土耳其氧化鋁生產(chǎn)專用工藝閥門- 料漿閥的改進設計與實踐

戎容

中國原子能工業(yè)有限公司出口部（工程部） 北京 100032

在氧化鋁生產(chǎn)工藝流程中，需要大量采用各種工藝閥門，并且在氧化鋁生產(chǎn)中起著十分重要的作用。由于氧化鋁生產(chǎn)工藝的特殊工況條件，這些工藝閥門不但要具有良好的密封性能和耐高溫、高壓、耐腐蝕等常規(guī)技術性能，還應具有良好的抗結疤、耐沖蝕性磨損和較長的使用壽命等特殊技術性能，而一般通用閥門是不具備這些特殊技術性能的。因此，必須研制開發(fā)適合于氧化鋁生產(chǎn)工藝特性的工藝閥門。

Eti Aluminyum A.S.是土耳其唯一一家能夠從礦石中提取鋁，并具有從采礦到最終產(chǎn)品生產(chǎn)的一整條產(chǎn)業(yè)鏈的綜合鋁廠，于2005 年在全國私有化中被CengizHolding 接管。該廠年產(chǎn)鋁土礦55 萬噸，鑄造產(chǎn)品16 萬噸，氧化鋁26 萬噸，氫氧化鋁40 萬噸，為整個土耳其市場提供了10%的鋁。在伊斯坦布爾工業(yè)協(xié)會編制的土耳其工業(yè)機構500 強排行榜中，名列第165 位。目前，該廠仍在技術改造中。

進入21 世紀后，土耳其氧化鋁工業(yè)得到迅速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，工藝技術朝著短流程和低能耗的方向發(fā)展，裝備技術朝著大型化、高效化和自動化的方向發(fā)展，大量新工藝、新技術及新裝備的工業(yè)化應用，對氧化鋁生產(chǎn)專用工藝閥門提出了更高的要求[1]。

另外，同我國的鋁土礦類似，土耳其的鋁土礦也以一水硬鋁石為主，其莫氏硬度相對更高，對閥門密封面及過流件造成的磨損更加強烈，導致了安裝在高壓溶出系統(tǒng)及隔膜出口等重要工位上的料漿閥正常使用壽命不足40天，嚴重影響生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運行。因此，改進和提高料漿閥的技術性能，特別是提高使用壽命成了土耳其氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)的迫切要求。

1 氧化鋁生產(chǎn)專用工藝閥的技術性能要求

閥門結構設計與材料選擇取決于所使用的介質(zhì)物料性質(zhì)。氧化鋁及其水合物的物理性質(zhì)見表1。從表中可以看出，不同類型的礦石相對密度和相對硬度存在很大差異。其中，一水硬鋁石鋁土礦相對密度和莫氏硬度最大，對氧化鋁礦漿輸送系統(tǒng)中的管件、泵、閥門等設備及部件磨損嚴重，尤其是對閥門密封面的沖蝕性磨損更為強烈。另外，在鋁土礦漿的預熱及溶出過程中，一些礦物與循環(huán)母液發(fā)生化學反應，以溶解度很小的新的礦物形態(tài)結晶析出，被粘付在閥體內(nèi)壁表面形成結疤，會嚴重影響閥門的密封性能和流通能力。

表1 氧化鋁及其水合物的物理性質(zhì)

2 氧化鋁專用料漿閥的改進設計與實踐

基于對氧化鋁生產(chǎn)物料性質(zhì)的分析、結疤過程的認識，我們從閥門結構、材質(zhì)等發(fā)方面進行了調(diào)研考察，分析比較各個供應商之間的設計差異，最終經(jīng)過同杭州耐特閥門股份有限公司（以下簡稱“耐特公司”）的深入探討，改變并優(yōu)化了了土耳其現(xiàn)有料漿閥的結構設計。

2.1 閥門結構形式設計

常規(guī)截止閥一般采用直通式結構設計，存在流道孔不通暢，流阻系數(shù)大，易結疤，閥座等易損件不能更換等問題。如圖1。

圖1 常規(guī)截止閥

通過流道優(yōu)化分析，確定采用Y 型直流式結構形式，即閥體流通孔軸線與閥桿軸線形成45°夾角，流道孔設計成流線型，使其盡量通暢，減小流阻，減少結疤生成，閥體設計成兩塊式結構，便于閥座、閥瓣等易損件更換，加大閥門啟閉行程，在閥門完全打開時，使閥瓣脫離介質(zhì)通道，減少介質(zhì)對閥瓣的沖蝕磨損。Y 型料漿閥的主要結構特點如圖2、圖3。

圖2 PN1.6MPa

圖3 PN10.0MPa

2.2 閥體內(nèi)腔結構設計

因氧化鋁生產(chǎn)中各工序的工作壓力、介質(zhì)流速不同，所反映的問題也不同，高壓閥門的主要問題是密封面的沖蝕性磨損、壓力較低的閥門主要問題是閥體內(nèi)腔的結疤。根據(jù)這一現(xiàn)實情況，我們對于工作壓力PN ≤2.5MPa，介質(zhì)流速V ≤4M/S 的閥門采取閥座縮徑處理，使閥體內(nèi)腔局部流速提高來減少結疤。工作壓力PN ≥5.0MPa，介質(zhì)流速V ≥6M/S 的高壓閥門采取閥座全通徑或大于公稱通徑設計，以達到降低流速，減輕磨損的目的。同時，耐特公司還對兩種不同閥座內(nèi)徑的Y 型料漿閥分別做了流阻試驗。流阻測試結果見表2：

