供稿|李曉鵬，原思聰，熊富倉(cāng)，苑曉剛，何 鋒，郭麗萍 / LI Xiao-peng，YUAN Si-cong，XIONG Fu-cang，YUAN Xiao-gang，HE Feng，GUO Li-ping

生物冶金是將生物技術(shù)與濕法冶金技術(shù)相結(jié)合的一種新工藝。與傳統(tǒng)資源加工技術(shù)—選礦和冶金提取與分離兩大工藝流程不同，生物冶金技術(shù)是利微生物、空氣和水等天然物質(zhì)從礦石中直接提取有價(jià)金屬，無(wú)需選礦、火法冶煉的清潔短流程技術(shù)、反應(yīng)過(guò)程自然溫和。由于生物冶金具有環(huán)境危害小和資源利用率高的優(yōu)點(diǎn),在資源環(huán)境問(wèn)題日益受重視的今天倍受關(guān)注,在礦物加工領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。2013年為某冶金集團(tuán)精金礦綜合回收利用工程研制的鈦鉬鎳制氧壓浸出釜是國(guó)內(nèi)首例按照TSG R0004—2009及GB150.1~GB150.4—2011規(guī)范制造的生物冶金關(guān)鍵設(shè)備之一。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鈦鉬鎳制氧壓浸出釜(圖1)設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度高；設(shè)備直徑小、壁厚，有6個(gè)隔室；釜體上開(kāi)孔較多，設(shè)有攪拌口連接管、測(cè)溫管、取樣管、加酸管、測(cè)壓力管、排氣管等共計(jì)32個(gè)管口以保證設(shè)備在規(guī)定的參數(shù)下連續(xù)運(yùn)行；釜體外設(shè)夾套，用于加熱或冷卻釜內(nèi)礦漿，使其達(dá)到規(guī)定的溫度，夾套分格與釜體緊湊連接，可避免導(dǎo)熱油短路；設(shè)備采用磁力密封，密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向尺寸短；密封面壓緊力保持恒定，不存在彈簧失彈導(dǎo)致壓緊力減弱現(xiàn)象。設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。主要零部件材質(zhì)及規(guī)格見(jiàn)表2。

圖1 設(shè)備簡(jiǎn)圖

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 主要零部件材質(zhì)及規(guī)格

關(guān)鍵部件

釜體

由表1可知，設(shè)備的工作條件十分苛刻，為了改善設(shè)備在高溫下的耐縫隙腐蝕性能(表3)釜體采用鈦鉬鎳耐蝕鈦合金，釜體內(nèi)徑280 mm，為了保證設(shè)備強(qiáng)度，經(jīng)強(qiáng)度校核[5]后釜體壁厚取為18 mm。

由于釜體筒節(jié)直徑小、厚度大，若按常規(guī)制造方法選用無(wú)縫管或板材卷制，雖可以降低成本，但要確保設(shè)備達(dá)到工藝操作條件及所需要的圓度卻十分困難。有鑒于此，設(shè)備釜體最終采用鈦鉬鎳鍛件[6]。

為了保證各接管孔及隔室隔板安裝位置錯(cuò)開(kāi)焊縫[7]釜體采用分節(jié)制作，焊縫布置圖如圖2所示?？紤]到設(shè)備多節(jié)組對(duì)后累積誤差對(duì)設(shè)備總長(zhǎng)的影響，在單節(jié)釜體制造時(shí)就要對(duì)其加工尺寸嚴(yán)格控制。為此，單節(jié)釜體加工時(shí)須嚴(yán)格按照?qǐng)D2中要求尺寸進(jìn)行控制，單節(jié)釜體制作工藝路線(xiàn)為：下料→劃線(xiàn)→車(chē)→酸洗→鐵離子污染試驗(yàn)。

受限于釜體直徑，釜體內(nèi)隔板必須與環(huán)縫施焊同時(shí)交替進(jìn)行。各接管孔位置也必須在環(huán)縫組對(duì)前校核完畢，否則會(huì)因環(huán)縫組對(duì)后的累積誤差導(dǎo)致管孔及隔板位置偏移原基準(zhǔn)。

釜體組對(duì)采取的措施：

為確保劃線(xiàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一，劃線(xiàn)前各筒節(jié)兩端做出“左、右”標(biāo)識(shí)，在平臺(tái)上測(cè)量各筒節(jié)長(zhǎng)度及筒節(jié)總長(zhǎng)，核對(duì)是否與圖2相符。

組焊各筒節(jié)前，在平臺(tái)上劃筒體分度線(xiàn)，作方位及筒節(jié)編號(hào)標(biāo)記，按圖2所示由右向左做筒節(jié)組對(duì)順序標(biāo)記，每節(jié)筒節(jié)外側(cè)距筒節(jié)左側(cè)端口20 mm劃環(huán)形組對(duì)基準(zhǔn)線(xiàn)。

表3 鈦鉬鎳合金與其他合金在含氧介質(zhì)中的耐蝕性能比較

圖2 釜體焊縫布置圖

封閉最后一道環(huán)縫前必須以右封頭與筒體環(huán)縫側(cè)基準(zhǔn)線(xiàn)為準(zhǔn)，按裝配圖中釜體長(zhǎng)度精車(chē)加工至釜體尺寸圖樣要求。

釜體組對(duì)工藝路線(xiàn)：劃基準(zhǔn)線(xiàn)→組對(duì)右封頭→RT→依次組對(duì)筒體(VI-I)、隔板(VI-I)→依次RT(VI-I)→車(chē)→組對(duì)左封頭→RT→酸洗→鐵離子污染試驗(yàn)→重劃基準(zhǔn)線(xiàn)→釜體第一次水壓試驗(yàn)。

