降低海綿鈦鈦坨上部雜質鐵含量的探討與實踐

李金澤

(遵義鈦業股份有限公司,貴州遵義 563004)

降低海綿鈦鈦坨上部雜質鐵含量的探討與實踐

李金澤

(遵義鈦業股份有限公司,貴州遵義 563004)

文章主要針對在鎂法生產海綿鈦的還原后期,因液體氯化鎂和海綿鈦的熱導率低,影響還原散熱,導致大蓋底板溫度偏高,通過對大蓋底板強制散熱,降低大蓋底板溫度,減少四氯化鈦對大蓋底板的化學腐蝕來達到降低海綿鈦鈦坨上部鐵含量的目的。

海綿鈦;大蓋底板;強制散熱;化學腐蝕

鈦是一種戰略金屬,有巨大發展前景的優質材料,美國、前蘇聯早在六十年代就將鈦列為戰略儲備金屬,現在歐美等諸多國家也將鈦列為重點發展的二十一世紀戰略結構金屬。但目前國內的海綿鈦質量水平與日本的海綿鈦質量水平還有一段距離,主要集中反映在雜質氧、鐵含量和布氏硬度上,雜質鐵不但影響產品的布氏硬度,還影響產品的級別。

海綿鈦產品中雜質鐵的來源由原料和還原蒸餾生產工藝控制,生產原料標準均按照國標執行,對海綿鈦產品的影響不大。海綿鈦還原-蒸餾生產工藝控制是雜質鐵含量的主要來源,隨著爐型的大型化,產品中雜質鐵含量的增量特別明顯,主要原因是還原生產時,反應器內反應區域散熱不及時、生產周期長等造成還原蒸餾設備被腐蝕,被腐蝕的鐵直接混入產品中,造成產品中雜質鐵的百分含量偏高[1]。

1 鈦坨上部產品中雜質鐵含量偏高原因分析

目前,工業海綿鈦生產是向裝有液體鎂的密閉容器中不斷加入精四氯化鈦,生成鈦和氯化鎂,并放出大量熱,其熱反應方程式為

從此反應式中可以看出,鎂還原反應的熱效應很大,除了靠反應器器壁、大蓋自然散熱和物料吸熱外,還有大部分的熱量不能及時排出反應器外,使反應器內的溫度偏高,最高達1 000℃左右。特別是在還原反應前、后期大蓋底板的溫度相差太大。表1是生產6爐海綿鈦對大蓋底板溫度情況測試的情況。

表1 還原反應前、后期大蓋底板溫度℃

從表1數據中可以得出,還原反應后期的溫度比前期高370℃左右,主要影響因素在還原反應的前期,反應器內存在大量的液鎂,大量的余熱不但可以從大蓋散熱外,還可通過液鎂向下傳遞散熱,傳到大蓋底板的溫度相對就較低。當反應進入還原后期,鎂還原四氯化鈦消耗了大量的液鎂,鈦坨和邊皮基本形成,反應器內的物料絕大部分是海綿鈦和氯化鎂,在高溫下海綿鈦、氯化鎂的熱導率遠遠小于鎂,圖1是各物料在高溫下(800℃)的熱導率。

圖1 各物料在高溫下的熱導率

因物料海綿鈦和氯化鎂的熱導率低,阻礙了熱量的傳遞,大量的熱量來不及通過海綿鈦、液體氯化鎂傳到反應器中、下部和反應區的器壁,大量的余熱集中在反應區和通過輻射方式輻射到大蓋底板上,使海綿鈦燒結和大蓋底板處于更高的溫度下,加快了四氯化鈦對大蓋底板的腐蝕速度,其發生下列化學反應方程式:

被TiCl4腐蝕的鐵直接混入產品中,使產品中的雜質鐵含量偏高[2]。

根據上述分析,鈦坨上部雜質鐵含量比下部高的原因是還原生產時,因還原后期,氯化鎂、海綿鈦的熱導率小于鎂的熱導率,導致散熱不及時造成大蓋底板溫度高。

圖2 6～12月份海綿鈦生產鈦坨上、下部雜質鐵的含量

圖2是我國某海綿鈦生產廠在2010年下半年度海綿鈦鈦坨上、下部產品中雜質鐵的百分含量,海綿鈦鈦坨上部產品中雜質鐵的含量最高,下部含量比較低,兩者平均相差近50%。

