影响山西铝厂高压溶出稳定运行因素的探讨

世界 有色金属2000 年第 8 期 WORLD NONFERROUS METALS 影响山西铝厂高压溶出稳定运行因素的探讨 山西铝厂 　王继永　董妙贤 　　摘 　要 　通过笔者多年参与氧化铝生产实践所得的数据累积 ,对山西铝厂高压溶出机组稳定运行的 问题 ,进行了各种影响因素的综合分析 ,出了影响高压溶出机组运转率的三大因素 ,即加热管束的破 裂、原矿浆粒度和溶出系统结疤问题。阐述了其产生的原因和形成的机理 ,提出了解决的具体。为山 西铝厂高压溶出机组稳定运行提供了依据 ,从而使拜耳法系统的产能得到更有效的发挥。 　　关键词 　运转率 　加热管束 　矿浆粒度 　结疤 　磨损速度 　　山西铝厂拜耳法工艺的核心部分 ———高压溶出 , 是全套引进法国彼施涅铝业公司间接加热工艺技术。 与国内原有的拜耳法生产工艺比较 ,它的最大优点是 提高了溶出温度 (由传统的 245 ℃提高到 260 ℃) ,降 低了循环碱浓度 (由传统的 280g/ l 降为 230g/ l) ,降低 了溶出液分子比 (由传统的 1156 降为 1146) ,实现了 原矿浆的全部间接加热且相对溶出率提高 ,因而大大 降低了拜耳法生产氧化铝的能耗。当前 ,高压溶出机 组进料量已达到 450m3/ h 的设计流量。然而 ,衡量拜 耳法生产的重要指标 ———高压溶出机组运转率 ,目前 还有一定差距。影响高压溶出机组运转率的原因比 较复杂 ,下面就近几年影响高压溶出运转率的因素统 计如下 : 表 1 　近年来高压溶出机组的运转率及其影响因素 　( %) 时间 平均 运转率 磨损 影响 管束破裂 影响 结疤 清理 其它 影响 1995 年 71 2. 5 12. 5 4. 4 9. 6 1996 年 71. 38 4. 2 7. 8 5. 1 11. 52 1997 年 82. 3 4. 4 4. 3 6. 2 2. 8 1998 年 86. 7 4. 15 2. 2 6. 5 0. 45 平均 77. 85 3. 81 6. 7 5. 55 6. 09 　　从表 1 可以看出 ,影响高压溶出机组稳定运行的 因素主要有管束破裂、原矿浆粒度导致的磨损及结疤 清理和其它因素 (主要是管理方面的原因 ,包括供汽、 供料、荷兰泵机械等 ,从 1997～1998 年以来 ,此因素 已下降) ,其中前三个因素 ,是影响机组运转率的主要 因素。为此 ,本文将从这三大因素入手 ,探讨提高溶 出机组运转率的主要途径。 1 　加热管束破裂对高压溶出运转率的 影响 111 　压煮器管束破裂的两种类型 11111 　预热压煮器管束的破裂 如图 1 所示。这种管束破裂后 ,因为压煮器内压 力高 ,闪蒸槽来的二次汽压力低 ,原矿浆可通过破裂 的加热管束进入闪蒸槽 ,致使加热管堵塞。这种情况 一刻也不能延误 ,需要立即停车隔离。 图 1 　预热器管束破损示意图 41 □　工艺设备 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 世界 有色金属2000 年第 8 期 WORLD NONFERROUS METALS 11112 　加热压煮器管束破裂 这种情况由于新蒸汽压力高 ,罐内压力较低 ,当 加热管束破裂时造成新蒸汽直接进入压煮器内 ,使溶 出机组超压 ,引起荷兰泵跳停。如果隔离新蒸汽 ,料 浆又会返窜进加热管束和冷凝水系统内 ,时间稍长 , 料浆结硬堵死管束和冷凝水系统 ,因此也需要尽快停 车隔离。 上述两种管束破裂都会造成高压溶出停车 ,影响 高压溶出机组的运转率。 112 　管束破裂的主要原因分析 11211 　加热管排振动引起管束破裂 在高压溶出机组提压或降压、新蒸汽压力波动、 满罐率低等情况下 ,都会引起压煮器内加热管束振 动。当管束在振动过程中与环形固定支架产生摩擦 , 经过一段时间的摩擦 ,使摩擦处的耐压强度降低造成 管束破裂 ,这种因素占管束破裂的 10 %左右。 11212 　施工质量原因引起管束破裂 在施工过程中 ,没有严格按照高压焊接工艺进行 焊接 ,如 :打坡口时坡口表面有不平整、不光滑、坡口 角度不精确 ,焊接前坡口上有杂质、油污。