夾套

考慮到夾套內(nèi)工況沒(méi)有釜體內(nèi)苛刻，為了能在滿(mǎn)足設(shè)備使用要求的條件下降低制造成本[8]，夾套采用純鈦TA2，夾套內(nèi)徑450 mm,經(jīng)強(qiáng)度校核[8]后夾套壁厚取8 mm。

由于夾套為整體成型，材料屬有色金屬、夾套形狀特殊(圖3)，局部翻邊制作難度大，稍有不慎夾套一次成型極有可能失敗。

夾套成型關(guān)鍵有三步，壓邊、卷筒、翻邊：壓邊前需確認(rèn)壓邊方向，劃兩條壓弧位置線(xiàn)；預(yù)彎前需確定不預(yù)彎區(qū)域并劃線(xiàn)標(biāo)出；由于夾套兩端與釜體連接處為錐面、柱面、弧面相交，此處翻邊為夾套制造難點(diǎn)，圖4為按1:1三維建模后錐面、柱面、弧面相交處胎具模型，由圖制作翻邊模具，并用模具進(jìn)行翻邊；與翻邊模及釜體體實(shí)配翻邊時(shí)。局部預(yù)熱需均勻，對(duì)翻邊處表面進(jìn)行保護(hù)，盡量避免捶擊坑痕。

圖3 夾套布料圖

圖4 夾套翻邊胎具局部模型圖

夾套制造工藝路線(xiàn)如下：下料→刨→劃卷圓線(xiàn)→卷圓→校圓→劃翻邊線(xiàn)→翻邊。

總裝工藝

釜體焊接參數(shù)控制

要采取防止焊接變形的工藝措施。焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊接熱輸入量，適當(dāng)加快焊接速度，嚴(yán)格控制層間溫度及焊接線(xiàn)能量。釜體焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 釜體焊接工藝參數(shù)

攪拌口加工質(zhì)量控制

釜體攪拌口6個(gè)端面的平面度直接影響設(shè)備攪拌系統(tǒng)的安裝質(zhì)量，考慮到設(shè)備為6隔室，各隔室開(kāi)口要求如表5，設(shè)備上開(kāi)孔較多，焊接量較大，焊接變形的控制[7]顯得尤為重要。

表5 隔室開(kāi)口詳情

設(shè)備攪拌口防變形措施：

釜體開(kāi)孔前為防止6隔室的攪拌孔開(kāi)孔后釜體發(fā)生形變[9]，需對(duì)釜體進(jìn)行加強(qiáng)，為此在不開(kāi)攪拌口的三個(gè)方向?qū)Ωw點(diǎn)固焊保護(hù)背板進(jìn)行加固，采用剛性固定法防止焊接變形。

釜體開(kāi)孔后需對(duì)開(kāi)孔部位進(jìn)行加強(qiáng)、支撐以防止后續(xù)焊接過(guò)程中設(shè)備發(fā)生焊接變形。

焊接攪拌口凸緣時(shí)要求對(duì)稱(chēng)焊接，并對(duì)6隔室各攪拌口采用加強(qiáng)筋剛性固定，保證6個(gè)攪拌口法蘭面在同一平面內(nèi)或者相互平行。

組對(duì)夾套上支座時(shí)，需以攪拌口法蘭面為基準(zhǔn)，保證鞍座底板面在同一平面內(nèi)，且與設(shè)備中心線(xiàn)平行。

攪拌口留有二次加工余量，夾套第一次水壓試驗(yàn)合格后，在平臺(tái)上以鞍座底板面為基準(zhǔn)找平攪拌口端面，劃端面加工線(xiàn)，合適后精加工攪拌口成形。

設(shè)備總裝工藝路線(xiàn)

劃釜體攪拌口孔線(xiàn)→鏜→組對(duì)攪拌口、夾套→PT→釜體第二次水壓試驗(yàn)→劃設(shè)備其余各孔線(xiàn)、支座位置線(xiàn)→開(kāi)其余各孔→組對(duì)其余接管、支座→PT→夾套第一次水壓試驗(yàn)→劃攪拌口加工線(xiàn)→精加工攪拌口→總檢→釜體第三次水壓試驗(yàn)→夾套第二次水壓試驗(yàn)→酸洗→鐵離子污染試驗(yàn)→安裝其余部件→攪拌系統(tǒng)調(diào)試安裝。設(shè)備完工后如圖5所示。

圖5 鈦鉬鎳制氧壓浸出釜

結(jié)束語(yǔ)

鈦鉬鎳制氧壓浸出釜的成功研制，為我國(guó)在生物冶金設(shè)備研制領(lǐng)域的后續(xù)生產(chǎn)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，并提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

[1] TSG R0004—2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程.

[2] 楊顯萬(wàn)，邱定蕃. 濕法冶金. 北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[3] 楊洪英，楊立. 細(xì)菌冶金學(xué). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4] Groza N，F(xiàn)ilcenco O A，Panturu E，et al. Application of the BIOX process to the pretreatment of refractory sulphide gold ores and concentrates in order to increase Au and Ag recovery rate in hydrometallurgical extraction process. Chem Bull, 2008，53(67)：1-2 .

[5] GB150.1~GB150.4—2011壓力容器.

[6] 黃伯云，李成功. 中國(guó)材料工程大典(第4卷). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[7] JB/T4745—2002 鈦制焊接容器.

[8] 唐超. 壓力容器制造與成本. 化工裝備技術(shù)，1998，19(4)：35-39.

[9] 巨勇智，靳士蘭. 過(guò)程設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ). 北京：國(guó)工業(yè)出版社，2005.