锌氧压浸出工艺中管道材料的选用

近年来国内自主开发和从国外引进的锌氧压浸出工艺已相继实现工业化，该工艺的主要特点是锌精矿在高压釜内通过加温、加压并在稀硫酸介质中通入氧气，硫化锌中的锌成为可溶硫酸锌，硫氧化成单质硫，其他杂质也相应得到浸出。该工艺的矿浆具有温度高、腐蚀性强，矿浆机械磨损性强等特点。国内针对该工艺中管道材料应用的论述不多，如何结合该工艺针对不同工况选择合适的管道材料是该工艺管道设计的首要任务。

一、主要工艺管段的矿浆参数，腐蚀特点和防腐材料

（一）主要工艺管段的矿浆参数

主要工艺管段的矿浆参数列于表1。

表1  主要工艺管段矿浆参数表

注：1.根据锌精矿成分不同，溶液含Cl^－400mg／L，F^－５0～100mg／L；2.除上述成分外还含较多的Zn^2＋。

（二）腐蚀特点

由表1可知，表中各类矿浆属于稀硫酸体系。硫酸对金属的腐蚀视其氧化性和还原性有很大的不同。电化学腐蚀主要反应如下：

阳极：M→M^2＋＋2e          （1）

阴极：2H^＋＋2e→H₂        （2）

4H^＋＋4e＋O₂→2H₂O        （3）

M^n＋＋e→M^{（n－1）＋}         （4）

根据电荷守恒定律，阳极反应和阴极反应的速率应相等，如果其中某一极反应受到制约，全面腐蚀就减缓或停止。一般说来，浓度大于70%的硫酸具有氧化性，它能促进金属表面钝化，从而使反应（1）减慢。而浓度低的硫酸属非氧化性酸，不具备上述加速化作用，因此阳极极化不是主要控制因素，由于硫酸中氢离子浓度很高，金属的电位比氢低，因此反应（2）阴极反应速率是主要的控制环节。金属的电极电位比氢电位越低，腐蚀越严重。腐蚀现象既然是一种电化学反应，当然浓度和温度影响，特别是不锈钢从钝态往活化态变化时尤为显著。据研究，多数不锈钢的腐蚀率是随硫酸的浓度增加而增大的，硫酸浓度为60%～70%时不锈钢腐蚀最严重。更浓的硫酸因有氧化性，加速了不锈钢表面钝化故腐蚀下降。

在稀硫酸体系中，温度对金属的腐蚀影响十分明显，随着温度的升高，氢的过电位减少。一般来说，温度每升高1℃，过电位减少2mV。所以温度升高，去氢极化腐蚀加剧。一般来说，金属腐蚀速度与温度的关系可用下式表述：

C_t1＝C_t0（t1－t0）^xi

式中C_t0和Ｃ_t1为温度t0和t1时的腐蚀速度（mm／a）；Xi腐蚀为腐蚀指数，当70≤t≤85℃时，Xi＝0.25。据研究经典稀硫酸用不锈钢904L，在室温任何浓度的稀硫酸下均有良好的腐蚀性能，但温度提高到100℃时，硫酸浓度＝10%时，腐蚀速度大于5mm／a。

除了上述因素外，杂质对稀硫酸的腐蚀有着加速或钝化的作用。稀硫酸中含有Cu^2＋、    Fe^2＋等离子时能抑制稀硫酸对金属的腐蚀。相反地含有F^－、Cl^－等还原性离子时，能加剧金属的全面腐蚀。

（三）防腐材料

1、金属材料

（1）钛及钛合金

钛在质量分数为5%～98%的硫酸中不耐蚀，只能用于室温，质量分数为5%的溶氧硫酸中，但存有重金属离子（如Fe^3＋、Ti^4＋）时能显著地提高耐蚀性，钛在硫酸中的腐蚀率：浓度为10%的硫酸（氯饱和），在室温条件下，年腐蚀厚度0.0015mm，浓度为10%硫酸（氯饱和），在190℃下，年腐蚀厚度0.05mm。耐蚀钛合金比工业纯钛有更优良的抗蚀性。如可用含A12.5%的合金钛作制造泵的叶轮和泵壳，用以输送含有一定的硫酸和固定物料的矿浆，使用效果较好。在湿法冶炼要求较高的换热器，搅拌浆以及高压釜的内衬都有钛合金的应用。但钛及合金的价格较高，限制了它们在这些领域的应用。

（2）不锈钢

国内湿法冶炼用的钢大多是304，316L型钢。一般来说普通的304型不锈钢不宜在还原性的稀硫酸中使用。在稀硫酸中可用的普通奥氏体不锈钢起码是316型。316L与304最大的区别是前者加入了钝化能力极强的合金元素钼。同时为保持奥氏体结构还加入了更多的镍。在20%浓度的纯净硫酸中，316L不锈钢只能在室温下使用，经典稀硫酸用的是904L型不锈钢，在国内外得到广泛的应用，904L因含有较高的铬、镍和钼，同时又采用铜辅助合金化，具有较好的抗蚀性，在温度小于40℃浓度在0%～98%的纯硫酸可以很好地使用。硫酸浓度小于5%时，使用温度可达100℃。不锈钢的腐蚀还受介质中所含杂质的影响，实际应用时还需结合具体工况条件，316L和904L不锈钢在硫酸体系中有重金属离子存在的情况下可使用到比上述更高的温度。

