溶出闪蒸器进料结构的分析与改进

任红艳

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

1 进料结构的分析

闪蒸器进料结构主要功能是将高压、高温矿浆通入闪蒸器，并降压喷出。其结构见图1，包括进料管部分、喷头部分；喷头部分又分为孔板、孔板固定件、孔板座、喷头基础。矿浆由工艺管道输送，经进料管部分流入，然后在喷头部分变向，并经孔板高速喷出。使矿浆降压的功能元件为孔板，其本质是一个口径远小于进料管内径的喷嘴。孔板降压的原理是：在管道的适当地方将流通面积突然急剧缩小，当液体经过缩口，流束会变细收缩，流速增大，流速的增加伴随着缩流断面处压力的大大降低。当流束扩展进入更大的区域时，速度下降，压力增加，但下游压力不会完全恢复到上游的压力，这是由于较大内部紊流和能量消耗的结果。十级闪蒸中通过调整各级闪蒸器中孔板的孔径来分配各级压力，最终得到所需压力和温度的矿浆。

图1 闪蒸器进料结构

在进入首级闪蒸器前，矿浆的固含多在139 g/L左右，比重一般在1 470 kg/m3左右，压力一般在3 Mpa左右，温度一般在260℃左右。在矿浆在经过进料结构并喷射入闪蒸器的整个过程中，伴随着流通面积、压力、流速、流向的急剧变化；同时矿浆由于固含较大，对流经设备磨损也相应较大。因此，在闪蒸过程中，进料系统许多零部件均处在严重磨损状态，尤其是喷头部分零部件。实际生产中这些零部件的更换十分频繁，为生产、维修成本带来很大压力。如何通过合理的改进，延长进料结构的使用寿命、降低使用维修成本，一直是闪蒸器设计中面临的一个问题。

该文根据设计中曾对闪蒸器进料结构做出的改进，以及生产单位针对各种改进结构的反馈情况，分别对进料结构中的进料管部分和喷头部分做了分析和说明。

2 进料管部分的分析与改进

进料管部分主要功能是将工艺管道中提供的矿浆通入闪蒸器，其一端与工艺管道连接，一端与喷头部分对焊连接，同时利用大法兰盖与闪蒸器进料孔法兰连接，具体结构及各部分名称见图2。

图2 进料管部分改进结构

与工艺管道的连接通过管法兰来实现，是为了拆卸、维修方便。与喷头部分直接对焊，是因该区域已经接近喷口位置，磨损开始变得严重，流速开始急剧变化，流体状态也不再是管道中稳定平流状态；如改用法兰连接，则法兰密封垫、法兰紧固件均有可能在较短时间内失效。

如图2中所示，进料管部分穿透并焊接于大法兰盖中心，然后将大法兰盖与进料孔法兰连接。该结构的优点是：检修时，仅需将大法兰盖拆开，就可将进料管部分和喷头部分整体从闪蒸器中抽出。同时，为增强结构的稳定性，设置了支撑锥板结构。

整体来说，进料管部分结构已经较为成熟。但随着近年来，对设备成本控制更加精细，对设备结构优化强调更加严格，该结构还是存在一定改进空间。该文根据设计中曾对务正道新增100 万t氧化铝、遵义氧化铝做出设计改进，对闪蒸器进料结构改进部分作如下介绍。

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2.1 普及锥管结构

锥管结构如图2中锥管所示，其主要作用是变径。锥管在闪蒸器进料结构中其实一直都有使用，但以往大多使用在压力较高的几台，并未得到全面普及。或因加工繁琐，从高压部分到低压部分直接均不使用。根据生产反馈情况来看，有无锥管对闪蒸器闪蒸效果的影响几乎可忽略不计。但是，增加锥管可使进料系统结构上更合理，成本上更经济。

有锥管结构时，锥管与喷头结构对接；无锥管结构时，则是外钢管与喷头结构对接。因此，有锥管时，喷头结构可制作的较小，能满足与锥管小端对接即可；而无锥管时，喷头结构须制作较大，须满足可与外钢管对接的要求。

