硫酸體系壓力浸出反應(yīng)釜襯里層材料的選擇

鄧永貴

（浙江華友鈷業(yè)股份有限公司，浙江 桐鄉(xiāng)）

引言

濕法冶煉中的壓力浸出作為一種清潔高效的工藝，近年加壓濕法冶煉的材料和裝備取得巨大進(jìn)步，大量的工程項(xiàng)目采用壓力浸出生產(chǎn)實(shí)踐，應(yīng)對(duì)更復(fù)雜、難處理的原料，且大部分的工業(yè)實(shí)踐采用硫酸體系生產(chǎn)[1-3]，由于反應(yīng)釜是壓力浸出生產(chǎn)裝置中的核心裝備，其襯里層材料的設(shè)計(jì)選型、施工須科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，否則，影響生產(chǎn)裝置運(yùn)行的安全性、效率、生命周期等。

本文主要闡述硫酸體系中常見(jiàn)的反應(yīng)釜襯里層材料的設(shè)計(jì)選型和施工注意事項(xiàng)，比如設(shè)計(jì)選型的合理性、施工的質(zhì)量控制、維護(hù)等，為類(lèi)似項(xiàng)目提供參考。

1 襯里層為金屬材料

采用金屬的襯里層的反應(yīng)釜，利用襯里層金屬的耐腐蝕性和耐磨性實(shí)現(xiàn)。有采用部分區(qū)域襯里層為金屬材料，比如人孔、攪拌口、其他工藝管口的法蘭及釜筒體內(nèi)側(cè)局部區(qū)域堆焊鎳合金；有些采用整體襯里層為金屬材料，比如復(fù)合板材料，純鈦、鈦合金等材料作為襯里層[4-5]。

1.1 純鈦的襯里層

采用純鈦的襯里層反應(yīng)釜，常選擇牌號(hào)為T(mén)A1/TA2 的板材，與Q345R 進(jìn)行爆炸復(fù)合，Q345R+純鈦的復(fù)合板再加工成需要規(guī)格的反應(yīng)釜。

選用純鈦?zhàn)鳛橐r里層的反應(yīng)釜，需要考量以下要素：

（1）設(shè)計(jì)氧分壓低于35%是相對(duì)安全，否則，增加鈦材燃燒的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

（2）一般設(shè)計(jì)的浸出殘酸濃度低于50 g/L，從生產(chǎn)角度，殘酸太高消耗更多中和劑。

（3）生產(chǎn)系統(tǒng)不能引入氯離子、氟離子、硝酸根等離子，在設(shè)計(jì)之初就須查相關(guān)金屬腐蝕數(shù)據(jù)。

（4）物料的硬度、粒度，對(duì)襯里層的磨蝕和撞擊凹坑。

（5）襯里層的名義厚度一般須考慮腐蝕、磨蝕余量，以及爆炸復(fù)合、加工對(duì)覆材的減薄和變形。

（6）制造過(guò)程須注意反應(yīng)釜的T 型焊接接頭的處理，通常采用圖1 所示的焊接接頭設(shè)計(jì)。

圖1 T 型焊接接頭設(shè)計(jì)

目前，采用純鈦反應(yīng)釜的項(xiàng)目主要有：高冰鎳、MSP等原料的POX 項(xiàng)目，以及部分赤鐵礦法除鐵項(xiàng)目；無(wú)氧參與紅土鎳礦高壓酸浸項(xiàng)目。

選用純鈦?zhàn)鳛橐r里層的反應(yīng)釜的運(yùn)行須要留意以下幾點(diǎn)：

（1）反應(yīng)釜定期進(jìn)行焊縫檢測(cè)，各管口翻邊法蘭面和內(nèi)側(cè)的檢查。

（2）檢查檢漏口是否有效。

（3）反應(yīng)釜攪拌下方區(qū)域、折流板、筒體局部鈦材的磨蝕的檢查和修復(fù)。

（4）反應(yīng)釜隔墻、折流板的變形的檢查、修復(fù)或更換。

（5）釜內(nèi)凹坑的及時(shí)修復(fù)。

1.2 鈦合金的襯里層

采用鈦合金的襯里層反應(yīng)釜，較多的紅土鎳礦項(xiàng)目采用SB265-TiGr.17 的鈦合金作為覆層材料，因鈀的加入，提高了材料的耐腐蝕性能。選用TiGr.17 作為襯里層的反應(yīng)釜，除參照純鈦反應(yīng)釜外，還需注意以下兩點(diǎn)：

