镍钴湿法冶炼卧式加压釜概述

赵爱君

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

镍钴湿法冶炼卧式加压釜概述

赵爱君

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

总结了镍、钴湿法冶炼项目中卧式加压釜的设计演变历程，介绍了国内镍钴湿法冶炼加压浸出设备的发展与进步。对钛钢复合板制加压釜和钢衬砖加压釜在设计中应注意的问题提出了合理化建议，并对加压冶金设备技术发展方向进行了探讨。

镍钴湿法冶炼； 加压釜； 钛钢复合板； 钢衬砖

镍、钴湿法冶炼卧式加压浸出釜上世纪七十年代在金川公司就已经安装运行，用于钴冰铜硫酸浸出。该设备由中国恩菲完成非标设计，国内制造，采用钢壳内搪铅再衬砖结构，是国内使用加压浸出技术用于镍钴湿法冶炼工业生产的开端。上世纪八十年代，金川公司引进了日本的一套钢衬砖卧式加压釜，用于对镍冶炼工艺进行工业试验。上世纪九十年代，中国恩菲设计的用于镍湿法冶炼生产的钢衬砖制卧式加压釜在新疆阜康冶炼厂投入运行，至今仍正常生产。2000年左右，中国恩菲承担吉林镍业公司的1万t/年精制硫酸镍冶炼项目设计，首次采用钛钢复合板制卧式加压釜对高冰镍进行氧压条件下的选择性连续浸出，生产电子级硫酸镍。该釜的容积大约20 m3，在严格的操作制度下从2001年投产正常运行至今，打破了钛制釜不能在氧压环境下应用的说法，为后续类似的工程奠定了基础。该釜的成功设计、研究、制造和使用，是我国湿法冶金技术发展中一项突破性的进步，为我国有色金属的湿法冶金，特别是镍、钴金属的高温氧压提取，以及钛钢复合板制加压釜的设计与制造，提供了宝贵的经验。基于吉镍加压釜的成功运行，金川公司在2008年的镍精炼项目中采用了容积超过200 m3的钛钢复合板制加压釜进行镍金属氧压浸出，并正常运行至今。

对于湿法冶炼高氧分压(≥35%)的氧压浸出工艺过程，国内外仍采用钢外壳搪铅再衬砖的结构，只是随着设计手段的进步，有限元分析设计更多的融入到设计过程，使得设备的安全性提高，不同材料之间的匹配性更加合理，使用寿命延长，生产效率更高。中国恩菲为某项目设计的钴冰铜氧压浸出加压釜采用了钢外壳搪铅再衬耐酸耐温砖的结构，吸收了国内外类似釜的经验，采用了有限元分析方法进行辅助设计。

对于低品位镍红土矿的冶炼，需要更高的温度、更高的压力、更高的酸度及更大的容积，如中国恩菲承接的某红土镍矿项目，采用钛钢复合板制加压釜，操作温度超过240 ℃、操作压力超过4.8 MPa、几何容积超过了750 m3。

1 加压釜结构分析

镍、钴冶炼加压釜是浸出工艺中重要的关键设备，一般都工作在强腐蚀介质、高温、高压、高磨损的工矿条件下。根据工艺条件和各种要求的不同，可以选择采用钛钢复合板制造(见图1)或钢衬复合衬里结构(见图2)。加压釜一般由卧式釜体、工艺内插管及管口(包括进出料、安全泄放、压力温度监控、加热、冷却等)、搅拌装置、机械密封和密封润滑冷却系统等组成。釜体内采用隔墙分隔成多个隔室，每个隔室带有独立的搅拌装置，搅拌装置垂直安装在釜体上方。此类釜的设计、制造及使用的技术性很强，要求很严格，涉及到冶炼工艺的要求、结构设计、材质选择、高压下机械密封、制造、安全防护及温度、压力、液位、流量、含氧浓度等相关各参数，要求在工作状态下工艺、设备、仪表连锁集散控制等多学科的综合交叉集合，才能保证安全、稳定的正常生产。

图1 钛钢复合板制加压釜结构示意图

图2 钢衬砖加压釜结构示意图

在釜体的结构设计中，在满足工艺要求的有效容积的前提下，其长径比的确定是非常重要的一个环节，它不仅要保证釜体在内压力、重力载荷和搅拌装置引起的动载荷作用下处于良好的受力状况，还要保证每个隔室的长度和直径之比能使介质在搅拌器的搅拌作用下处于最佳的流动状态，还要考虑釜内留有合适的操作空间。隔室的数量可根据项目情况进行确定。如某工程卧式加压釜几何容积要求9 m3，开始设计方案采用四隔室，内部设置盘管，直径较小。设计过程中分析此釜内部空间狭小，不利于安装和维修内部构件。于是协调各方，将釜体直径改大，四个隔室调整为三个隔室。即满足了工艺要求，又方便操作。

2 设计因素分析

2.1 钛钢复合板制加压釜釜体

(1)对于使用氧气的加压釜，必须保证釜内气相在运行状态下含O2≤33%～35%，否则有使高压釜内衬的工业纯钛发生燃烧的危险。围绕着这项特殊规定和对介质的耐蚀要求，不但要强化工艺操作，设计中对充氧管、搅拌轴等的材质和结构也必须科学地考虑。