喷头结构体积过大，缺点是本身用材较多，采购加工成本增大；为保证检修时喷头结构可整体从设备进料孔中抽出，进料孔须制作的更大。进料孔加大，则要求进料孔处法兰、法兰盖加大、加厚，增加成本较多；更主要的是，设备本体上开孔太大对设备本体受力状态非常不利。

随着近年来对设备成本控制越来越严格，锥管结构应当在闪蒸器结构的得到普遍采用。如最新设计并正在施工的务正道新增100 万t氧化铝，十级闪蒸器全部采用锥管结构，合理缩小了喷头结构的外形尺寸，减轻了喷头定期更换带来的经济压力；同时设备本体上的进料孔也不必制作很大。

2.2 增设内衬钢管

进料管部分整体来说磨损并不严重，如华锦氧化铝厂2014年底投产至今，进料管部分均未更换。但较闪蒸器本体部分来说，磨损还是比较大，如遵义氧化铝厂因投产时间较长，曾发生进料管部分磨损严重需要更换的情况。

增设内衬钢管是为了更有效地保护外钢管，结构如图2所示。如不增设内衬钢管，进料管部分可能出现磨损的区域为：与矿浆直接接触的管法兰、外钢管、锥管。对进料锥管来说，若磨损严重，直接切除更换即可，比较方便，且对其它部分影响不大，更换成本也较低。但是，对外钢管和管法兰来说，整体更换成本则较高。其原因有两方面，一方面在高压区域，管法兰多使用锻件法兰，采购成本较高；另一方面，因外钢管穿透并焊接与大法兰盖中心，当更换外钢管并将其从大法兰盖中心切除下来时，大法兰盖也将作废，需重新采购。

基于上述原因，在对遵义氧化铝闪蒸器技改时，提出在进料钢管中增加内衬钢管。内衬钢管整体插入外钢管中，仅在首尾圆周焊接。当内衬钢管磨损严重时，直接拆卸更换，外钢管、管法兰、大法兰盖将不再需要更换。其投入成本很小，切实可行地解决了外钢管替换时成本较大的问题。

3 喷头部分的分析与改进

国内溶出闪蒸中，喷头部分常用结构一般有2种：1种以钢管为喷头基础，1种以整体锻件为喷头基础。2种结构除喷头基础结构不同外，其余零部件包括孔板、孔板座、孔板固定件结构基本相同。孔板座焊接与喷头基础上(以钢管为喷头基础时)，或直接将孔板座与喷头基础作为一个零件整体锻造(以整体锻件为喷头基础时)，孔板固定件用于将孔板固定于孔板座上。以钢管为喷头基础的结构为例，其各零部件见图3。生产中，矿浆由进料管部分流入喷头基础内部，受喷头基础约束，矿浆强制转向，由孔板喷出。

图3 喷头部分改进结构

因矿浆流速、流向、压力的急剧变化，喷头部分一直是是闪蒸器中磨损最为严重、更换最为频繁、最容易出现问题的区域。生产中曾出现投产一周内喷头部分磨穿情况，也曾出现过生产一个月喷头部分有零件脱落情况。如何延长喷头部分使用寿命，保证喷头部分结构的合理安全，是一个需要着重考虑的问题。该文根据近年来曾做出的设计改进，着重对喷头基础结构、孔板结构、耐磨层做出的改进，进行介绍。

3.1 采用椭圆封头结构

在以往的设计中，特别是在时间紧迫的技改时，为缩减施工量同时使加工更容易，曾频繁出现平盖封头结构。

从受力分布状态来分析：封头结构中，半球形封头优于椭圆封头，而椭圆封头又优于平盖封头。在几种常用封头结构中，平盖结构是受力分布状态最差的结构。受同等内压情况下，所需半球形封头厚度小于椭圆封头，而所需椭圆形封头厚度又小于平盖封头。因此，同等厚度时，平盖结构安全系数最低。