（1）鈀屬于貴金屬，反應(yīng)釜的制造成本高，須進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)評(píng)估綜合分析決策。

（2）覆層為鈦合金，爆炸復(fù)合、卷板過(guò)程出現(xiàn)復(fù)合板之間分層，影響反應(yīng)釜的加工制造周期。

目前，大部分的紅土鎳礦高壓酸浸項(xiàng)目采用鈦合金反應(yīng)釜，運(yùn)行的注意事項(xiàng)除參照純鈦反應(yīng)釜外，此類(lèi)鈦合金反應(yīng)釜運(yùn)行情況較好，主要是物料結(jié)垢對(duì)覆材起到了保護(hù)，但也曾出現(xiàn)過(guò)濃硫酸分散不均，導(dǎo)致反應(yīng)釜被強(qiáng)酸腐蝕穿孔的情況。

1.3 鎳基合金的襯里層

鎳基合金作為襯里層，主要用于襯磚反應(yīng)釜的管口，通常選用鎳基合金有：Alloy625、哈氏合金、蒙乃爾合金等[7]。鎳基合金采用堆焊，法蘭面采用襯環(huán)等工藝，隔離層和耐酸磚或膠泥進(jìn)行填充，鎳基合金管口的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 鎳基合金管口的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 非金屬襯里層材料

反應(yīng)釜選用非金屬襯里層材料的結(jié)構(gòu)形式：與介質(zhì)接觸的耐酸保溫的耐酸磚層，耐酸磚和反應(yīng)釜筒體接觸的有防腐隔離層，非金屬材料反應(yīng)釜襯里層的典型設(shè)計(jì)剖面見(jiàn)圖3。

圖3 非金屬材料反應(yīng)釜襯里層的典型設(shè)計(jì)剖面

2.1 隔離層材料

隔離層的主要作用為耐酸磚與反應(yīng)釜?dú)んw之間的防腐和緩沖。隔離層的材料主要分為三類(lèi)：鉛的隔離層、樹(shù)脂+類(lèi)特氟龍的隔離層、類(lèi)防滲膜+樹(shù)脂的隔離層。

第一類(lèi)隔離層，選用純度大于99.99%的Pb1，采用搪鉛或者襯鉛工藝。鉛是比較軟的金屬，遇硫酸鈍化，但對(duì)職業(yè)健康和環(huán)境有影響，搪鉛或襯鉛的從業(yè)人員越來(lái)越少，此類(lèi)隔離層逐漸被新工藝代替。

第二類(lèi)隔離層，特氟龍+樹(shù)脂的隔離層，樹(shù)脂較好地與反應(yīng)釜鋼殼層粘結(jié)，形成3 mm 厚度的樹(shù)脂層，再利用特氟龍類(lèi)的紙，采用此隔離層的典型供應(yīng)商為德國(guó)某企業(yè)，在老撾Sepon 等項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證和改良，截止目前暫無(wú)高壓酸浸項(xiàng)目使用業(yè)績(jī)情況。

第三類(lèi)隔離層，防滲膜類(lèi)的材料在火焰槍加熱，其與反應(yīng)釜鋼殼層緊緊貼合，不需要其他粘合劑，施工簡(jiǎn)單，樹(shù)脂層類(lèi)似玻璃鋼的施工，采用此隔離層的典型供應(yīng)商為美國(guó)某企業(yè)，在全球多個(gè)高壓酸浸項(xiàng)目和加壓氧浸項(xiàng)目上成功應(yīng)用。

2.2 耐酸磚

壓力浸出反應(yīng)釜的耐酸磚起到耐酸、耐磨、保溫隔熱等作用，因此耐酸磚的選擇也是需要慎重，濕法冶煉壓力浸出的耐酸磚多為異型磚[8]，部分典型耐酸磚的性能、成份對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 耐酸磚性能參數(shù)、成份對(duì)比

