鎳鈷濕法冶煉臥式加壓釜概述

趙愛君

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

鎳鈷濕法冶煉臥式加壓釜概述

趙愛君

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

總結了鎳、鈷濕法冶煉項目中臥式加壓釜的設計演變歷程，介紹了國內鎳鈷濕法冶煉加壓浸出設備的發(fā)展與進步。對鈦鋼復合板制加壓釜和鋼襯磚加壓釜在設計中應注意的問題提出了合理化建議，并對加壓冶金設備技術發(fā)展方向進行了探討。

鎳鈷濕法冶煉； 加壓釜； 鈦鋼復合板； 鋼襯磚

鎳、鈷濕法冶煉臥式加壓浸出釜上世紀七十年代在金川公司就已經(jīng)安裝運行，用于鈷冰銅硫酸浸出。該設備由中國恩菲完成非標設計，國內制造，采用鋼殼內搪鉛再襯磚結構，是國內使用加壓浸出技術用于鎳鈷濕法冶煉工業(yè)生產(chǎn)的開端。上世紀八十年代，金川公司引進了日本的一套鋼襯磚臥式加壓釜，用于對鎳冶煉工藝進行工業(yè)試驗。上世紀九十年代，中國恩菲設計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行，至今仍正常生產(chǎn)。2000年左右，中國恩菲承擔吉林鎳業(yè)公司的1萬t/年精制硫酸鎳冶煉項目設計，首次采用鈦鋼復合板制臥式加壓釜對高冰鎳進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，在嚴格的操作制度下從2001年投產(chǎn)正常運行至今，打破了鈦制釜不能在氧壓環(huán)境下應用的說法，為后續(xù)類似的工程奠定了基礎。該釜的成功設計、研究、制造和使用，是我國濕法冶金技術發(fā)展中一項突破性的進步，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，以及鈦鋼復合板制加壓釜的設計與制造，提供了寶貴的經(jīng)驗。基于吉鎳加壓釜的成功運行，金川公司在2008年的鎳精煉項目中采用了容積超過200 m3的鈦鋼復合板制加壓釜進行鎳金屬氧壓浸出，并正常運行至今。

對于濕法冶煉高氧分壓(≥35%)的氧壓浸出工藝過程，國內外仍采用鋼外殼搪鉛再襯磚的結構，只是隨著設計手段的進步，有限元分析設計更多的融入到設計過程，使得設備的安全性提高，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。中國恩菲為某項目設計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構，吸收了國內外類似釜的經(jīng)驗，采用了有限元分析方法進行輔助設計。

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目，采用鈦鋼復合板制加壓釜，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 加壓釜結構分析

鎳、鈷冶煉加壓釜是浸出工藝中重要的關鍵設備，一般都工作在強腐蝕介質、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合板制造(見圖1)或鋼襯復合襯里結構(見圖2)。加壓釜一般由臥式釜體、工藝內插管及管口(包括進出料、安全泄放、壓力溫度監(jiān)控、加熱、冷卻等)、攪拌裝置、機械密封和密封潤滑冷卻系統(tǒng)等組成。釜體內采用隔墻分隔成多個隔室，每個隔室?guī)в歇毩⒌臄嚢柩b置，攪拌裝置垂直安裝在釜體上方。此類釜的設計、制造及使用的技術性很強，要求很嚴格，涉及到冶煉工藝的要求、結構設計、材質選擇、高壓下機械密封、制造、安全防護及溫度、壓力、液位、流量、含氧濃度等相關各參數(shù)，要求在工作狀態(tài)下工藝、設備、儀表連鎖集散控制等多學科的綜合交叉集合，才能保證安全、穩(wěn)定的正常生產(chǎn)。

圖1 鈦鋼復合板制加壓釜結構示意圖

圖2 鋼襯磚加壓釜結構示意圖

在釜體的結構設計中，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環(huán)節(jié)，它不僅要保證釜體在內壓力、重力載荷和攪拌裝置引起的動載荷作用下處于良好的受力狀況，還要保證每個隔室的長度和直徑之比能使介質在攪拌器的攪拌作用下處于最佳的流動狀態(tài)，還要考慮釜內留有合適的操作空間。隔室的數(shù)量可根據(jù)項目情況進行確定。如某工程臥式加壓釜幾何容積要求9 m3，開始設計方案采用四隔室，內部設置盤管，直徑較小。設計過程中分析此釜內部空間狹小，不利于安裝和維修內部構件。于是協(xié)調各方，將釜體直徑改大，四個隔室調整為三個隔室。即滿足了工藝要求，又方便操作。

