土耳其氧化铝生产专用工艺阀门- 料浆阀的改进设计与实践

戎容

中国原子能工业有限公司出口部（工程部） 北京 100032

在氧化铝生产工艺流程中，需要大量采用各种工艺阀门，并且在氧化铝生产中起着十分重要的作用。由于氧化铝生产工艺的特殊工况条件，这些工艺阀门不但要具有良好的密封性能和耐高温、高压、耐腐蚀等常规技术性能，还应具有良好的抗结疤、耐冲蚀性磨损和较长的使用寿命等特殊技术性能，而一般通用阀门是不具备这些特殊技术性能的。因此，必须研制开发适合于氧化铝生产工艺特性的工艺阀门。

Eti Aluminyum A.S.是土耳其唯一一家能够从矿石中提取铝，并具有从采矿到最终产品生产的一整条产业链的综合铝厂，于2005 年在全国私有化中被CengizHolding 接管。该厂年产铝土矿55 万吨，铸造产品16 万吨，氧化铝26 万吨，氢氧化铝40 万吨，为整个土耳其市场提供了10%的铝。在伊斯坦布尔工业协会编制的土耳其工业机构500 强排行榜中，名列第165 位。目前，该厂仍在技术改造中。

进入21 世纪后，土耳其氧化铝工业得到迅速发展，生产规模不断扩大，工艺技术朝着短流程和低能耗的方向发展，装备技术朝着大型化、高效化和自动化的方向发展，大量新工艺、新技术及新装备的工业化应用，对氧化铝生产专用工艺阀门提出了更高的要求[1]。

另外，同我国的铝土矿类似，土耳其的铝土矿也以一水硬铝石为主，其莫氏硬度相对更高，对阀门密封面及过流件造成的磨损更加强烈，导致了安装在高压溶出系统及隔膜出口等重要工位上的料浆阀正常使用寿命不足40天，严重影响生产系统的正常运行。因此，改进和提高料浆阀的技术性能，特别是提高使用寿命成了土耳其氧化铝生产企业的迫切要求。

1 氧化铝生产专用工艺阀的技术性能要求

阀门结构设计与材料选择取决于所使用的介质物料性质。氧化铝及其水合物的物理性质见表1。从表中可以看出，不同类型的矿石相对密度和相对硬度存在很大差异。其中，一水硬铝石铝土矿相对密度和莫氏硬度最大，对氧化铝矿浆输送系统中的管件、泵、阀门等设备及部件磨损严重，尤其是对阀门密封面的冲蚀性磨损更为强烈。另外，在铝土矿浆的预热及溶出过程中，一些矿物与循环母液发生化学反应，以溶解度很小的新的矿物形态结晶析出，被粘付在阀体内壁表面形成结疤，会严重影响阀门的密封性能和流通能力。

表1 氧化铝及其水合物的物理性质

2 氧化铝专用料浆阀的改进设计与实践

基于对氧化铝生产物料性质的分析、结疤过程的认识，我们从阀门结构、材质等发方面进行了调研考察，分析比较各个供应商之间的设计差异，最终经过同杭州耐特阀门股份有限公司（以下简称“耐特公司”）的深入探讨，改变并优化了了土耳其现有料浆阀的结构设计。

2.1 阀门结构形式设计

常规截止阀一般采用直通式结构设计，存在流道孔不通畅，流阻系数大，易结疤，阀座等易损件不能更换等问题。如图1。

图1 常规截止阀

通过流道优化分析，确定采用Y 型直流式结构形式，即阀体流通孔轴线与阀杆轴线形成45°夹角，流道孔设计成流线型，使其尽量通畅，减小流阻，减少结疤生成，阀体设计成两块式结构，便于阀座、阀瓣等易损件更换，加大阀门启闭行程，在阀门完全打开时，使阀瓣脱离介质通道，减少介质对阀瓣的冲蚀磨损。Y 型料浆阀的主要结构特点如图2、图3。

图2 PN1.6MPa

图3 PN10.0MPa

2.2 阀体内腔结构设计

因氧化铝生产中各工序的工作压力、介质流速不同，所反映的问题也不同，高压阀门的主要问题是密封面的冲蚀性磨损、压力较低的阀门主要问题是阀体内腔的结疤。根据这一现实情况，我们对于工作压力PN ≤2.5MPa，介质流速V ≤4M/S 的阀门采取阀座缩径处理，使阀体内腔局部流速提高来减少结疤。工作压力PN ≥5.0MPa，介质流速V ≥6M/S 的高压阀门采取阀座全通径或大于公称通径设计，以达到降低流速，减轻磨损的目的。同时，耐特公司还对两种不同阀座内径的Y 型料浆阀分别做了流阻试验。流阻测试结果见表2：

