海綿鈦生產(chǎn)中蒸餾法除氯雜質(zhì)的影響因素

曹萬寶

摘要：本文從影響蒸餾法除去海綿鈦中氯雜質(zhì)的關(guān)鍵影響因素出發(fā)，探究了各項影響因素的作用原理，在試驗的基礎(chǔ)上總結(jié)如何控制影響因素將海綿鈦中氯雜質(zhì)含量降至最低。

關(guān)鍵詞：海綿鈦、蒸餾溫度、蒸餾時間、蒸餾真空

引言：

鈦合金為航空航天、化工裝備制作、深海遠洋等方面重要材料。海綿鈦做為鈦合金的基礎(chǔ)原材料，海綿鈦的純度越高對下游鈦材生產(chǎn)越有益，除去氯雜質(zhì)是海綿鈦生產(chǎn)中的一項關(guān)鍵環(huán)節(jié)。蒸餾法除氯為行業(yè)普遍應(yīng)用方法，其中蒸餾溫度、真空度、時間是影響蒸餾法除海綿鈦中氯雜質(zhì)的主要影響因素。

1、海綿鈦生產(chǎn)過程簡述

海綿鈦生產(chǎn)所需原料鎂和四氯化鈦，生產(chǎn)過程主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：2Mg+TiCl4=2MgCl2+Ti

鎂錠加入反應(yīng)器內(nèi)，升溫熔化后加入四氯化鈦，通過還原反應(yīng)生成氯化鎂和鈦單質(zhì)。高溫下生成的氯化鎂以液態(tài)存在，鈦以固態(tài)存在。達到一定加料量后需要排放生成的氯化鎂，鈦逐漸富集在一起，形成鈦坨。游離態(tài)的氯化鎂被逐漸排出，剩余的氯化鎂被鈦坨吸附。還原結(jié)束將鈦坨中吸附的鎂和氯化鎂進行高溫負壓蒸餾與鈦坨分離。在真空狀態(tài)下將反應(yīng)器高溫加熱，利用鎂和氯化鎂的飽和蒸氣壓高于鈦，使鎂和氯化鎂揮發(fā)至另一冷端承接反應(yīng)器內(nèi)。蒸餾結(jié)束后鎂和氯化鎂全部從鈦坨中揮發(fā)干凈，得到純凈的鈦。

2、蒸餾過程提純鈦坨，排出氯雜質(zhì)的影響因素

在蒸餾提純環(huán)節(jié)，鎂的飽和蒸氣壓大于氯化鎂，容易揮發(fā)干凈。氯化鎂則是影響蒸餾結(jié)果的關(guān)鍵雜質(zhì)。蒸餾除氯雜質(zhì)主要與時間、溫度、真空度密切相關(guān)。

2.1溫度對蒸餾法除氯雜質(zhì)的影響

為了明確蒸餾溫度對除氯雜質(zhì)的影響狀況，做了如下3組對比試驗：

以上試驗數(shù)據(jù)可見：當(dāng)爐體各段溫度均按照溫度M設(shè)定時產(chǎn)品中氯雜質(zhì)不能全部揮發(fā)，海綿鈦中氯含量較高。當(dāng)蒸餾各階段均較原來M值提高90℃后，蒸餾溫度偏高，產(chǎn)品中氯雜質(zhì)亦不能有效揮發(fā)，產(chǎn)品中氯雜質(zhì)甚至更高。當(dāng)蒸餾溫度有梯度性，隨著蒸餾過程逐漸提升后，產(chǎn)品中氯雜質(zhì)含量明顯降低。

