硫酸体系压力浸出反应釜衬里层材料的选择

邓永贵

（浙江华友钴业股份有限公司，浙江 桐乡）

湿法冶炼中的压力浸出作为一种清洁高效的工艺，近年加压湿法冶炼的材料和装备取得巨大进步，大量的工程项目采用压力浸出生产实践，应对更复杂、难处理的原料，且大部分的工业实践采用硫酸体系生产[1-3]，由于反应釜是压力浸出生产装置中的核心装备，其衬里层材料的设计选型、施工须科学严谨，否则，影响生产装置运行的安全性、效率、生命周期等。

本文主要阐述硫酸体系中常见的反应釜衬里层材料的设计选型和施工注意事项，比如设计选型的合理性、施工的质量控制、维护等，为类似项目提供参考。

采用金属的衬里层的反应釜，利用衬里层金属的耐腐蚀性和耐磨性实现。有采用部分区域衬里层为金属材料，比如人孔、搅拌口、其他工艺管口的法兰及釜筒体内侧局部区域堆焊镍合金；
有些采用整体衬里层为金属材料，比如复合板材料，纯钛、钛合金等材料作为衬里层[4-5]。

1.1 纯钛的衬里层

采用纯钛的衬里层反应釜，常选择牌号为TA1/TA2 的板材，与Q345R 进行爆炸复合，Q345R+纯钛的复合板再加工成需要规格的反应釜。

选用纯钛作为衬里层的反应釜，需要考量以下要素：

（1）设计氧分压低于35%是相对安全，否则，增加钛材燃烧的风险[6]。

（2）一般设计的浸出残酸浓度低于50 g/L，从生产角度，残酸太高消耗更多中和剂。

（3）生产系统不能引入氯离子、氟离子、硝酸根等离子，在设计之初就须查相关金属腐蚀数据。

（4）物料的硬度、粒度，对衬里层的磨蚀和撞击凹坑。

（5）衬里层的名义厚度一般须考虑腐蚀、磨蚀余量，以及爆炸复合、加工对覆材的减薄和变形。

（6）制造过程须注意反应釜的T 型焊接接头的处理，通常采用图1 所示的焊接接头设计。

图1 T 型焊接接头设计

目前，采用纯钛反应釜的项目主要有：高冰镍、MSP等原料的POX 项目，以及部分赤铁矿法除铁项目；
无氧参与红土镍矿高压酸浸项目。

选用纯钛作为衬里层的反应釜的运行须要留意以下几点：

（1）反应釜定期进行焊缝检测，各管口翻边法兰面和内侧的检查。

（2）检查检漏口是否有效。

（3）反应釜搅拌下方区域、折流板、筒体局部钛材的磨蚀的检查和修复。

（4）反应釜隔墙、折流板的变形的检查、修复或更换。

（5）釜内凹坑的及时修复。

1.2 钛合金的衬里层

采用钛合金的衬里层反应釜，较多的红土镍矿项目采用SB265-TiGr.17 的钛合金作为覆层材料，因钯的加入，提高了材料的耐腐蚀性能。选用TiGr.17 作为衬里层的反应釜，除参照纯钛反应釜外，还需注意以下两点：

（1）钯属于贵金属，反应釜的制造成本高，须进行技术、经济评估综合分析决策。

（2）覆层为钛合金，爆炸复合、卷板过程出现复合板之间分层，影响反应釜的加工制造周期。

目前，大部分的红土镍矿高压酸浸项目采用钛合金反应釜，运行的注意事项除参照纯钛反应釜外，此类钛合金反应釜运行情况较好，主要是物料结垢对覆材起到了保护，但也曾出现过浓硫酸分散不均，导致反应釜被强酸腐蚀穿孔的情况。

1.3 镍基合金的衬里层

镍基合金作为衬里层，主要用于衬砖反应釜的管口，通常选用镍基合金有：Alloy625、哈氏合金、蒙乃尔合金等[7]。镍基合金采用堆焊，法兰面采用衬环等工艺，隔离层和耐酸砖或胶泥进行填充，镍基合金管口的典型结构设计见图2。

图2 镍基合金管口的典型结构设计

反应釜选用非金属衬里层材料的结构形式：与介质接触的耐酸保温的耐酸砖层，耐酸砖和反应釜筒体接触的有防腐隔离层，非金属材料反应釜衬里层的典型设计剖面见图3。

图3 非金属材料反应釜衬里层的典型设计剖面

2.1 隔离层材料

隔离层的主要作用为耐酸砖与反应釜壳体之间的防腐和缓冲。隔离层的材料主要分为三类：铅的隔离层、树脂+类特氟龙的隔离层、类防渗膜+树脂的隔离层。

第一类隔离层，选用纯度大于99.99%的Pb1，采用搪铅或者衬铅工艺。铅是比较软的金属，遇硫酸钝化，但对职业健康和环境有影响，搪铅或衬铅的从业人员越来越少，此类隔离层逐渐被新工艺代替。

