戎容

中國(guó)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(shù)性能，還應(yīng)具有良好的抗結(jié)疤、耐沖蝕性磨損和較長(zhǎng)的使用壽命等特殊技術(shù)性能，而一般通用閥門是不具備這些特殊技術(shù)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(guó)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(gè)土耳其市場(chǎng)提供了10%的鋁。在伊斯坦布爾工業(yè)協(xié)會(huì)編制的土耳其工業(yè)機(jī)構(gòu)500 強(qiáng)排行榜中，名列第165 位。目前，該廠仍在技術(shù)改造中。

進(jìn)入21 世紀(jì)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(kuò)大，工藝技術(shù)朝著短流程和低能耗的方向發(fā)展，裝備技術(shù)朝著大型化、高效化和自動(dòng)化的方向發(fā)展，大量新工藝、新技術(shù)及新裝備的工業(yè)化應(yīng)用，對(duì)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(guó)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(duì)更高，對(duì)閥門密封面及過流件造成的磨損更加強(qiáng)烈，導(dǎo)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(yán)重影響生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，改進(jìn)和提高料漿閥的技術(shù)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(shù)性能要求

閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)密度和相對(duì)硬度存在很大差異。其中，一水硬鋁石鋁土礦相對(duì)密度和莫氏硬度最大，對(duì)氧化鋁礦漿輸送系統(tǒng)中的管件、泵、閥門等設(shè)備及部件磨損嚴(yán)重，尤其是對(duì)閥門密封面的沖蝕性磨損更為強(qiáng)烈。另外，在鋁土礦漿的預(yù)熱及溶出過程中，一些礦物與循環(huán)母液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以溶解度很小的新的礦物形態(tài)結(jié)晶析出，被粘付在閥體內(nèi)壁表面形成結(jié)疤，會(huì)嚴(yán)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(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

基于對(duì)氧化鋁生產(chǎn)物料性質(zhì)的分析、結(jié)疤過程的認(rèn)識(shí)，我們從閥門結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等發(fā)方面進(jìn)行了調(diào)研考察，分析比較各個(gè)供應(yīng)商之間的設(shè)計(jì)差異，最終經(jīng)過同杭州耐特閥門股份有限公司（以下簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 閥門結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

常規(guī)截止閥一般采用直通式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，存在流道孔不通暢，流阻系數(shù)大，易結(jié)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(jié)構(gòu)形式，即閥體流通孔軸線與閥桿軸線形成45°夾角，流道孔設(shè)計(jì)成流線型，使其盡量通暢，減小流阻，減少結(jié)疤生成，閥體設(shè)計(jì)成兩塊式結(jié)構(gòu)，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(shí)，使閥瓣脫離介質(zhì)通道，減少介質(zhì)對(duì)閥瓣的沖蝕磨損。Y 型料漿閥的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖2、圖3。

圖2 PN1.6MPa

圖3 PN10.0MPa

2.2 閥體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jié)疤。根據(jù)這一現(xiàn)實(shí)情況，我們對(duì)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(jié)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(shè)計(jì)，以達(dá)到降低流速，減輕磨損的目的。同時(shí)，耐特公司還對(duì)兩種不同閥座內(nèi)徑的Y 型料漿閥分別做了流阻試驗(yàn)。流阻測(cè)試結(jié)果見表2：

表2 流阻測(cè)試

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

2.3 閥門密封面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǎng)短，而密封面的使用壽命又主要取決于密封面的結(jié)構(gòu)形式和密封面材料是否適合于工況條件。因此，針對(duì)上述兩個(gè)主要問題，我們經(jīng)過反復(fù)和耐特公司進(jìn)行技術(shù)論證和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和試驗(yàn)工作，確定了設(shè)計(jì)改進(jìn)方案[2]。

（1）密封面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)。一般通用閥門的密封面結(jié)構(gòu)通常采用平面接觸的形式，而且要根據(jù)材料的許允應(yīng)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(guān)閉時(shí)固體顆粒狀介質(zhì)會(huì)粘著在密封面上，使閥門無法關(guān)嚴(yán)，而導(dǎo)致密封面被迅速?zèng)_蝕磨損。土耳其原本計(jì)劃使用的料漿閥，其閥瓣密封面采用球形設(shè)計(jì)，閥座采用了錐面結(jié)構(gòu)，形成線性密封結(jié)構(gòu)。如圖3。

圖3

這種線性密封結(jié)構(gòu)的料漿閥經(jīng)過實(shí)際使用證明，雖然具有防止介質(zhì)粘著，密封可靠，關(guān)閉力矩小等優(yōu)點(diǎn)，但由于接觸面過小，在密封線上一旦出現(xiàn)細(xì)小的缺口，就會(huì)被料漿迅速?zèng)_蝕擴(kuò)大，形成土壩效應(yīng)，導(dǎo)致密封失效，嚴(yán)重影響閥門的使用壽命，因此，這種密封面形式還不能適應(yīng)氧化鋁生產(chǎn)要求。

最終經(jīng)過反復(fù)技術(shù)論證和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并做了大量的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和試驗(yàn)工作，確定了設(shè)計(jì)改進(jìn)方案：把密封面結(jié)構(gòu)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(jìn)。密封面材料適用與否，也是影響閥門使用壽命的關(guān)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(dāng)介質(zhì)(氧化鋁礦漿)工作壓力PN ≥5.0MPa，流速V ≥6M/s 時(shí)，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(dá)到HRC62，該合金材料主要適用于強(qiáng)烈磨料磨損的場(chǎng)合，但不易機(jī)械加工[3]。

圖4

3 改進(jìn)后結(jié)果

土耳其EtiAluminyumA.S.氧化鋁廠最終選用改進(jìn)后的Y 型料漿閥，經(jīng)其氧化鋁廠實(shí)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(shè)計(jì)上采用了錐面接觸密封面結(jié)構(gòu)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(chǎng)使用情況反饋，改進(jìn)前后料漿閥的使用壽命對(duì)比見表3：

表3 改進(jìn)前后Y 型料漿閥使用壽命對(duì)比

4 結(jié)語

土耳其Eti AluminyumA.S.氧化鋁廠是60 年代由前蘇聯(lián)建設(shè)，目前所使用的閥門仍然沿用5 年乃至10 年之前的設(shè)計(jì)。因此現(xiàn)場(chǎng)之前所使用的閥門的經(jīng)濟(jì)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(shí)到在該項(xiàng)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(jìn)的設(shè)計(jì)方案，“授人以漁”。在經(jīng)過我們同土耳其現(xiàn)場(chǎng)的深入溝通探討，并且在國(guó)內(nèi)進(jìn)行大量調(diào)研溝通，改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終確認(rèn)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(xì)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(xiàng)目，對(duì)接來下需要進(jìn)行的整個(gè)鋁廠的閥門更換也有著重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)，對(duì)于發(fā)揮我們?cè)谥袊?guó)市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)企業(yè)走出去，擴(kuò)大國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的知名度也起到積極的作用。