硫酸體系壓力浸出反應釜襯里層材料的選擇

鄧永貴

（浙江華友鈷業股份有限公司，浙江 桐鄉）

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步，大量的工程項目采用壓力浸出生產實踐，應對更復雜、難處理的原料，且大部分的工業實踐采用硫酸體系生產[1-3]，由于反應釜是壓力浸出生產裝置中的核心裝備，其襯里層材料的設計選型、施工須科學嚴謹，否則，影響生產裝置運行的安全性、效率、生命周期等。

本文主要闡述硫酸體系中常見的反應釜襯里層材料的設計選型和施工注意事項，比如設計選型的合理性、施工的質量控制、維護等，為類似項目提供參考。

1 襯里層為金屬材料

采用金屬的襯里層的反應釜，利用襯里層金屬的耐腐蝕性和耐磨性實現。有采用部分區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側局部區域堆焊鎳合金；有些采用整體襯里層為金屬材料，比如復合板材料，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釜，常選擇牌號為TA1/TA2 的板材，與Q345R 進行爆炸復合，Q345R+純鈦的復合板再加工成需要規格的反應釜。

選用純鈦作為襯里層的反應釜，需要考量以下要素：

（1）設計氧分壓低于35%是相對安全，否則，增加鈦材燃燒的風險[6]。

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

（3）生產系統不能引入氯離子、氟離子、硝酸根等離子，在設計之初就須查相關金屬腐蝕數據。

（4）物料的硬度、粒度，對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，以及爆炸復合、加工對覆材的減薄和變形。

（6）制造過程須注意反應釜的T 型焊接接頭的處理，通常采用圖1 所示的焊接接頭設計。

圖1 T 型焊接接頭設計

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

選用純鈦作為襯里層的反應釜的運行須要留意以下幾點：

（1）反應釜定期進行焊縫檢測，各管口翻邊法蘭面和內側的檢查。

（2）檢查檢漏口是否有效。

（3）反應釜攪拌下方區域、折流板、筒體局部鈦材的磨蝕的檢查和修復。

（4）反應釜隔墻、折流板的變形的檢查、修復或更換。

（5）釜內凹坑的及時修復。

1.2 鈦合金的襯里層

采用鈦合金的襯里層反應釜，較多的紅土鎳礦項目采用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 作為襯里層的反應釜，除參照純鈦反應釜外，還需注意以下兩點：

（1）鈀屬于貴金屬，反應釜的制造成本高，須進行技術、經濟評估綜合分析決策。

（2）覆層為鈦合金，爆炸復合、卷板過程出現復合板之間分層，影響反應釜的加工制造周期。

目前，大部分的紅土鎳礦高壓酸浸項目采用鈦合金反應釜，運行的注意事項除參照純鈦反應釜外，此類鈦合金反應釜運行情況較好，主要是物料結垢對覆材起到了保護，但也曾出現過濃硫酸分散不均，導致反應釜被強酸腐蝕穿孔的情況。

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，法蘭面采用襯環等工藝，隔離層和耐酸磚或膠泥進行填充，鎳基合金管口的典型結構設計見圖2。

圖2 鎳基合金管口的典型結構設計

2 非金屬襯里層材料

反應釜選用非金屬襯里層材料的結構形式：與介質接觸的耐酸保溫的耐酸磚層，耐酸磚和反應釜筒體接觸的有防腐隔離層，非金屬材料反應釜襯里層的典型設計剖面見圖3。

圖3 非金屬材料反應釜襯里層的典型設計剖面

2.1 隔離層材料

隔離層的主要作用為耐酸磚與反應釜殼體之間的防腐和緩沖。隔離層的材料主要分為三類：鉛的隔離層、樹脂+類特氟龍的隔離層、類防滲膜+樹脂的隔離層。

第一類隔離層，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，但對職業健康和環境有影響，搪鉛或襯鉛的從業人員越來越少，此類隔離層逐漸被新工藝代替。

第二類隔離層，特氟龍+樹脂的隔離層，樹脂較好地與反應釜鋼殼層粘結，形成3 mm 厚度的樹脂層，再利用特氟龍類的紙，采用此隔離層的典型供應商為德國某企業，在老撾Sepon 等項目進行驗證和改良，截止目前暫無高壓酸浸項目使用業績情況。

第三類隔離層，防滲膜類的材料在火焰槍加熱，其與反應釜鋼殼層緊緊貼合，不需要其他粘合劑，施工簡單，樹脂層類似玻璃鋼的施工，采用此隔離層的典型供應商為美國某企業，在全球多個高壓酸浸項目和加壓氧浸項目上成功應用。

2.2 耐酸磚

壓力浸出反應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、成份對比見表1。

表1 耐酸磚性能參數、成份對比

從表1 可以看出：

（1）美國某公司的耐酸磚的鋁硅比最大，約為0.5，德國某公司、國產陶磚的鋁硅比小，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%，其他成份無相關數據。

陶磚的原料來自于自然界的陶土，經過配料、煉泥、陳腐、開片、自然干燥、二次成型、檢測、燒制等工序制成耐酸磚；美國、德國的耐酸磚材料采用石英砂、剛玉等物質進行配比壓制后煅燒而成。綜合部分項目的使用情況，工況溫度180 ℃以下選用國產陶磚基本滿足要求，美國、德國的耐酸磚常被選用于超200 ℃的工況，其中，美國的耐酸磚在氣相中的耐腐蝕性能表現良好。

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比見表2。

表2 膠泥性能參數對比（單位：%）

從表2 看，膠泥的性能參數沒有明顯的差異。但在實踐過程中，在工況180 ℃以下才選用國產的膠泥，更高的工況，穩妥的方案是選擇美國、德國的鉀水玻璃膠泥；在氣相中的膠泥，一般選擇含鉛的膠泥，這類膠泥的施工需要做好相關防護措施，膠泥和耐酸磚之間的勾縫5～8 mm。

3 生產實踐

我司硫化鈷銅礦加壓氧浸的反應釜襯里層：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，反應釜的管口堆焊Alloy625。襯里層已經使用超過8 年，未出現耐酸磚脫落、隔墻倒塌等異常情況，襯里層的表現滿足工況要求?？偨Y此項目的襯里層設計和施工環節，主要有以下值得類似項目借鑒：

（1）反應釜襯里層進行整體的有限元分析很有必要，見圖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，也是質量監控的關鍵點。

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

（5）搪鉛層的表面采用剛玉砂噴砂至Sa2.5。

（6）氣液相之間的過渡區域須按氣相的工況選擇膠泥。

（7）管口區域的溫度控制，采用傳熱系數更低的PTFE 塊+磚的結構方式，降低管口溫度。

（8）施工過程的質量監控，防止膠泥縫不飽滿、減少大量切磚，控制施工過程的濕度、溫度，確保膠泥有足夠的固化時間。

4 總結與展望

（1）反應釜的襯里層可選擇金屬襯里層，也可以選擇非金屬襯里層，但優先滿足工況，兼顧經濟性因素等。

（2）反應釜襯里層的設計、施工細節等環節的質量管控尤為重要，不同的工況，材料選擇差異較大。

（3）隨著材料的進步，襯里層材料的選擇面更廣，近年來更大型的、更先進的反應釜投入生產運行。