鹽酸工況用加壓濕法冶金特種開關(guān)閥門的研制

范培育，王 偉，張 鋒

1.神華準能集團有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.西安航天遠征流體控制股份有限公司，陜西 西安 710100

加壓濕法冶金技術(shù)是現(xiàn)代濕法冶金領域新興的短流程強化冶金技術(shù)，是現(xiàn)代濕法冶金技術(shù)發(fā)展的重要方向，已較為廣泛的應用于鋁、鈾、銅、鋅、鎳、鈷、鎢、錳、鉬、釩、鈾、鉭、金、銀、鉑、鈀等多種貴金屬提取及材料制備等方面，并且應用領域還在不斷地擴展．

在加壓濕法冶金工藝系統(tǒng)中用于進料、排料、排氣、給料泵切斷、蒸汽切斷、高壓預熱器的開關(guān)閥是非常重要的管道設備．一種新型鹽酸法提取氧化鋁工藝系統(tǒng)中需使用大量閥門，用來對酸性流體介質(zhì)進行控制．由于酸性流體介質(zhì)中含有大量的氯離子、三價鐵離子及固體微粒，而且介質(zhì)溫度最高達160 ℃，因此要求與介質(zhì)接觸的閥門材料應具有耐高溫、耐鹽酸腐蝕和抗沖刷能力．針對該新型酸法提取工藝，展開了該工況用開關(guān)閥的研制，目前已經(jīng)完成適用于120～160 ℃溫度的DN150開關(guān)型特種閥門樣機試制及現(xiàn)場考核，并通過項目驗收．

1 工作原理及主要技術(shù)性能指標

針對新型酸法提取工藝的特性開展了特種閥的研制，并且對該特種閥門的結(jié)構(gòu)設計方案進行優(yōu)化，同時進行樣件的加工生產(chǎn)、性能測試，以及中試裝置考核使用等研制工作．

項目研制的特種閥門采用了特種夾管閥結(jié)構(gòu)，該閥門內(nèi)唯一與介質(zhì)接觸的是橡膠套管，其在外力作用下發(fā)生撓性變形被夾扁而貼合[1-2]，從而將流體截斷達到密封作用．圖1為特種夾管閥的示意圖．

研制的特種夾管閥適用于酸性礦漿介質(zhì)，該介質(zhì)中氯離子濃度為14%～25%、三價鐵離子濃度不大于5%，固體含量為200～250 g/L、平均粒度約為5～8 μm，鹽酸濃度不大于10%，介質(zhì)的粘度為5 cP、密度為1400 kg/m3、溫度為120～160 ℃．閥門為全通徑夾管閥(公稱通徑DN150)，最大允許工作壓力為1.0 MPa，連接方式為法蘭(法蘭按公稱通徑DN提高一級)，公稱壓力PN16，密封形式為全平面FF(標準HG20592-2009)，全關(guān)時閥座泄漏量等級按GB/T 13927-2008的A級(在試驗壓力持續(xù)時間內(nèi)無可見泄漏)．

圖1 特種夾管閥示意圖(a)全開；(b)全關(guān)Fig.1 Schematic diagram of special pinch valve (a) fully open；(b) fully closed

2 方案設計

2.1 驅(qū)動方案

夾管閥屬于升降式閥門，該結(jié)構(gòu)適用于手動和電動驅(qū)動．雙動壓桿式夾管閥有上、下壓桿，它們相對方向升降移動，在套管中心處關(guān)閉密封．圖2為夾管閥單螺紋驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖．驅(qū)動桿通過型面聯(lián)接與閥桿連接，閥桿與上壓桿采用可旋轉(zhuǎn)連接，閥桿與螺紋桿由梯形螺紋連接，螺紋桿與套筒桿和下壓桿固連，套筒桿可在導向桿中滑動．當夾管閥由全開轉(zhuǎn)向全關(guān)時，驅(qū)動桿順時針旋轉(zhuǎn)，通過型面聯(lián)接驅(qū)動閥桿旋轉(zhuǎn)，在梯形螺紋作用下螺紋桿、套筒桿和下壓桿向上移動，同時閥桿和上壓桿向下移動，從而實現(xiàn)上、下壓桿在套管中心處夾緊．