致使焊接 过程产生熔合不良的缺陷 ,这种角接焊缝在交工验收 时只能用肉眼观察和超压实验来检验 ,对熔合不良、 焊缝细小裂纹、气孔等缺陷一般很难检查出来。根据 管束破裂的实际部位来看 ,从焊缝处破裂的情况较 多 ,这种因素占管束破裂的 30 %左右。 11213 　管材质量原因引起管束破裂 设计使用进口 TU42CΦ54 ×216 无缝钢管 ,在使 用之前有锈蚀现象 ,降低了管束的强度。特别是高压 溶出二系列 ,在 1994 年 8 月 7 日投料试车一个月左 右就有破管现象。1994 年 12 月因管束破裂影响高压 溶出运转率达 21164 %。据统计 ,管材质量引起管束 破裂约占 50 %。 11214 　进料冲刷引起管束破裂 压煮器进料是通过进料管从上部进入 ,当满罐率 低或料浆颗粒较粗时 ,对管排冲刷严重 ,引起管束破 裂 ,这种因素占管束破裂的 5 %。 11215 　开、停车频繁 ,引起管束破裂 ①在开、停车过程中 ,由于加热管束单面受压 ,当 管束存在上述缺陷时容易引起管束破裂。 ②在开车过程中 ,由于冷凝水排放问题造成水柱 冲击 ,也容易引起管束破裂。 这两种因素占管束破裂的 5 %左右。 113 　防止加热管束破裂的措施及对策 从表 1 统计数据可以看出 ,在 1995～1998 年间 由于管束破裂引起高压溶出运转率下降 617 % ,是影 响高压溶出运转率的主要因素。特别在 1995～1996 年度是影响高压溶出运转率降低的主导因素。当时 , 处理管束破裂问题已成为最紧迫的任务。 11311 　对加热管束结构进行改造并逐步进行更换 (1)防止加热管排振动。主要采取了增加环形支 架 ,即将原 3 道环形支架增加到 5 道。原来环形支架 的管夹是点焊到加热管上的 ,由于应力腐蚀和机械磨 损使支架处容易破裂。在改造过程中对环形支架的 管夹之间的螺丝全部进行点焊 ,确保园形支架坚固。 (2)增加管壁厚度。在传热效率允许的情况下 , 将原有 TU42CΦ54 ×216 的无缝管改为 20GΦ54 ×315 的无缝钢管 ,并在易冲刷部位喷涂防磨。 (3)对进料处进行改造。主要将进料处的管束降 低 ,进料管向下延伸并在管排上增加防磨钢板 ,防止 进料部位被料浆冲刷。 11312 　强化高压溶出机组操作 ,严格检修压煮器质 量 　　(1)严格高压溶出开、停车操作规程 ,要求在开车 时冷凝水排放阀要全部打开。开车时间控制在 7～ 8h 之内 ,将停车放料时间控制在 6～8h 之内。 (2)提高溶出机组满罐率操作 ,防止蒸汽压力波 动。 (3)严格压煮器检修过程的质量检查和验收 ,建 立了相应的检修质量验收规范。如 :对大修实行施工 招标 ,并要求施工单位有施工方案 ,交工后要保证使 用 3 年以上。对抢修压煮器要求有高压焊接合格证 , 确保超压实验 15min 不降压 ,检查无渗水、变形等 ,以 确保检修质量。 通过采取上述措施 ,收到了显著效果 ,表 1 中管 束破裂对运转率的影响逐年下降就是证明。 2 　原矿浆粒度对溶出机组稳定运行的 影响 　　众所周知 ,金属表面的磨损主要是颗粒对金属表 51 影响山西铝厂高压溶出稳定运行因素的探讨 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 世界 有色金属2000 年第 8 期 WORLD NONFERROUS METALS 面产生的动能引起的。当固体颗粒冲击管壁或设备 过流件时 ,将引起金属表面变形。磨损强度主要由悬 浮液的固相组成、液相特性、流动条件、管壁特性及冲 击角度所决定。山西铝厂高压溶出机组的磨损强度 主要由原矿浆中的固体粒度决定 ,下面主要就原矿浆 粒度对溶出机组的稳定运行展开讨论。 中国铝土矿资源以一水硬铝石型为主 ,莫氏硬度 为 615 左右 ,有很强的磨蚀性。山西铝厂采用的是典 型的一水硬铝石型铝土矿 ,拜耳法生产系统引进的法 铝预脱硅 —单管预热 —压煮器预热 —压煮器加热溶 出技术 ,对原矿浆粒度具有严格的要求。对此 ,山西 铝厂和沈阳铝镁设计院在初步设计时极为重视 ,曾委 托北京矿冶研究院和郑州轻金属研究院进行必要的 磨矿实验 ,最后选择了Φ316 ×415m 的大型格子磨、 Φ2. 4m的双螺旋分级机等原矿浆制备系统的主体设 备。