在還原結(jié)束后，鈦坨內(nèi)外存在大量未排凈的氯化鎂。隨著蒸餾過程的進行，鈦坨表面的氯化鎂揮發(fā)干凈，鈦坨內(nèi)部的氯化鎂隨之向外蒸發(fā)。海綿鈦的導(dǎo)熱性較差，在蒸餾過程中，需要外部持續(xù)高溫加熱，鈦坨內(nèi)部溫度才足夠高，使內(nèi)部的氯化鎂揮發(fā)至鈦坨表面，進而蒸餾除去。在蒸餾過程中鈦坨表面要經(jīng)受900℃以上的高溫，在高溫過程中鈦坨表面出現(xiàn)燒結(jié)收縮，導(dǎo)致毛細孔關(guān)閉，無法為氯化鎂從鈦坨內(nèi)部向外排出提供有效通道，溫度越高，毛細孔收縮越嚴(yán)重。氯化鎂的高溫揮發(fā)與高溫時鈦坨收縮導(dǎo)致毛細孔的關(guān)閉從而影響氯化鎂的揮發(fā)形成矛盾。尋找兩者之間的平衡點至關(guān)重要。

通過以上理論和試驗分析，得到蒸餾過程中分階段逐漸升溫，鈦坨中的氯化鎂由內(nèi)至外逐漸揮發(fā)，同時鈦坨又不會大量燒結(jié)，鈦坨中有足夠的毛細孔通道供氯化鎂揮發(fā)使用，產(chǎn)品氯雜質(zhì)含量明顯偏低。

2.2時間對蒸餾法除氯雜質(zhì)的影響

為了明確蒸餾時間對除氯雜質(zhì)的影響狀況，做了如下3組對比試驗：

從以上數(shù)據(jù)可見：隨著時間的延長，鈦坨中氯化鎂逐漸揮發(fā)，產(chǎn)品中氯雜質(zhì)含量逐漸降低，但是蒸餾時間足夠長后再延長時間對產(chǎn)品中氯含量降低作用甚微。

蒸餾前期氯的揮發(fā)速度很快，隨著蒸餾時間的延長氯雜質(zhì)的揮發(fā)速度越來越小。有試驗數(shù)據(jù)顯示，蒸餾過程中用90%的蒸餾時間除去海綿鈦中剩余10%的氯，越到蒸餾后期，氯雜質(zhì)揮發(fā)越少。當(dāng)氯雜質(zhì)降低到一定含量后再延長時間已無意義。過長的蒸餾時間還會使反應(yīng)器內(nèi)壁中鐵元素過多的滲入海綿鈦中，造成鐵含量升高，鈦坨收縮的程度還會較大，造成產(chǎn)品致密，影響綜合質(zhì)量。

2.3真空度對蒸餾法除氯雜質(zhì)的影響

為了明確真空度對蒸餾過程除氯雜質(zhì)的影響狀況，做了如下3組對比試驗：

從以上試驗可見，高溫階段隨著系統(tǒng)真空度增加，產(chǎn)品中氯含量逐漸降低，但真空度達到一定程度后產(chǎn)品中氯含量區(qū)別不大。

海綿鈦蒸餾提純采用真空蒸餾，在同樣溫度下真空度越高，相應(yīng)組分的沸點越低，飽和蒸氣壓越高，越容易揮發(fā)，鎂和氯化鎂的蒸發(fā)速度越快。但海綿鈦的沸點降低程度遠不及鎂和氯化鎂，所以在真空蒸餾狀況下鎂和氯化鎂更容易揮發(fā)，但鈦仍保持固態(tài)。

蒸餾后期多數(shù)氯化鎂已揮發(fā)干凈，只有鈦坨內(nèi)部少量氯化鎂未揮發(fā)，需要更高的真空度來進一步降低沸點，促進其揮發(fā)。實際生產(chǎn)中當(dāng)真空度達到0.1pa后再降低真空度對鈦坨中氯雜質(zhì)的揮發(fā)貢獻有限，同時考慮生產(chǎn)成本等實際情況，控制蒸餾中后期真空度達到0.1Pa左右即可達到滿意效果。

3、總結(jié)

從以上試驗得出：

（1）蒸餾過程逐漸提溫，能夠減少鈦坨收縮，增加氯雜質(zhì)揮發(fā)。

（2）針對不同爐型，通過試驗可以得到合理蒸餾時間，不需要過長的蒸餾時間。

（3）在其他條件滿足的情況下，蒸餾后期真空度達到0.1-1Pa即可滿足蒸餾要求。

參考文獻：

[1]莫未.鄧國珠.羅方成.鈦冶金[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998.