圖2 單螺紋間接式驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖(a)全開；(b)全關(guān)Fig.2 Schematic diagram of single screw indirect drive structure (a) fully open；(b) fully closed

2.2 結(jié)構(gòu)方案

夾管閥采用單螺紋驅(qū)動結(jié)構(gòu)，使用手動或電動執(zhí)行器驅(qū)動，其三維模型及結(jié)構(gòu)如圖3所示．當閥門關(guān)閉時，電動執(zhí)行器順時針旋轉(zhuǎn)，利用平鍵帶動驅(qū)動桿旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動桿通過梯形螺紋驅(qū)動閥桿，從而使上壓桿克服套管的液壓力等阻力向下移動．同時閥桿對驅(qū)動桿有向上的推力，該力與上壓桿克服的阻力大小相等[3-4]，驅(qū)動桿通過推力軸承將該推力傳遞到支架、導向桿，從而使下壓桿向上移動．上、下壓桿相對運動擠壓套管至限位筒，此時上、下壓桿為剛性接觸[5]，推力軸承極大地減小了推力產(chǎn)生的阻止閥桿旋轉(zhuǎn)的扭矩．支架與導向桿通過螺母壓緊并緊固聯(lián)接，導向桿與下壓桿通過螺母壓緊固聯(lián)．

圖3 DN150特種閥門結(jié)構(gòu)(a)三維模型；(b)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 DN150 special valve structure (a)three-dimensional model；(b) structural diagram

2.2.1 套管結(jié)構(gòu)

套筒的結(jié)構(gòu)如圖4所示．套管采用最簡單的直通結(jié)構(gòu)，兩端設有法蘭結(jié)構(gòu)，內(nèi)孔為全通徑，法蘭尺寸與閥體的法蘭尺寸一致．當閥門安裝后，閥體法蘭與管道法蘭將套管法蘭夾緊，套管材質(zhì)為橡膠，可對法蘭起到密封作用，而不需要額外的密封圈，同時又可以固定套管兩端，以克服夾管閥關(guān)閉時上、下壓桿對其的拉力．為了增加法蘭對套管的夾緊力，可以在套管的法蘭端部增加金屬支撐環(huán)，支撐環(huán)可以固定法蘭部分橡膠，防止套筒夾關(guān)閉時法蘭變形過大，導致法蘭密封失效．

圖4 套管結(jié)構(gòu)Fig.4 Casing pipe construction

套管采用特種纏繞工藝，用纖維纏繞夾布層，使夾布層成為一個整體，內(nèi)外層包覆自主研發(fā)的抗腐蝕膠料．該套管具備長期耐高溫、耐濃鹽酸、耐高壓的優(yōu)異性能，并且穩(wěn)定性高．套管制備工藝包括以下幾個步驟：(1)將內(nèi)層抗腐蝕膠料包覆在模芯上，再采用設備纏繞兩層滌綸纖維，然后包覆外層抗腐蝕膠料，定型套管毛坯；(2)將定型的套管毛坯用平板硫化機模壓，進行一段硫化；(3)將一段硫化的制品取出，放入烘箱中進行二段硫化．

2.2.2 密封體方案設計

密封體是指套管與上下閥體之間的空間，該空間與外界是密封的，其密封主要包括上閥體與下閥體之間的密封，上下閥體法蘭與套管法蘭之間的密封，上、下閥體與套管三者之間的交界處密封．