为检验这套系统能否达到设计要求 ,还专门在拜 耳法系统正式投料之前安排了原矿浆制备系统的相 似物料试车。在相似物料试车过程中 ,原矿浆粒度虽 然已接近设计指标 ,但始终没有达到设计要求 ,从而 给高压溶出机组的稳定运行带来了一系列的问题。 211 　原矿浆粒度设计指标 粒度 :700μm = 100 % 即 + 26 # = 0 % 500μm ≥9915 % 即 + 35 # ≤015 % 300μm ≥99 % 即 + 60 # ≤1 % + 160 # ≤22 % 212 　原矿浆粒度的统计分析 21211 　相似物料试车指标统计 在相似物料试车过程中 ,球磨机加球量为 90t ,平 均球径为 83mm ,下料量控制在 55t/ h·台。 相似物料试车原矿浆粒度的平均结果为 : + 26 # 0135 % , + 35 # 0. 85 % , + 60 # 2. 45 % , + 160 # 21. 94 %。通过相似物料试车发现 ,磨机下料量 55t/ h·台 ,空砸现象十分严重 ,返砂量经测量只有 78 % ,对于设计要求的 4 种粒级 ,只有 + 160 # 筛的平 均值达到设计要求 ,其它筛号都不合格。为此 ,将球 磨机装球量降到了 75～80t ,平均球径降到了 75～ 80mm ,下料量控制在 55t/ h·台左右进行投料试车。 21212 　拜尔法投产以来原矿浆粒度的生产统计结果 在试车初期的 3 个月 + 60 # 筛上残留平均为 1181。虽然较相似物料试车时有进步 ,但 + 60 # 筛仍 不合格。一些随机抽查样分析结果的记录归纳 ,虽没 有系统性 ,但从一个侧面证明磨矿的粒级在 + 35 # 、 + 60 # 是不合格的。其主要原因是分级机的分级效 果不佳所造成的。 表 2 　1994～1999 年随机抽查结果统计 时间 样品名称 + 35 # + 60 # + 100 # + 160 # + 220 # 1994. 9. 6 原矿浆 0. 87 3. 51 5. 65 17. 85 1996. 1. 13 预脱硅矿浆 0 2. 65 18. 70 1997. 5. 10 预脱硅矿浆 4. 27 20. 53 1998. 4. 23 原矿浆 1. 83 20. 51 1998. 9. 17 预脱硅矿浆 7. 02 25. 69 1999. 1. 1 - 10 原矿浆 1. 35 17. 42 213 　粗粒级原矿浆对高压溶出料浆系统的磨损分析 根据近几年的统计 ,粗粒级具有很强的磨蚀性 , 其磨损速度是原设计的几倍 ,甚至几十倍。 在日常检修中 ,通过对高压溶出料浆管的测厚 , 低于 6mm 的管子要求更换。从 1995 年 12 月以来 ,因 原矿浆磨损引起高压溶出停车时间统计如表 3 所示。 表 3 　磨损引起高压溶出停车时间统计 检修项目 数量 检修费用 (万元) 备件及材料 费 (万元) 影响开车 时间 (h) 使运转率 降低 ( %) SⅠSⅡ单管大修 4 次 120 157 288 1. 09 料浆管更换 215m 15 17. 6 253 0. 97 阀门更换 400 台 14. 9 400 267 1. 40 闪蒸过料管更换 78 根 7. 8 85. 8 209 0. 79 总　　计 157. 7 660. 4 1117 4. 25 　　从表 3 可以看出 ,由于粗粒磨损使高压溶出运转 率降低了 4125 % ,这一数据还不包括对荷兰泵过流 件的磨损引起的停车。从表 1 中发现 ,因磨损造成高 压溶出停车的比例在增大 ,目前已上升为第二大影响 因素。 综上分析 ,粗粒级原矿浆的磨蚀性不但影响高压 溶出运转率 ,而且使氧化铝生产成本大幅度上升 ,因 此解决原矿浆粒度问题目前很有必要。 214 　解决原矿浆粒度问题的措施及对策 21411 　采用旋流器分级技术 旋流器分级技术已在山西铝厂进行了工业试验 , 并已经取得了良好的效果 ,这套改造方案是将原格子 61 □　工艺设备 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 世界 有色金属2000 年第 8 期 WORLD NONFERROUS METALS 磨 —分级机闭路循环原矿浆配制系统改为格子磨 — 旋流器闭路循环系统。