第二类隔离层，特氟龙+树脂的隔离层，树脂较好地与反应釜钢壳层粘结，形成3 mm 厚度的树脂层，再利用特氟龙类的纸，采用此隔离层的典型供应商为德国某企业，在老挝Sepon 等项目进行验证和改良，截止目前暂无高压酸浸项目使用业绩情况。

第三类隔离层，防渗膜类的材料在火焰枪加热，其与反应釜钢壳层紧紧贴合，不需要其他粘合剂，施工简单，树脂层类似玻璃钢的施工，采用此隔离层的典型供应商为美国某企业，在全球多个高压酸浸项目和加压氧浸项目上成功应用。

2.2 耐酸砖

压力浸出反应釜的耐酸砖起到耐酸、耐磨、保温隔热等作用，因此耐酸砖的选择也是需要慎重，湿法冶炼压力浸出的耐酸砖多为异型砖[8]，部分典型耐酸砖的性能、成份对比见表1。

表1 耐酸砖性能参数、成份对比

从表1 可以看出：

（1）美国某公司的耐酸砖的铝硅比最大，约为0.5，德国某公司、国产陶砖的铝硅比小，在0.32～0.36。

（2）从已公布的主要成份看，硅、铝、钛、铁的氧化物占比在94%～97%，其他成份无相关数据。

陶砖的原料来自于自然界的陶土，经过配料、炼泥、陈腐、开片、自然干燥、二次成型、检测、烧制等工序制成耐酸砖；
美国、德国的耐酸砖材料采用石英砂、刚玉等物质进行配比压制后煅烧而成。综合部分项目的使用情况，工况温度180 ℃以下选用国产陶砖基本满足要求，美国、德国的耐酸砖常被选用于超200 ℃的工况，其中，美国的耐酸砖在气相中的耐腐蚀性能表现良好。

2.3 胶泥

不同的压力浸出工况，衬砖用的胶泥选择选型差异巨大，部分压力浸出典型的胶泥的性能对比见表2。

表2 胶泥性能参数对比（单位：%）

从表2 看，胶泥的性能参数没有明显的差异。但在实践过程中，在工况180 ℃以下才选用国产的胶泥，更高的工况，稳妥的方案是选择美国、德国的钾水玻璃胶泥；
在气相中的胶泥，一般选择含铅的胶泥，这类胶泥的施工需要做好相关防护措施，胶泥和耐酸砖之间的勾缝5～8 mm。

我司硫化钴铜矿加压氧浸的反应釜衬里层：选择6 mm 左右的搪铅隔离层，3 层耐酸砖，隔离层各耐酸砖之间有PTFE 膜和胶泥层，反应釜的管口堆焊Alloy625。衬里层已经使用超过8 年，未出现耐酸砖脱落、隔墙倒塌等异常情况，衬里层的表现满足工况要求。总结此项目的衬里层设计和施工环节，主要有以下值得类似项目借鉴：

（1）反应釜衬里层进行整体的有限元分析很有必要，见图4。

图4 衬里层的有限元分析模型

（2）为满足搪铅和衬砖的需求，反应釜钢壳的圆度宜控制在±0.4%。

（3）搪铅工序影响制造周期，也是质量监控的关键点。

（4）搪铅层与管口堆焊层须平滑过渡，采用搭缝处理；
搪铅进行着色检验，返锈点须重新搪铅。

（5）搪铅层的表面采用刚玉砂喷砂至Sa2.5。

（6）气液相之间的过渡区域须按气相的工况选择胶泥。

（7）管口区域的温度控制，采用传热系数更低的PTFE 块+砖的结构方式，降低管口温度。

（8）施工过程的质量监控，防止胶泥缝不饱满、减少大量切砖，控制施工过程的湿度、温度，确保胶泥有足够的固化时间。

（1）反应釜的衬里层可选择金属衬里层，也可以选择非金属衬里层，但优先满足工况，兼顾经济性因素等。

（2）反应釜衬里层的设计、施工细节等环节的质量管控尤为重要，不同的工况，材料选择差异较大。

（3）随着材料的进步，衬里层材料的选择面更广，近年来更大型的、更先进的反应釜投入生产运行。

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