從表1 可以看出：

（1）美國(guó)某公司的耐酸磚的鋁硅比最大，約為0.5，德國(guó)某公司、國(guó)產(chǎn)陶磚的鋁硅比小，在0.32～0.36。

（2）從已公布的主要成份看，硅、鋁、鈦、鐵的氧化物占比在94%～97%，其他成份無(wú)相關(guān)數(shù)據(jù)。

陶磚的原料來(lái)自于自然界的陶土，經(jīng)過(guò)配料、煉泥、陳腐、開(kāi)片、自然干燥、二次成型、檢測(cè)、燒制等工序制成耐酸磚；美國(guó)、德國(guó)的耐酸磚材料采用石英砂、剛玉等物質(zhì)進(jìn)行配比壓制后煅燒而成。綜合部分項(xiàng)目的使用情況，工況溫度180 ℃以下選用國(guó)產(chǎn)陶磚基本滿足要求，美國(guó)、德國(guó)的耐酸磚常被選用于超200 ℃的工況，其中，美國(guó)的耐酸磚在氣相中的耐腐蝕性能表現(xiàn)良好。

2.3 膠泥

不同的壓力浸出工況，襯磚用的膠泥選擇選型差異巨大，部分壓力浸出典型的膠泥的性能對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 膠泥性能參數(shù)對(duì)比（單位：%）

從表2 看，膠泥的性能參數(shù)沒(méi)有明顯的差異。但在實(shí)踐過(guò)程中，在工況180 ℃以下才選用國(guó)產(chǎn)的膠泥，更高的工況，穩(wěn)妥的方案是選擇美國(guó)、德國(guó)的鉀水玻璃膠泥；在氣相中的膠泥，一般選擇含鉛的膠泥，這類(lèi)膠泥的施工需要做好相關(guān)防護(hù)措施，膠泥和耐酸磚之間的勾縫5～8 mm。

3 生產(chǎn)實(shí)踐

我司硫化鈷銅礦加壓氧浸的反應(yīng)釜襯里層：選擇6 mm 左右的搪鉛隔離層，3 層耐酸磚，隔離層各耐酸磚之間有PTFE 膜和膠泥層，反應(yīng)釜的管口堆焊Alloy625。襯里層已經(jīng)使用超過(guò)8 年，未出現(xiàn)耐酸磚脫落、隔墻倒塌等異常情況，襯里層的表現(xiàn)滿足工況要求?？偨Y(jié)此項(xiàng)目的襯里層設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)，主要有以下值得類(lèi)似項(xiàng)目借鑒：

（1）反應(yīng)釜襯里層進(jìn)行整體的有限元分析很有必要，見(jiàn)圖4。

圖4 襯里層的有限元分析模型

（2）為滿足搪鉛和襯磚的需求，反應(yīng)釜鋼殼的圓度宜控制在±0.4%。

（3）搪鉛工序影響制造周期，也是質(zhì)量監(jiān)控的關(guān)鍵點(diǎn)。

（4）搪鉛層與管口堆焊層須平滑過(guò)渡，采用搭縫處理；搪鉛進(jìn)行著色檢驗(yàn)，返銹點(diǎn)須重新搪鉛。

（5）搪鉛層的表面采用剛玉砂噴砂至Sa2.5。

（6）氣液相之間的過(guò)渡區(qū)域須按氣相的工況選擇膠泥。

（7）管口區(qū)域的溫度控制，采用傳熱系數(shù)更低的PTFE 塊+磚的結(jié)構(gòu)方式，降低管口溫度。

（8）施工過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)控，防止膠泥縫不飽滿、減少大量切磚，控制施工過(guò)程的濕度、溫度，確保膠泥有足夠的固化時(shí)間。

4 總結(jié)與展望

（1）反應(yīng)釜的襯里層可選擇金屬襯里層，也可以選擇非金屬襯里層，但優(yōu)先滿足工況，兼顧經(jīng)濟(jì)性因素等。

（2）反應(yīng)釜襯里層的設(shè)計(jì)、施工細(xì)節(jié)等環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控尤為重要，不同的工況，材料選擇差異較大。

（3）隨著材料的進(jìn)步，襯里層材料的選擇面更廣，近年來(lái)更大型的、更先進(jìn)的反應(yīng)釜投入生產(chǎn)運(yùn)行。