可以从根本上解决原矿浆粒 度及分级机能力不足问题。 21412 　在原磨矿的基础上增加旋流器分级技术 改造流程如图 2 所示。 图 2 　改造后的工艺 　　这套改造流程与生产交叉较少 ,对目前生产流程 影响较小。 3 　结疤对高压溶出运转率的影响 山西铝厂采用的是典型的一水硬铝石铝土矿 ,铝 土矿中的主要杂质是硅、铁、钛、镁的化合物。在高压 溶出过程中 ,矿石中的这些杂质均不同程度地与碱液 发生化学反应。其反应产物在不同的温度区间 ,分别 以方钠石、钙霞石、水化石榴石和钛酸钙等矿物从浆 液中析出 ,并在管束换热面上形成结疤 ,使传热系数 迅速下降 ,迫使高压溶出停车隔离进行清理 ,影响高 压溶出稳定运行。这种影响因素使高压溶出运转率 降低 515 %。 311 　钠硅渣对溶出稳定运行的影响 原设计采用山西西河底铝土矿 ,其中 SiO2 主要 以高岭石形态存在 ,在与碱液作用中 ,其速度大于一 水硬铝石型铝土矿。原矿浆温度提到 95～105 ℃时 , 可与碱液进行反应 ,反应产物以方钠石析出。 这一反应过程主要是在预脱硅槽内进行的。根 据郑铝轻金属研究院的工业实验 ,山西矿的脱硅率可 以达到 73 %以上。山西铝厂投产以后 ,由于采用了 河南民矿 ,其中的 SiO2 主要以伊利石和叶腊石形态 存在 ,其脱硅率较低。近几年实际生产也证明了这一 点。 表 4 　近年来原矿浆预脱硅结果统计 年份 脱硅后矿浆 ( %) Si A 酸溶硅 脱硅率 ( %) 1995 8. 44 55. 9 5. 85 69. 3 1996 7. 52 56. 9 4. 95 65. 8 1997 7. 12 57. 0 4. 49 63. 1 1998 6. 56 58. 5 4. 40 67. 1 　　从表 4 可以看出 ,4 年平均预脱硅率为 66135 %。 预脱硅没有达到 75 %的设计指标 ,致使单管内壁产 生以方钠石为主的结疤速度加快。目前的生产实践 说明 ,由于单管结疤加剧 ,原设计的单管酸洗时间每 半年 1 次 ,缩短为 4～5 个月之间。 由于预脱硅不彻底 ,单管结疤速度加剧 ,这种影 响使高压溶出运转率降低 013 %左右。 312 　高温下钠硅渣和钛酸钙结疤对高压溶出稳定运 行的影响 　　目前山西铝厂高压溶出采用的铝土矿 ,为山西西 河底铝土矿和河南民矿的混合铝土矿 ,含有大约 215 %氧化钛。氧化钛以金红石和锐钛矿存在 ,氧化 硅主要以高岭石、叶腊石和伊利石存在。其中以高岭 石形态存在的氧化硅在预脱硅过程中大部分进行了 反应 ,而氧化钛和以伊利石形态存在的氧化硅在 150 ℃以下基本不与苛性钠反应。而一水硬铝石型铝 土矿在溶出过程中需要 200 ℃以上的高温 ,这就为 TiO2 和伊利石与苛性钠反应提供了充分条件。 根据目前山西铝厂的生产实践证明 ,TiO2 在 150 ～200 ℃范围内与 CaO 反应速度是比较慢的。而在 200～260 ℃时反应速度较快 ,以伊利石存在的 SiO2 在 95～105 ℃下与碱液不发生反应 ,在 150～180 ℃范围 内反应缓慢 ,在 180～240 ℃范围内反应速度较快。由 于 TiO2 和伊利石在 200 ℃以上的高温下反应速度同 时加快 ,因此使高压溶出 Ra111～Ra118 内的管束结 疤加剧。间接加热管排之间的最小距离大约 50mm , 最大距离为 160mm ,管与管之间的距离约为 2718mm。 当运行 3 个月时管束之间被结疤堵死 ,严重影响传热 效果。 加热压煮器 Ra116、Ra118 和预热压煮器 Ra106、 71 影响山西铝厂高压溶出稳定运行因素的探讨 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 世界 有色金属2000 年第 8 期 WORLD NONFERROUS METALS Ra110、Ra111 结疤组成对比示于表 5。 表 5 　加热压煮器和预热压煮器结疤对比 时间 Ra SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO Na2O TiO2 灼减 其它 1995. 