(2)在釜体的强度设计中，用釜体所受内压力计算其壁厚只是一方面，另外还要综合考虑高压釜正常工作时搅拌器搅拌介质引起的动载荷，搅拌装置支撑在釜体上，在釜体开孔与接管处引起的较大的、复杂的边缘应力以及因基层材料与复层材料热膨胀系数不同而引起的应力。

(3)在充氧条件下，内部附件固定必须牢固，钛材内件固定界面最好进行隔离，防止钛材表面相互摩擦。

(4) 在强磨损区域可设置耐磨板，定期检查更换，避免釜体破坏。

(5)外部须保温隔热。

(6)检漏孔须接短管伸出保温隔热层外，有条件可接管汇总到水池中，便于及时发现泄漏情况。

2.2 钢衬砖釜体

此类釜一般用于强腐蚀性、高氧气含量的工艺反应过程。钢釜体内圆筒体采用隔离层再衬耐酸耐温砖。

(1)在设计过程中应注意衬里对钢壳的作用力与反作用力，必要时采用有限元方法进行辅助设计。

(2) 合理的选择衬里材料，包括隔离层、耐酸耐温砖、胶泥等。国内目前所用釜隔离层材料采用搪铅，但搪铅的施工过程对工人的危害较大，对环境也有一定的影响，因此，希望找到一种环保材料替代搪铅，并能够满足工艺生产的要求。国外有成功使用有机覆层作为隔离层的实例，国内有待进一步考核、论证、推广使用。

(3)隔墙及挡板一般采用砖砌结构，也可采用耐腐蚀金属结构。砖砌隔墙及挡板设计、施工要求牢固嵌入筒体衬里中，不得出现松动、掉砖情况。金属隔墙及挡板须保证有足够的强度、刚度，避免金属变形对筒体砖衬产生影响。

(4)管口处的排砖要合理，防止衬砖脱落，特别是搅拌装置安装口等有震动的管口处，钢接管及砖衬合理的结构设计尤为重要。

2.3 搅拌装置

搅拌装置是高压釜的核心，在釜内达到工艺要求的工作温度和工作压力下，足够的搅拌强度是达到理想反应效果的保证。

(1)影响和制约搅拌强度的因素很多，矿浆比重、黏度、固体含量、固体颗粒大小、固体真比重、气体加入与否、气体加入点、反应要求的程度大小、隔墙高度、挡板形式、搅拌器型式、搅拌转速等诸多因素都要综合考虑，特别应该注意的是高温状态下液体比重减小对固体颗粒运动的影响。

(2)搅拌装置须满足机械密封对轴向窜动和径向摆动的要求。

(4)氧压条件下，釜体内部可能运动的部件必须可靠连接，必要时进行点焊。

(5) 搅拌器材料的选择，应考虑安全性、耐腐蚀性等因素，在高速区域还需考虑耐磨性，可采用局部硬化，提高使用寿命。

2.4 机械密封及配套装置

机械密封是搅拌装置在釜内压力状态下正常运行的保证。

(1) 机械密封一般采用双端面结构。可根据工艺条件选择通用产品与搅拌装置配套，或由搅拌装置供货商根据其搅拌装置进行特殊设计并供货。

(2)氧压条件下，除动静环外，其余与釜内介质接触部件严禁产生相对摩擦运动。

(3) 密封液如采用强制循环方式，应设置断流或失压报警，如采用静态釜压联动方式，应设置密封液低液位报警，便于操作人员及时发现并处理。

3 加压釜技术发展方向

随着镍钴矿的品位越来越低，浸出难度越来越大，有价金属浸出工艺向着高压、高温、强酸、充入各种气体强化反应的方向发展，且越来越复杂。曾经在～1.0 MPa、～160 ℃、pH～2的操作条件下就能对高冰镍进行浸出，而低品位镍红土矿的浸出条件≥5.0 MPa、≥240 ℃、pH～0.5就显得非常苛刻。以前的设备部件材料采用普通钛材即可满足生产，而在更加恶劣的工况下，就需要选择钛合金(如钛钯合金、钛钼镍合金等)、超级双相钢、镍基合金、甚至金属钽等超级耐腐蚀合金才能满足生产要求。

随着镍钴矿的品位越来越低，同样金属产量处理的原矿量会成倍增加，在强化单位处理能力的前提下，设备的容积将向大型化方向发展。中国恩菲参与设计项目的加压釜从9 m3、16 m3、20 m3、50 m3、150 m3、250 m3直到镍红土矿的加压釜容积达到750 m3，加压釜容积越大，要求设计、制造、检验、运输、安装、运行的难度也会越来越大。

随着控制理论、一次仪表、自动控制阀门等水平的提高，自动监测加报警、人工调整的模式逐渐向全程自动监测、自动控制的方向发展，形成压力、温度、液位、物料平衡、配套设备、反应效果等数据监测与过程控制连锁的一整套自动化系统，提高了生产的稳定性、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

赵爱君(1960—)，男，北京人，高级工程师，大学本科，主要从事湿法冶金设备设计工作。

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