position of Acid－proof Clinker Brick

泥料制備:就是粘土的陶洗、除鐵、熟料粉碎、混合、陳腐等過程。粘土的陶洗就是除去粘土中含有的其它礦石和砂子等雜質(zhì)。除鐵就是采用濕法選礦的方法除去粘土中的鐵。熟料粉碎就是將熟料破碎、球磨、篩分，除去鐵屑，分成不同大小的顆粒，制成燒粉的過程?；旌蟿t是把通過陶洗、除鐵的粘土、燒粉和其它添加料按配比加水混合。泥料經(jīng)過混合后，組成均勻，質(zhì)地致密，水分含量達到要求，但塑性較差，發(fā)酥。陳腐是在一定條件下儲存一段時間使泥料塑性增加的過程，時間越長塑性越好，越利于成型。

成型:耐酸缸磚最大的特點是采用干壓法成型，就是將陳腐好的泥料裝入金屬模具內(nèi)，采用高壓壓制成磚坯的過程。壓力越大，磚的強度越高，孔隙率越小，耐蝕性能越好。

干燥:就是將成型好的磚坯在一定溫度和濕度的條件下使水分蒸發(fā)除去水分而達到煅燒要求的過程。干燥速度不能太快，過快易引起磚坯開裂。

煅燒:煅燒是將經(jīng)過充分干燥的磚坯在窯內(nèi)高溫燒制的過程。在燒制過程中，要嚴格按工藝要求進行，否則造成廢品。

檢驗:按國家現(xiàn)行標準對燒成的磚進行物理力學性能、耐蝕性能檢測的過程，合格的打上批號即為成品，不合格的返回，經(jīng)破碎、球磨、篩分作為熟料再利用。

耐酸缸磚常見的規(guī)格見表2，也可根據(jù)現(xiàn)場需求加工異型磚。2.2耐酸缸磚的耐腐蝕性能

表2 耐酸缸磚常用規(guī)格尺寸Tab.2 Comm only Used Size of Acid－proof Clinker Brick mm

耐酸缸磚的主要化學成分與化工陶瓷磚的化學成分基本相同，耐腐蝕性能優(yōu)良，耐酸率大于99%，對大多數(shù)無機酸、有機酸、有機溶液、氧化性介質(zhì)、氯化物等具有較強的抗蝕能力，其耐蝕性優(yōu)于天然石材(如花崗石)。

其缺點有共性，氫氟酸、高溫磷酸、硅氟酸和濃度較高的堿類介質(zhì)會破壞其結(jié)構(gòu)。

耐酸缸磚的主要性能見表3。

表3 耐酸缸磚的主要性能指標Tab.3 Main Performance Indexes of Acid－proof Clinker Brick

2.3 耐酸缸磚與同類材料的主要區(qū)別

在常用的塊石防腐材料中，還有天然石材花崗巖、耐酸瓷磚等，都具有耐酸性，從化學成分及物理性能主要指標看，三者有一定的相似性。但從使用效果看，存在較大差別。

花崗巖:其主要成分是SiO2，所以一般具有良好的耐酸性能，但天然材質(zhì)耐酸度不均勻，這是因為地質(zhì)狀況的差異，不同地區(qū)，或同一種石材的氧化硅、氧化鋁及氧化鐵的含量有較大不同，氧化硅、氧化鋁綜合含量最高達90%以上，最低只有55%～65%，氧化鐵含量最高達15%，最低只有1%～2%。此外，天然石材有肉眼看不到的細裂紋，易滲透破壞基層，有放射性元素對人體有害，施工不方便，造價高。

耐酸瓷磚:主要成分與耐酸缸磚接近。缺點是易沾污，易打滑，脆性大，重物沖擊易破損，因采用濕法成型工藝，不適宜生產(chǎn)大表面規(guī)格的磚。成品通常呈白色，但不同批次往往存在色差，不適合大型車間地面鋪設(shè)。

耐酸缸磚:結(jié)構(gòu)致密、耐壓強度高，由于采用干法成型技術(shù)，可加工較大表面規(guī)格尺寸的標準或異型磚，減少膠泥縫，節(jié)省膠泥，便于施工;因其原料特殊，成品呈現(xiàn)類似紫砂的均勻色澤，顏色深，耐污性好，表面粗糙防滑，適宜廠房大面積鋪砌，鋪砌后不存在色差;耐酸度高，耐磨性好，具有耐高溫冷熱急變的特性，抗沖擊，韌性好。