3. 9 Ra106 16. 55 15. 17 20. 00 13. 1 4. 0 13. 67 2. 86 6. 27 9. 38 1995. 4. 7 Ra110 5. 86 6. 07 40. 6 13. 75 4. 5 12. 5 2. 24 6. 87 7. 87 1995. 6. 22 Ra111 9. 33 6. 48 12. 6 22. 88 2. 35 10. 05 24. 38 7. 38 4. 63 1995. 6. 22 Ra116 13. 17 3. 23 13. 20 23. 38 1. 89 13. 24 20. 76 6. 57 4. 6 1995. 3. 9 Ra118 3. 46 0. 93 13. 20 16. 65 8. 82 7. 5 30. 1 16. 88 2. 46 　　通过表 5 分析 ,预热压煮器 Ra106～Ra110 ,其工 作温度一般在 150～200 ℃范围之内 ,钛渣析出量很 少。Ra109 大修完投入生产 3 个月后将其隔离清理 , 测定加热管束的结疤厚度为 315mm。对于压煮器 Ra111～Ra118 ,其工作温度范围在 200～260 ℃,钛酸 钙和高温钠硅渣结疤大量析出。根据郑州轻金属研 究院对山西西河底铝土矿所做的工业试验 ,结疤速度 为 0132mm/ d ,而目前由于采用了河南民矿与山西孝 义矿 ,使 Ra111～Ra118 结疤速度加快 ,造成高压溶出 的清理工作量很大 ,目前反应压煮器段的结疤用火烧 很难解决问题 ,严重影响高压溶出的反应速度。因 此 ,Ra111～Ra118 中的每台压煮器每隔 3 个月需隔 离清除结疤 ,造成高压溶出停车。这种影响因素使高 压溶出运转率降低 512 % ,是造成高压溶出停车的主 要原因之一。 313 　结疤的清除及对策 31311 　以钠硅渣为主的结疤清理办法 从上述分析可以得出 ,单管 Ra101～Ra105 中的 结疤主要以钠硅渣为主 ,由于采用了部分民矿 ,单管 的结疤速度加快 ,使清理周期缩短 ,从而影响高压溶 出运转率 ,此处结疤用酸洗的办法可以清除。Ra106 ～Ra110 结疤速度只有 01038mm/ d ,用火烧结疤办法 可以清除。 31312 　以钛酸钙和高温钠硅渣为主的结疤清理 在 Ra111～Ra118 压煮器内结疤成份比较复杂 , 但主要以钛酸钙和高温钠硅渣为主。一般 3 个月可 以达到约 28mm ,几乎将管束全部结死 ,清理起来十分 困难。为此 ,目前主要采取以下办法。 (1)减轻结疤厚度 ①每次停车都要对压煮器填料、注油器进行检 查 ,确保压煮器搅拌常开 ,使料浆对加热管保持冲刷 作用。 ②在保证溶出效果的前提下 ,适当地降低石灰的 配入量 ,以减轻压煮器的钛酸钙结疤。 ③尽量安排好隔离周期 ,以缩短压煮器结疤生产 时间。 ④改善工艺流程 ,在 Ra114 和 Ra115 中间设中间 停留罐 ,减轻 Ra115～Ra118 压煮器的结疤。 (2)目前的结疤清理办法 首先对隔离压煮器进行 1 天水煮 ,再进行大约 3 天的碱煮。其次 ,再进行火烧及人工清理 ,要求专人 进行验收。 (3)应进一步开发新技术 通过采取上述办法 ,效果仍不理想。笔者认为应 开发新技术进一步解决 Ra111～Ra118 管束的结疤。 例如 :目前国外开展的低分子量酸液处理结疤技术及 国内水力冲击法清理结疤技术。特别是水力冲击清 理结疤技术已在山西铝厂做了一些实验 ,取得一定经 验 ,笔者认为可以在此方面加大研究力度。 4 　结束语 山西铝厂高压溶出机组运转率是衡量拜耳法生 产水平的一项综合指标 ,受制于各方面因素的影响。 本文仅从管束破裂、原矿浆粒度的磨损、加热管束结 疤 3 个主要方面进行分析 ,探讨解决这些问题的办法 和措施 ,寻找解决问题的方向。可以看出 ,随着山西 铝厂整体管理水平的提高 ,高压溶出机组运转率正向 着逐年提高的方向发展。 81 □　工艺设备 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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