溶出闪蒸器进料结构的分析与改进

2019-04-25 11:50任红艳
有色金属设计 2019年1期
关键词:闪蒸封头矿浆

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。

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