降低海綿鈦蒸餾生產(chǎn)周期的探討

楊光艷，舒 煜，陳 強(qiáng)

(遵義鈦業(yè)股份有限公司，貴州遵義 563004)

鈦是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，被譽(yù)為“太空金屬”、“海洋金屬”、“全能金屬”、“戰(zhàn)略金屬”［1］。全世界僅有六個(gè)國(guó)家生產(chǎn)，鈦的初級(jí)產(chǎn)品——海綿鈦生產(chǎn)工藝流程是集化工、冶金于一體的生產(chǎn)過(guò)程，具有工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)、設(shè)備多和能耗高等特點(diǎn)，目前各個(gè)國(guó)家工藝技術(shù)均處于高度保密狀態(tài)。我國(guó)鈦礦產(chǎn)資源豐富，雖然已成為世界上海綿鈦的產(chǎn)能大國(guó)，但海綿鈦產(chǎn)品綜合能耗與先進(jìn)的國(guó)家相比(主要是電耗25 000 kWh/t)有較大差異，我國(guó)產(chǎn)品能耗比國(guó)際先進(jìn)水平日本高出20%，其中主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)還原蒸餾工序過(guò)程中能耗高出1.5倍，鎂工序能耗高出30%，總電耗達(dá)到30 000 kWh/t。

目前國(guó)內(nèi)外海綿鈦生產(chǎn)工業(yè)均采用鎂還原四氯化鈦的方法，在還原蒸餾工序中，爐型多數(shù)采用倒“U”型聯(lián)合法生產(chǎn)，其特點(diǎn)是單爐產(chǎn)量大，合格率高，能耗低。為降低生產(chǎn)成本，各國(guó)都將設(shè)備大型化作為技術(shù)發(fā)展方向，目前世界上最大的單爐產(chǎn)量達(dá)到12 t。但是，隨著爐型的增大，還原結(jié)束后，在蒸餾期間加熱爐表面溫度向中心部位傳熱不及時(shí)，達(dá)不到蒸餾工藝要求，即由于海綿鈦的導(dǎo)熱率很低，中心部位溫度與加熱區(qū)域溫度的溫度差較大，當(dāng)加熱表面溫度達(dá)到工藝控制溫度時(shí)，鈦坨中心部溫度不能同時(shí)滿(mǎn)足工藝要求，造成整個(gè)鈦坨受熱不均勻，導(dǎo)致海綿鈦蒸餾生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本不斷增加。

1 原因分析

目前海綿鈦生產(chǎn)，均采用克勞爾法生產(chǎn)海綿鈦，海綿鈦還原結(jié)束后，采用真空高溫蒸餾除去鎂和氯化鎂而得到純凈的海綿鈦，要蒸餾干凈海綿鈦中的雜質(zhì)很難，主要是要把海綿鈦內(nèi)部1%～2%的氯化鎂全部蒸餾干凈，要消耗整個(gè)蒸餾周期80%～90%的時(shí)間，由于在高溫蒸餾時(shí)鎂和氯化鎂均呈液相殘留于海綿鈦的毛細(xì)孔中，毛細(xì)孔的吸附作用，增大了它們向空間的擴(kuò)散阻力。海綿鈦蒸餾過(guò)程分三個(gè)周期，即:前期、中期和后期。前期主要去除80%～90%的鎂和氯化鎂等雜質(zhì)。后期主要脫出2%的氯化鎂，此時(shí)的蒸餾不但速度慢，而且能耗高。

在蒸餾后期，由于海綿鈦鈦坨處于長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)Y(jié)和鈦坨自身重力的狀態(tài)下，其毛細(xì)孔縮小，樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)消失，導(dǎo)致海綿鈦結(jié)構(gòu)致密(表現(xiàn)在海綿鈦高度收縮程度大)，更增加了去除氯化鎂的難度。海綿鈦中的毛細(xì)孔細(xì)長(zhǎng)且彎曲，當(dāng)處于長(zhǎng)時(shí)間蒸餾狀態(tài)下其毛細(xì)孔閉塞后，使其鈦坨中心部位的氯化鎂不能完全蒸餾除去，繼續(xù)加熱蒸餾后，導(dǎo)致海綿鈦蒸餾周期延長(zhǎng)、合格率、品級(jí)率不理想，理化分析主要是雜質(zhì)氯含量偏高［2］。

由于蒸餾組分受熱導(dǎo)率的影響，在蒸餾中、后期海綿鈦蒸餾以分子流為主，絕大部分鎂和氯化鎂被蒸餾出，即對(duì)流傳熱消失、熱導(dǎo)率逐漸變低，此時(shí)海綿鈦外部熱量在900℃左右，以海綿鈦為傳熱介質(zhì)到達(dá)中心部位，需要更多蒸餾時(shí)間［3］。在900℃時(shí)，海綿鈦及雜質(zhì)鎂、氯化鎂的熱導(dǎo)率如圖1所示。在熱導(dǎo)率的影響下，鈦坨中心蒸餾溫度與表面溫度相差太大，即鈦坨中心溫度達(dá)不到蒸餾工藝控制溫度要求，使其蒸餾速度緩慢，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)鈦坨中心與表面溫度相差165℃左右，其數(shù)據(jù)如表1。