表2 流阻測試

測試結果表明，縮徑15%的Y 型料漿閥由于采取了流線型的流道設計，其流阻系數(shù)仍然小于一般普通截止閥，不會造成對管線過大的壓力損失。

2.3 閥門密封面結構設計與密封面材料選擇

閥門使用壽命主要取決于密封面使用壽命的長短，而密封面的使用壽命又主要取決于密封面的結構形式和密封面材料是否適合于工況條件。因此，針對上述兩個主要問題，我們經(jīng)過反復和耐特公司進行技術論證和優(yōu)化設計，并進行了大量的設計驗證和試驗工作，確定了設計改進方案[2]。

（1）密封面結構設計改進。一般通用閥門的密封面結構通常采用平面接觸的形式，而且要根據(jù)材料的許允應力來確定接觸面的寬度。但由于氧化鋁料漿濃度高，固體含量高，在閥門關閉時固體顆粒狀介質(zhì)會粘著在密封面上，使閥門無法關嚴，而導致密封面被迅速沖蝕磨損。土耳其原本計劃使用的料漿閥，其閥瓣密封面采用球形設計，閥座采用了錐面結構，形成線性密封結構。如圖3。

圖3

這種線性密封結構的料漿閥經(jīng)過實際使用證明，雖然具有防止介質(zhì)粘著，密封可靠，關閉力矩小等優(yōu)點，但由于接觸面過小，在密封線上一旦出現(xiàn)細小的缺口，就會被料漿迅速沖蝕擴大，形成土壩效應，導致密封失效，嚴重影響閥門的使用壽命，因此，這種密封面形式還不能適應氧化鋁生產(chǎn)要求。

最終經(jīng)過反復技術論證和優(yōu)化設計，并做了大量的設計驗證和試驗工作，確定了設計改進方案：把密封面結構形式由線性接觸改成錐面接觸（如圖4 所示），并最終選擇確定了既能保證良好的密封性能，又能提高抗沖蝕磨損能力的密封面寬度值。

（2）密封面材料的改進。密封面材料適用與否，也是影響閥門使用壽命的關鍵因素之一。原土耳其料漿閥，全部采用Stellite6作為密封面材料，該材料的常溫硬度為HRC40-46，具有較好的耐腐蝕、耐高溫抗沖擊和抗粘著磨損性能。但當介質(zhì)(氧化鋁礦漿)工作壓力PN ≥5.0MPa，流速V ≥6M/s 時，該材料的抗沖蝕性磨損能力明顯不足。因此，我們把用于工作壓力PN ≥5.0MPa 的Y 型料漿閥密封面材料改為采用Niwc35 炭化鎢合金，其成型后的平均硬度達到HRC62，該合金材料主要適用于強烈磨料磨損的場合，但不易機械加工[3]。

圖4

3 改進后結果

土耳其EtiAluminyumA.S.氧化鋁廠最終選用改進后的Y 型料漿閥，經(jīng)其氧化鋁廠實際使用表明，閥門的使用壽命得到了大幅度提高，效果十分明顯，工作壓力PN ≥5.0MPa 的Y 型料漿閥，由于不但設計上采用了錐面接觸密封面結構形式，還采用了Niwc35密封面材料，所以抗沖蝕磨損性能大幅提高，使用壽命提高了一倍以上。根據(jù)現(xiàn)場使用情況反饋，改進前后料漿閥的使用壽命對比見表3：

表3 改進前后Y 型料漿閥使用壽命對比

4 結語

土耳其Eti AluminyumA.S.氧化鋁廠是60 年代由前蘇聯(lián)建設，目前所使用的閥門仍然沿用5 年乃至10 年之前的設計。因此現(xiàn)場之前所使用的閥門的經(jīng)濟性不高，需要頻繁及大量更換閥門，另一方面，因閥門密封性的問題，造成漿液的外流溢出，帶來不必要的原料損失，并且因需要頻繁更換閥門，也給氧化鋁的最終產(chǎn)量造成影響。

因此，我們意識到在該項目中不僅需要為土耳其氧化鋁廠提供產(chǎn)品，更重要的是提供合適及更先進的設計方案，“授人以漁”。在經(jīng)過我們同土耳其現(xiàn)場的深入溝通探討，并且在國內(nèi)進行大量調(diào)研溝通，改進設計，最終確認方案。根據(jù)目前土耳其Eti Aluminyum A.S.現(xiàn)有情況，不僅其氧化鋁廠需要更換閥門，其電解鋁，超細氫氧化鋁廠等也有更換閥門的需要。因此，做好氧化鋁廠料漿閥的改造項目，對接來下需要進行的整個鋁廠的閥門更換也有著重要的指導意義，同時，對于發(fā)揮我們在中國市場的優(yōu)勢，帶動國內(nèi)企業(yè)走出去，擴大國內(nèi)產(chǎn)品的知名度也起到積極的作用。