2 設計因素分析

2.1 鈦鋼復合板制加壓釜釜體

(1)對于使用氧氣的加壓釜，必須保證釜內氣相在運行狀態(tài)下含O2≤33%～35%，否則有使高壓釜內襯的工業(yè)純鈦發(fā)生燃燒的危險。圍繞著這項特殊規(guī)定和對介質的耐蝕要求，不但要強化工藝操作，設計中對充氧管、攪拌軸等的材質和結構也必須科學地考慮。

(2)在釜體的強度設計中，用釜體所受內壓力計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攪拌器攪拌介質引起的動載荷，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、復雜的邊緣應力以及因基層材料與復層材料熱膨脹系數(shù)不同而引起的應力。

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

(4) 在強磨損區(qū)域可設置耐磨板，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，便于及時發(fā)現(xiàn)泄漏情況。

2.2 鋼襯磚釜體

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

(1)在設計過程中應注意襯里對鋼殼的作用力與反作用力，必要時采用有限元方法進行輔助設計。

(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覆層作為隔離層的實例，國內有待進一步考核、論證、推廣使用。

(3)隔墻及擋板一般采用磚砌結構，也可采用耐腐蝕金屬結構。磚砌隔墻及擋板設計、施工要求牢固嵌入筒體襯里中，不得出現(xiàn)松動、掉磚情況。金屬隔墻及擋板須保證有足夠的強度、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的管口處，鋼接管及磚襯合理的結構設計尤為重要。

2.3 攪拌裝置

攪拌裝置是高壓釜的核心，在釜內達到工藝要求的工作溫度和工作壓力下，足夠的攪拌強度是達到理想反應效果的保證。

(1)影響和制約攪拌強度的因素很多，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、反應要求的程度大小、隔墻高度、擋板形式、攪拌器型式、攪拌轉速等諸多因素都要綜合考慮，特別應該注意的是高溫狀態(tài)下液體比重減小對固體顆粒運動的影響。

(2)攪拌裝置須滿足機械密封對軸向竄動和徑向擺動的要求。

(4)氧壓條件下，釜體內部可能運動的部件必須可靠連接，必要時進行點焊。

(5) 攪拌器材料的選擇，應考慮安全性、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 機械密封及配套裝置

機械密封是攪拌裝置在釜內壓力狀態(tài)下正常運行的保證。

(1) 機械密封一般采用雙端面結構?？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)其攪拌裝置進行特殊設計并供貨。

(2)氧壓條件下，除動靜環(huán)外，其余與釜內介質接觸部件嚴禁產(chǎn)生相對摩擦運動。

(3) 密封液如采用強制循環(huán)方式，應設置斷流或失壓報警，如采用靜態(tài)釜壓聯(lián)動方式，應設置密封液低液位報警，便于操作人員及時發(fā)現(xiàn)并處理。

3 加壓釜技術發(fā)展方向

隨著鎳鈷礦的品位越來越低，浸出難度越來越大，有價金屬浸出工藝向著高壓、高溫、強酸、充入各種氣體強化反應的方向發(fā)展，且越來越復雜。曾經(jīng)在～1.0 MPa、～160 ℃、pH～2的操作條件下就能對高冰鎳進行浸出，而低品位鎳紅土礦的浸出條件≥5.0 MPa、≥240 ℃、pH～0.5就顯得非?？量獭Ｒ郧暗脑O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，在強化單位處理能力的前提下，設備的容積將向大型化方向發(fā)展。中國恩菲參與設計項目的加壓釜從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到750 m3，加壓釜容積越大，要求設計、制造、檢驗、運輸、安裝、運行的難度也會越來越大。

隨著控制理論、一次儀表、自動控制閥門等水平的提高，自動監(jiān)測加報警、人工調整的模式逐漸向全程自動監(jiān)測、自動控制的方向發(fā)展，形成壓力、溫度、液位、物料平衡、配套設備、反應效果等數(shù)據(jù)監(jiān)測與過程控制連鎖的一整套自動化系統(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，大學本科，主要從事濕法冶金設備設計工作。

TF815

B