上閥體與下閥體之間的密封為平面密封，采用密封圈密封(圖5(a))，上、下閥體之間的密封圈分為兩段．上下閥體法蘭與套管法蘭之間的密封為平面密封，因為套管本身是橡膠，所以在法蘭壓緊后，上下閥體法蘭與套管法蘭之間就會實現(xiàn)密封．上、下閥體與套管三者之間的交界處由密封圈很難實現(xiàn)整圈密封，所以該處密封由三個零件安裝形成，交界處的密封結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示，即圖5(a)中視圖放大部分．從圖5(b)可見，上下閥體的密封圈沿溝槽向外折彎，使密封圈位于三者交界的溝槽內(nèi)．溝槽橫截面要略小于密封圈橫截面，在法蘭擰緊后通過套管法蘭面壓緊密封圈，使密封圈沿軸向變形，填實溝槽．為了保證密封圈充分填實溝槽，在溝槽內(nèi)需涂密封膠．

圖5 密封體密封結(jié)構(gòu)示意圖(a)密封結(jié)構(gòu)；(b)局部放大圖Fig.5 Schematic diagram of sealing structure of sealing body (a) sealing structure；(b) a partially enlarged view

2.2.3 腐蝕速率控制方案

金屬中只有哈氏合金B(yǎng)、鋯合金及鉭合金在一定程度上可以耐受高溫及鹽酸，但這幾種材料的價格昂貴且生產(chǎn)成本很高．大部分的非金屬可耐任何濃度及沸點下的鹽酸，所以解決密封體中零件腐蝕速率的問題主要從三個方向入手：(1)與介質(zhì)接觸但沒有相對運動或配合要求較高的零件如閥體，可采用非金屬噴涂，從而實現(xiàn)防腐的目的；(2)有相對運動或配合要求不高的零件如閥桿、導向桿、軸套座和轉(zhuǎn)接塊等，可選用合適的金屬材料或進行表面處理，以控制金屬材料的腐蝕速率；(3)從結(jié)構(gòu)方面進行設計，以控制密封體密封失效的速率．

閥體尺寸較大且結(jié)構(gòu)復雜，擬采用鑄造成型的方法，材料選用比較經(jīng)濟的碳鋼，雖然碳鋼完全不耐任何濃度的鹽酸腐蝕，考慮到閥體零件沒有相對運動，配合面均為平面配合，所以可以采用非金屬噴涂技術(shù)進行防腐，目前能采用的噴涂主要有噴涂陶瓷、噴涂氟塑料及涂漆酚防腐涂料[6]．陶瓷能耐任何溫度及濃度的鹽酸，但陶瓷噴涂對閥體表面要求較高、不能受壓，而且成本較高，所以暫不采用；氟塑料能耐任何濃度和沸點下的鹽酸[7]，并且現(xiàn)有氟塑料的噴涂技術(shù)比較成熟，成本較低；漆酚防腐涂料是優(yōu)良的耐鹽酸涂料，堅牢耐久，能應用到金屬表面．為了獲得比較優(yōu)化的方案，采用噴涂氟塑料和涂漆酚防腐涂料兩種方法進行閥體內(nèi)表面處理研究．試驗結(jié)果表明：噴涂氟塑料(F46)的厚度較薄，在邊緣處F46膜易破損而失去保護能力，同時未破損的部分也出現(xiàn)了大量的滲透性的點蝕現(xiàn)象；而涂漆酚防腐涂料的試棒，整體完好幾乎沒有腐蝕．基于試驗，閥體的表面防腐選用涂漆酚防腐涂料．

導向桿和閥桿與軸套座的滑動密封設置為兩道O形圈密封，這樣滑動密封至少可以提高一倍的有效密封時間．軸套座和轉(zhuǎn)換塊與閥體之間為軸向O形圈密封，其周邊的平面貼合處有閥體上的非金屬涂層，可以起到一定的密封作用，同樣可以提高此處O形圈密封的有效密封時間．

2.2.4 防塵結(jié)構(gòu)