3 耐酸缸磚在有色冶金工業(yè)中的工程應(yīng)用

3.1 在硫酸介質(zhì)中的應(yīng)用

在銅、鉛、鋅濕法精煉系統(tǒng)中，其腐蝕環(huán)境為: H2SO4:150～250 g/L;溫度65～85℃，CuSO4、Zn-SO4、PbSO4:45～60 g/L，含有微量的Cl－、F－和有機物質(zhì)。金川集團公司一期20 kt/a陰極銅工程，二期30 kt/a陰極銅工程，三期150 kt/a陰極銅工程，四期200 kt/a陰極銅工程的樓面、地面、地溝、地坑、廢水處理池等均采用環(huán)氧煤瀝青玻璃鋼隔離層，環(huán)氧瀝青膠泥砌筑耐酸缸磚防腐方案?？紤]承重原因，樓面砌磚45 mm厚，地面砌磚65 mm厚。使用效果很好，最早的一期工程已使用20年，現(xiàn)仍在繼續(xù)使用。中山嶺南某冶煉廠100 kt/a電鋅工程是氧壓酸浸全濕法精煉工藝，其凈化、浸出、電解等車間的樓面、地面防腐方案是:環(huán)氧煤瀝青玻璃鋼隔離層，環(huán)氧煤瀝青膠泥砌耐酸缸磚，砌磚厚度同上，使用效果良好。

3.2 在硫酸、鹽酸的混酸介質(zhì)中的應(yīng)用

鎳、鈷濕法精煉是硫酸、鹽酸體系，并在部分工序中通過Cl2除雜凈化或浸出。其腐蝕環(huán)境為:含酸5%～20%，SO42－、Clˉ、Ni2+、Co2+60～70 g/L，Na+60～80 g/L，硼酸10～15 g/L。金川集團公司一期、二期、三期鎳鈷濕法精煉的浸出、凈化、過濾、電解、電積等車間的樓面、地面、地溝、地坑、廢水處理池等防腐蝕方案為:環(huán)氧煤瀝青玻璃鋼隔離層，環(huán)氧煤瀝青膠泥砌耐酸缸磚，使用效果非常好。一期工程已使用30多年，目前還在繼續(xù)使用。

3.3 在硫酸、鹽酸、硝酸等混酸介質(zhì)中的應(yīng)用

貴金屬冶金是三酸的混合體系，腐蝕性非常強。其腐蝕環(huán)境為:含酸5%～35%，有S、Cl－、NO3－和金屬離子，部分工序通入Cl2浸出。金川集團公司稀貴金屬車間的樓面、地面、地溝、地坑、廢水處理池防腐方案均為環(huán)氧煤瀝青玻璃鋼隔離層，環(huán)氧煤瀝青膠泥砌耐酸缸磚，砌磚厚度同上，一期工程已使用25年，目前仍在繼續(xù)使用，應(yīng)用效果很好。

3.4 在有色金屬冶煉煙氣制酸中的應(yīng)用

有色金屬火法冶煉過程中產(chǎn)生的SO2煙氣一般都用于生產(chǎn)硫酸，冶煉煙氣制酸是我國硫酸工業(yè)的重要組成部分。其腐蝕環(huán)境主要是:濃H2SO4，稀H2SO4、SO2、SO3等。金川集團公司先后建成6個硫酸系統(tǒng)，目前的生產(chǎn)能力總量達2 000 kt/a。在硫酸一系統(tǒng)改造及后建設(shè)的530 kt/a和700 kt/ a硫酸工程中，地面、樓面、設(shè)備基礎(chǔ)面、煙道內(nèi)襯等均采用耐酸缸磚，防腐方案為:①濃硫酸環(huán)境，如濃硫酸庫地面:環(huán)氧煤瀝青玻璃鋼隔離層，鉀水玻璃膠泥砌耐酸缸磚;②稀硫酸環(huán)境:環(huán)氧煤瀝青玻璃鋼隔離層，環(huán)氧煤瀝青膠泥砌耐酸缸磚;③煙道內(nèi)襯:10 mm厚改性鉀水玻璃膠泥隔離層，鉀水玻璃膠泥砌耐酸缸磚面層。

4 結(jié)語

耐酸缸磚強度高，抗沖擊、耐磨、防滑、抗污性強、顏色較深、規(guī)格大、整體性美觀、施工方便，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，在有色冶金工業(yè)腐蝕環(huán)境下，作為建筑，構(gòu)筑物防腐蝕面層材料，壽命長，基本不需要維修，效果好，同時也是化工、電力、冶金行業(yè)很好的防腐蝕材料，應(yīng)用前景廣闊。

［1］許淳淳，等.化學工業(yè)中的腐蝕與防護［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2001:444－445.

［2］化工部化工機械研究院.耐蝕非金屬材料及防腐施工［M］.北京:化學工業(yè)出版社，1991:497－498.

Application of Facility Anti－Corrosion for Nonferrous Metallurgy and Acid－Proof Clinker Brick

SUN Zhi－zhong
(Supply Branch，Jinchuan Group Co.Ltd，Jinchang，Gansu 737102，China)

In non－ferrous metallurgy，the refining and gas sulfuric acid processes are all in the strong corrosion environment.According to the feature of small selected range for common ground anti－corrosion materials，the production process of acid－proof clinker brick，physical and mechanical properties，corrosion resistance and its application in non－ferrous metallurgical industry were expounded.

facility anti－corrosion;acid－proof clinker brick;non－ferrous metallurgy

TG174

A

1004－2660(2012)03－0017－04

2012－06－26.

孫治忠(1970－)，男，甘肅人，碩士，高級工程師.主要研究方向:有色冶金企業(yè)物資供應(yīng).E－mail:szz@jnmc.com