圖1 各物料在高溫下的熱導(dǎo)率

根據(jù)以上原因分析，因海綿鈦的熱導(dǎo)率低，開(kāi)始蒸餾時(shí)，鈦坨中心溫度達(dá)不到蒸餾工藝控制溫度;且在海綿鈦毛細(xì)孔的負(fù)作用下，蒸餾階段要除去剩余的2%氯化鎂，隨加熱時(shí)間的增加，會(huì)使海綿鈦鈦坨結(jié)構(gòu)收縮嚴(yán)重，海綿鈦毛細(xì)孔過(guò)早閉塞，最終導(dǎo)致海綿鈦的蒸餾生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，蒸餾周期數(shù)據(jù)如表2。

2 解決措施

根據(jù)海綿鈦鈦坨蒸餾期間海綿鈦熱導(dǎo)率低、海綿鈦中毛細(xì)孔彎細(xì)且長(zhǎng)，造成鈦坨中心部位溫度不能及時(shí)達(dá)到工藝控制溫度，導(dǎo)致海綿鈦蒸餾時(shí)間延長(zhǎng)的問(wèn)題，研究出海綿鈦鈦坨中心部位強(qiáng)制加熱裝置，以此來(lái)解決上述海綿鈦蒸餾周期長(zhǎng)、產(chǎn)品雜質(zhì)氯根偏高等問(wèn)題。海綿鈦鈦坨中心加熱示意圖如圖2所示。

表1 鈦坨蒸餾中期開(kāi)始時(shí)的表面溫度和中心溫度 ℃

表2 海綿鈦蒸餾周期數(shù)據(jù)表 h

在原有大蓋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)海綿鈦鈦坨中心部位插入一強(qiáng)制加熱裝置，當(dāng)海綿鈦開(kāi)始蒸餾時(shí)，使加熱器的加熱溫度與鈦坨表面的溫度達(dá)到一致，完全按操作工藝溫度控制。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐和不斷的工藝技術(shù)改進(jìn)，此強(qiáng)制加熱裝置完全適應(yīng)海綿鈦生產(chǎn)，解決了中心溫度不能與鈦坨表面溫度不一致問(wèn)題，使海綿鈦的蒸餾周期大幅度縮短。

3 改進(jìn)后的效果

圖2 海綿鈦鈦坨中心加熱示意圖

在海綿鈦蒸餾時(shí)，通過(guò)采取鈦坨中心部位強(qiáng)制加熱的措施，使鈦坨中心溫度在蒸餾時(shí)與鈦坨表面溫度控制一致，達(dá)到理想的蒸餾工藝控制溫度，使海綿鈦的蒸餾周期縮短，鈦坨結(jié)構(gòu)疏松，產(chǎn)品氯根含量得到控制，質(zhì)量有較大幅度提高，同時(shí)減少了海綿鈦生產(chǎn)的電能消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

1.通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)，海綿鈦中心溫度與鈦坨表面溫度基本達(dá)到一致，克服了海綿鈦熱導(dǎo)率低導(dǎo)致鈦坨表面溫度向鈦坨中心部位傳熱不及時(shí)，解決了海綿鈦中心部位溫度偏低的問(wèn)題。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，試驗(yàn)前、后鈦坨中心溫度對(duì)比如圖3所示。從圖3中可以看出，蒸餾時(shí)鈦坨中心溫度提高160℃左右，更好地滿(mǎn)足了工藝生產(chǎn)要求。

表3 試驗(yàn)前、后鈦坨中心溫度數(shù)據(jù)表 ℃

圖3 試驗(yàn)前、后鈦坨中心溫度對(duì)比圖

2.由于鈦坨中心強(qiáng)制加熱結(jié)構(gòu)的作用，減少蒸餾周期，則減少鈦坨底部的擠壓程度，提高海綿產(chǎn)品的疏松度(鈦坨高度收縮量減少)。

3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)，得到海綿鈦蒸餾周期數(shù)據(jù)，與實(shí)驗(yàn)前的數(shù)據(jù)對(duì)比如表4，對(duì)比圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，通過(guò)實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)后，海綿鈦生產(chǎn)周期縮短42 h，鈦坨結(jié)構(gòu)得到改善。

表4 實(shí)驗(yàn)前、后蒸餾時(shí)間數(shù)據(jù)表 h

圖4 實(shí)驗(yàn)前、后蒸餾周期時(shí)間對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

在海綿鈦蒸餾時(shí)，通過(guò)采取鈦坨中心部位強(qiáng)制加熱的措施，減少蒸餾周期42 h左右，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少生產(chǎn)電耗成本有一定的積極效果，提高了海綿鈦大型化生產(chǎn)的裝備技術(shù)。

［1］ 莫畏，鄧國(guó)珠，羅方承.鈦冶金［M］.北京.冶金工業(yè)出版社，1998.281－325.

［2］ 吳復(fù)忠，向宇珠，李軍旗.聯(lián)合法生產(chǎn)海綿鈦還原－蒸餾過(guò)程的能量分析［J］.輕金屬，2011，(3):52－55.

［3］ 狄偉偉，劉正紅，孫虎民.鎂還原四氯化鈦生產(chǎn)海綿鈦過(guò)程傳熱分析［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，28(1):25－29.