由于導向桿和閥桿的部分段暴露在外面，容易受外界粉塵的污染，從而影響導向桿的閥桿密封，所以對暴露在外的導向部分應采取防護措施．

導向桿在下閥體伸出的一段可以采用圖6所示結(jié)構(gòu)，使其與導向結(jié)構(gòu)合為一體，防護螺母不僅起到防塵作用，而且可以保護導向桿免受撞擊、劃傷等機械損傷．

圖6 防護結(jié)構(gòu)Fig.6 Protective structure

3 試驗驗證

3.1 驅(qū)動力計算

夾管閥在關(guān)閉狀態(tài)需要克服的阻力FΣ最大，包括套管中的液壓力F1、套管變形力F2及關(guān)閉密封力F3．由于套管在關(guān)閉狀態(tài)受力復雜，只能運用ANSYS軟件來計算套管中的液壓力F1和套管變形力F2之和力F12．圖7為套管受力分析圖．通過對圖7套管的受力分析，進行了電動執(zhí)行器的選型，并在實際工作中得到驗證．

圖7 套管受力分析Fig.7 Casing pipe stress analysis

3.2 驗 證

研制試驗包括耐壓強度試驗、密封試驗、密封體耐鹽酸試驗、耐磨損模擬試驗及高溫動作試驗等．

耐壓強度試驗是在夾管閥裝配前完成的，其包括套管的耐壓試驗和夾管閥密封體的耐壓試驗．試驗壓力為2.4 MPa，時間不少于5 min，試驗介質(zhì)為水，試驗期間不應有可見的滲漏．

密封體密封試驗在夾管閥裝配后進行．第一階段，在夾管閥處于全開狀態(tài)下給套管和密封體通氣，氣體壓為1.6 MPa，時間不少于5 min，試驗期間夾管閥各密封處不應有可見的泄漏；第二階段，保持壓力不變，夾管閥動作二次，在這個過程中不應出現(xiàn)任何可見的滲漏．內(nèi)密封試驗是在夾管閥處于全關(guān)狀態(tài)下進行的，入口水壓為1.6 MPa，出口通大氣，從出口測量泄漏量．

選擇一臺DN150夾管閥進行密封體耐鹽酸試驗．夾管閥安裝破損套管并使之處于打開狀態(tài)，注滿濃度為30%的鹽酸和礦物灰的混合物，不加壓，將試驗閥置于保護裝置內(nèi)，常溫下保持5天， 隨后進行密封體密封試驗．

選擇一臺DN150夾管閥進行耐磨損模擬試驗．將夾管閥安裝在試驗系統(tǒng)中，試驗介質(zhì)為礦物灰與水的混合物，根據(jù)系統(tǒng)的能力調(diào)整DN150的開度，使截流處的流速與實際工況接近．

選取一臺DN150夾管閥進行高溫動作試驗．夾管閥通1.6 MPa水壓，將整個夾管閥置于盛滿硅油的容器中，硅油的溫度為155～165 ℃，夾管閥通電動作，動作頻率不大于2次/h，每臺夾管閥動作次數(shù)為1000次，完成后進行密封試驗．

通過上述一系列試驗，所研制的適合加壓酸法提取工藝用的特種閥門順利通過驗收，表明已掌握了適用于新型酸法工藝用120～160 ℃高溫夾管閥的關(guān)鍵技術(shù)．

4 結(jié) 論

針對新型酸法提取氧化鋁工藝的酸性流體介質(zhì)特性和溫度、壓力的要求，開展了特種閥的研制．開展了夾管閥結(jié)構(gòu)方案設計及優(yōu)化、樣件的加工生產(chǎn)和性能試驗研究、套管的彈性材料配方和成型工藝研究，以及中試裝置考核使用等研制工作．解決了新型酸法提取氧化鋁工業(yè)系統(tǒng)用120～160 ℃高溫夾管閥的關(guān)鍵技術(shù)，以及研制攻關(guān)獲得的套管橡膠配方和成型工藝為后續(xù)解決一步酸溶法提取氧化鋁工業(yè)化系統(tǒng)用各種規(guī)格和用途的控制閥門需求．

參考文獻：

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