2 解決措施

鑒于海綿鈦還原后期反應余熱不能及時排出,反應器內溫度和大蓋底板溫度偏高,造成鈦坨上部雜質鐵含量偏高的原因,據此研究開發出了通過對大蓋底部進行強制散熱的裝置(見圖3)來降低大蓋底板溫度,從而有效控制鈦坨上部產品中雜質鐵的含量。

圖3 散熱大蓋圖

在原有大蓋結構的基礎上,在大蓋底板上安裝一換熱器,換熱器的兩端設置冷卻介質進、出口。鎂還原四氯化鈦時,反應放出大量的余熱使反應區的溫度迅速升高,熱量向大蓋底板直接輻射,大蓋的底板溫度急劇上升,在大蓋溫度上升的同時,向換熱器的冷卻介質入口通入冷卻介質,通過充分的熱交換而排出,從而實現及時、有效的散熱,達到解決還原期間反應器內部溫度過高、余熱不能及時排除的目的,并使大蓋的底板溫度維持在工藝控制范圍內,特別是在還原反應后期的換熱效果特別明顯。

3 改進后的效果

因換熱器對大蓋底部強制冷卻的效果,在還原前期可提高加料速度,反應系統溫度達到新的熱平衡后[3],大蓋底板溫度和反應區域溫度得到有效的控制。

1.通過試驗,還原后期大蓋底板溫度得到明顯改善,還原反應前、后期大蓋底板溫度相差不大,均控制在生產工藝要求。試驗數據見表2。試驗前、后的溫度對比如圖4所示。從圖4數據中可以看出,通過試驗生產,還原后期大蓋底板溫度平均降低370℃,約37個百分點。

表2 還原反應前、后期大蓋底板溫度數據表 ℃

圖4 試驗前、后大蓋底板溫度(還原后期)

2.在還原反應的前、后期因強制散熱的作用,提高了加料速度,減少還原生產周期1/4。

3.通過試驗生產,得到海綿鈦鈦坨上、下部產品中雜質鐵含量數據如圖5所示。

海綿鈦鈦坨上部鐵含量在試驗前、后的理化檢測數據如圖6所示。

圖5 試驗后鈦坨上、下部產品中雜質鐵含量

圖6 試驗前、后鈦坨上部產品中雜質鐵含量

從圖5、圖6試驗數據中可以得出,試驗后的海綿鈦鈦坨上、下部產品中雜質鐵含量相差不大,但海綿鈦鈦坨上部產品中雜質鐵的含量與試驗前上部雜質鐵含量相比得到明顯降低,約47個百分點,效果顯著。

4 結束語

在還原加料時,通過采取對大蓋底板強制散熱

的措施,降低海綿鈦鈦坨上部雜質鐵含量效果明顯,對提高加料速度、減少還原生產周期、減少生產電耗成本有一定的積極效果。但從海綿鈦的整體指標與國外指標相比,存在一定差距,還需投入大量的科研工作來提高海綿鈦的整體質量。

[1] 劉方明,毛業橋.反應器滲鈦與海綿鈦中鐵含量關系的研究[J].鈦工業進展,2006,(3):31-32.

[2] 莫畏,鄧國珠,羅方承.鈦冶金[M].北京:冶金工業出版社, 1998.281-325.

[3] 吳復忠,向宇珠,李軍旗.聯合法生產海綿鈦還原-蒸餾過程的能量分析[J].輕金屬,2011,(3):52-55.

Abstract:The article is mainly about the high temperature on the pot because of the lower of thermal conductivity with the magnesium chloride and titanium sponge.We use the method to decrease the content of iron upper the titanium sponge with forcing to reduce the heat of the pot and the chemical erodibility of the TiCl4.

Key words:titanium sponge;pot;forced cooling;chemical erodibility

The Research on Decreasing the Content of Iron Upper the Titanium Sponge

LI Jin-ze
(Zunyi Titcenium Co.,Ltd,Zunyi563004,China)

TF823

A

1003-5540(2011)03-0028-02

2011-04-28

國家科技支撐計劃項目(2008BAE62B02)

李金澤(1978-),男,助工,主要從事鎂法海綿鈦生產的工藝及裝備技術研究。