除了这三种不锈钢外，还有超级奥氏体不锈钢926，美国Carpenter公司的20Cb～3、瑞典的Sandvik公司的Sanicro28等不锈钢以及瑞典研究开发的2304、2205、2507等双相钢能很好地抵抗稀硫酸的腐蚀，但由于此类产品存在价格高、制成管道或管件的产品少，暂不能大规模地应用到具体工程实践上来。

2、非金属材料

这类材料经常用到的有PP管（聚丙烯）、PVC管（聚氯乙烯）、玻璃钢管，以及衬氟复合管。PP管、PVC管和玻璃钢管化学性质非常稳定，耐蚀，无电化学腐蚀，但使用温度不高，不耐磨，不宜用于矿浆的输送，常用于常温酸、碱液的输送，衬氟复合管最高使用温度虽可达到150℃，但也存在不耐磨，也常用于温度较高的酸碱液输送。

二、管道材料的选用

锌氧压浸出工艺的流程包括氧压浸出、溶液净化、锌电积等主要工序，管道包括矿浆管、溶液管、蒸汽管、氧气管、排气管等。其中溶液净化和锌电积工序与常规湿法炼锌工艺相差不大。现就该工艺中最具有代表性几个工艺管道的材料选择加以介绍。

（一）高压釜矿浆排料管

高压釜排料管是高压釜排料至闪蒸槽的的管段，介质的工况最为复杂，温度和压力高，温度为110～150℃，压力在450～1600kPa之间，含硫酸1%～7%，还有±5%的含固量。非金属材料不能适应此种工况，部分厂家也据此选择钛材。根据外方提供的资料和此种介质的腐蚀特点，选用了904L材质管道和管件。按904L材质在稀硫酸中的腐蚀研究，温度提高到100℃后，在硫酸浓度为10%时，腐蚀速度大于５mm／a，说明904L不锈钢也较难胜任此类工况，但据资料介绍哈德逊·巴伊矿山冶炼有限公司用904L材料制作的高压釜排料管使用寿命可达5年。经分析这是可能矿浆里含有高价重金属离子增加了904L不锈钢的抗蚀性，所以要求尽量减少进入高压釜矿浆内的F^－、Cl^－量，以延长排料管的使用寿命。

（二）闪蒸槽矿浆排料管

高温、高压矿浆在闪蒸槽内降温到100～120℃，压力降为101～200kPa，矿浆的酸度、重金属离子含量、含固量没有什么变化，此介质的温度较高，根据腐蚀特点选用了904L型不锈钢管，外面做了特殊处理。

（三）浓密机矿浆出口管

矿浆经过闪蒸槽、调节槽自流到浓密机中，温度和压力进一步降低，其中一段浓密机和二段浓密机出口含硫酸分别为1%和7%，根据含酸的情况，参照类似生产经验并按腐蚀特点计算了316L随温度变化的腐蚀速度，一段浓密机出口管选用316L材质的不锈钢管，二段浓密机出口管仍选用904L不锈钢材质。

（四）浸出上清液管

浸出上清液管主要是指浓密机溢流管和各储槽放液管、各溶液泵的输送管道等，此类溶液含硫酸1%～7%，温度已降为85℃以下，按照腐蚀特点和腐蚀曲线选用了316L管。

（五）废酸加热管

废酸是来自于锌电积车间的电解废液，在废酸储槽中还需补充浓硫酸，废酸含硫酸15%～20%，含锌50g／L，废酸需加热到85℃，根据316L和904L腐蚀情况对照，选择了904L，为加强904L的抗蚀性，在废酸储槽加入了硫酸亚铁溶液。

三、结语

（一）锌氧压浸出工艺在国内尚属于一种全新的湿法炼锌工艺，国内对其高温、高腐蚀性、高磨损性的矿浆所能适应的管道选择尚处于摸索阶段，各种材质的管道还需通过生产实践的检验来总结经验。

（二）文章选择了锌氧压浸出工艺中几个具有代表性的工艺管段的介质情况分述了管道材料的选用，结合国外的实践经验在该工艺中最极端的工况下选择了904L不锈钢管道，其余管段选用了316L不锈钢管道。这种选择可稳妥地确保锌氧压浸出工艺能实现管路顺畅。

（三）用于生产904L管道的钢胚国内尚不能进行大规模的生产，需要从国外进口，原料费用较贵，且交货周期较长，影响了904L型不锈钢在此类工艺中使用，建议国内钢厂加紧研制生产904L钢材或能找到一种能替代904L的非金属材料来加速锌氧压浸出新工艺在国内的大规模的推广应用。