表2 流阻测试

测试结果表明，缩径15%的Y 型料浆阀由于采取了流线型的流道设计，其流阻系数仍然小于一般普通截止阀，不会造成对管线过大的压力损失。

2.3 阀门密封面结构设计与密封面材料选择

阀门使用寿命主要取决于密封面使用寿命的长短，而密封面的使用寿命又主要取决于密封面的结构形式和密封面材料是否适合于工况条件。因此，针对上述两个主要问题，我们经过反复和耐特公司进行技术论证和优化设计，并进行了大量的设计验证和试验工作，确定了设计改进方案[2]。

（1）密封面结构设计改进。一般通用阀门的密封面结构通常采用平面接触的形式，而且要根据材料的许允应力来确定接触面的宽度。但由于氧化铝料浆浓度高，固体含量高，在阀门关闭时固体颗粒状介质会粘着在密封面上，使阀门无法关严，而导致密封面被迅速冲蚀磨损。土耳其原本计划使用的料浆阀，其阀瓣密封面采用球形设计，阀座采用了锥面结构，形成线性密封结构。如图3。

图3

这种线性密封结构的料浆阀经过实际使用证明，虽然具有防止介质粘着，密封可靠，关闭力矩小等优点，但由于接触面过小，在密封线上一旦出现细小的缺口，就会被料浆迅速冲蚀扩大，形成土坝效应，导致密封失效，严重影响阀门的使用寿命，因此，这种密封面形式还不能适应氧化铝生产要求。

最终经过反复技术论证和优化设计，并做了大量的设计验证和试验工作，确定了设计改进方案：把密封面结构形式由线性接触改成锥面接触（如图4 所示），并最终选择确定了既能保证良好的密封性能，又能提高抗冲蚀磨损能力的密封面宽度值。

（2）密封面材料的改进。密封面材料适用与否，也是影响阀门使用寿命的关键因素之一。原土耳其料浆阀，全部采用Stellite6作为密封面材料，该材料的常温硬度为HRC40-46，具有较好的耐腐蚀、耐高温抗冲击和抗粘着磨损性能。但当介质(氧化铝矿浆)工作压力PN ≥5.0MPa，流速V ≥6M/s 时，该材料的抗冲蚀性磨损能力明显不足。因此，我们把用于工作压力PN ≥5.0MPa 的Y 型料浆阀密封面材料改为采用Niwc35 炭化钨合金，其成型后的平均硬度达到HRC62，该合金材料主要适用于强烈磨料磨损的场合，但不易机械加工[3]。

图4

3 改进后结果

土耳其EtiAluminyumA.S.氧化铝厂最终选用改进后的Y 型料浆阀，经其氧化铝厂实际使用表明，阀门的使用寿命得到了大幅度提高，效果十分明显，工作压力PN ≥5.0MPa 的Y 型料浆阀，由于不但设计上采用了锥面接触密封面结构形式，还采用了Niwc35密封面材料，所以抗冲蚀磨损性能大幅提高，使用寿命提高了一倍以上。根据现场使用情况反馈，改进前后料浆阀的使用寿命对比见表3：

表3 改进前后Y 型料浆阀使用寿命对比

4 结语

土耳其Eti AluminyumA.S.氧化铝厂是60 年代由前苏联建设，目前所使用的阀门仍然沿用5 年乃至10 年之前的设计。因此现场之前所使用的阀门的经济性不高，需要频繁及大量更换阀门，另一方面，因阀门密封性的问题，造成浆液的外流溢出，带来不必要的原料损失，并且因需要频繁更换阀门，也给氧化铝的最终产量造成影响。

因此，我们意识到在该项目中不仅需要为土耳其氧化铝厂提供产品，更重要的是提供合适及更先进的设计方案，“授人以渔”。在经过我们同土耳其现场的深入沟通探讨，并且在国内进行大量调研沟通，改进设计，最终确认方案。根据目前土耳其Eti Aluminyum A.S.现有情况，不仅其氧化铝厂需要更换阀门，其电解铝，超细氢氧化铝厂等也有更换阀门的需要。因此，做好氧化铝厂料浆阀的改造项目，对接来下需要进行的整个铝厂的阀门更换也有着重要的指导意义，同时，对于发挥我们在中国市场的优势，带动国内企业走出去，扩大国内产品的知名度也起到积极的作用。