从磨损角度来分析，因高固含矿浆在封头部位受阻转向从孔板喷出，平盖结构无过渡区域，磨损最不均匀，部分区域磨损十分严重，而有些区域磨损相对较小。同等厚度，平盖封头结构最容易磨穿。

无论是从增大结构的安全系数角度来考虑，还是从元件的使用寿命来考虑，都应该避免采用平盖封头结构。同时由于半圆形封头加工精度及加工成本较高，生产中多采用椭圆形封头(如图3中封头所示)。如对遵义氧化铝技改的设计、对务正道新增100 万t氧化铝的设计均全部采用了椭圆形封头结构。

3.2 采用螺钉紧固孔板结构

孔板是闪蒸器中更换最频繁部件，其更换原因：一是由于矿浆从孔板中高速喷射磨损严重，损坏速度较快，需定期更换；二是孔板是调整各级闪蒸器压力分布的元件，当在生产流程中压力分布需调整时，孔板均需更换。

一般孔板材质均选用硬质合金钢，与碳钢的可焊性较差，不得与孔板座直接焊接。以往为防止孔板脱落，多采用卡环将孔板直接压入孔板座中，而卡环与孔板座直接焊接，卡环即为孔板固定件(如图1所示)。更换孔板时须将卡环与孔板座焊缝切开，更换麻烦，且如切割情况不好孔板座也需更换。

在华锦氧化铝厂闪蒸器设计中，孔板普遍采用了螺钉固定结构，即在孔板座上加工螺纹孔，用紧固螺钉直接将孔板紧固在孔板座上(结构如图3所示)。根据生产反应，基本没有出现紧固螺钉脱落情况，可保证生产的稳定运行。

用螺钉固定孔板的优点是：安装方便，需要时可快速更换孔板，且孔板更换时不会损伤孔板座。缩短了检修时间，降低了维修更换成本。

3.3 采用最新耐磨层复合工艺

增设耐磨层是解决磨损问题最直接有效的方法。设计中喷头部分(除孔板外)与矿浆接触区域均应增设耐磨层，而孔板直接采用耐磨的硬质合金钢制作。理论上，耐磨层厚度越厚，设备抵抗磨损的能力越强，设备寿命就越长。但实际上，受加工工艺影响，以往耐磨层厚度一直难以提高。以往耐磨层多以涂层形式加工成型，一般多为2～5 mm左右；强行增厚，施工难度较大，且容易脱落。如华锦氧化铝厂，闪蒸器均采用了涂层技术添加耐磨层，并在后续技改中对涂层进行了加厚，但在3～4个生产周期约100～140天左右也需要更换喷头部分。近年来出现了另一种耐磨层成型技术，称之为耐磨层复合技术，即直接在喷头部分内部复合一层耐磨金属，其厚度可达到20～30 mm或者更厚。如山西华兴铝厂采用了改技术，部分喷头投入生产至今已有8个月，仍可正常使用。

该耐磨层复合技术有效地增厚了耐磨层厚度，增强了喷头部分抵抗磨损的能力。喷头部分使用寿命得到了有效延长。

4 结 语

闪蒸工艺本身的特性决定了闪蒸过程中矿浆流通面积、压力、流速、流向的急剧变化不可避免，同时矿浆的高固含特性也不可回避。这决定了矿浆对进料结构的磨损也是不可避免。为了延长进料结构各部分使用寿命，减轻因频繁更换带来的生产压力、维修压力、经济压力，设计中一般从结构优化和提高耐磨层性能两方面来入手。如进料管部分普及锥管结构、增设内衬钢管，喷头部分采用椭圆封头结构、采用螺钉紧固孔板结构，均是通过结构的优化或延长进料结构使用寿命、或减轻更换维修带来的经济压力。采用最新耐磨层复合工艺则是从提高耐磨层性能角度来入手，直接有效地延长了进料结构使用寿命。