鎂還原四氯化鈦加料方式探討與實踐

盛遠祿,陳 強

(遵義鈦業股份有限公司,貴州遵義 563004)

鎂還原四氯化鈦加料方式探討與實踐

盛遠祿,陳 強

(遵義鈦業股份有限公司,貴州遵義 563004)

分析了目前鎂還原四氯化鈦生產海綿鈦加料方式的現狀,探討并提出了新型加料方式,并在生產中進行了實踐,取得了較好的成效。

海綿鈦;還原;加料方式;探討;實踐

目前國內外從事海綿鈦生產廠家幾乎采用鎂還原法(Kroll法),鎂還原四氯化鈦生成海綿鈦是一個十分復雜的多相物理化學過程,其形成的海綿鈦坨結構對蒸餾生產周期、能量消耗、產品質量都有著重要的影響[1]。要改善鈦坨結構是一個復雜的問題,因為影響鈦坨結構因素有加料的平穩性、反應液面的溫度、余熱散出的及時性等方面。其中料速的平穩性是控制還原過程中一個非常重要的參數,對加料平穩性進行合理的控制就可間接控制還原反應液面的溫度等情況,減少鈦坨在還原期間因反應液面某區域溫度過高而導致海綿鈦燒結,使鈦坨結構疏松,從而達到改善產品質量。因此,鎂還原四氯化鈦加料方式的探討對海綿鈦生產有一定指導意義。

1 加料方式現狀

鎂還原四氯化鈦生產海綿鈦主要是將金屬鎂直接或先熔融后放進反應罐中,在惰性氣體保護下不斷地往反應罐中加入四氯化鈦液體使之還原,加料點的位置已由事先在大蓋上設計好的安裝加料管的位置(一般設計在大蓋的中心)而固定,而且加料裝置大多是直管加料,在反應液面上就會形成加料點相對應液面位置周圍的四氯化鈦濃度較高,還原反應劇烈,放熱速率加快,加之還原爐的特定結構,致使反應余熱不能及時排除,使該位置的液面溫度偏高,極容易造成該部位生成的海綿鈦顆粒因溫度高而燒結,包裹一定量的鎂或氯化鎂等物質,特別是大直徑的反應設備較為明顯。這就為后續的真空蒸餾工序造成了困難,使海綿鈦中的一部分氯化鎂等雜質很難被蒸餾除去[2],導致雜質含量偏高,影響產品質量。生產實踐也表明,在鈦坨中部形成含氯化鎂等雜質的“夾心”鈦就與海綿鈦坨的結構有很大的關聯性。

2 對原加料方式進行探討與改進

所謂加料的平穩性,除了考慮加料的料速均勻外,還應考慮加料面的合理性。目前國內通過采用自動化控制加料方式可對料速進行有效控制,并取得了一定的成效;但對加料面進行探討很少,國內曾經有廠家采用噴咀加料和四氯化鈦霧化法加料,但效果不是很明顯。針對加料面問題,文章采用在原加料直管的基礎上進行優化改進,即在盡量不改變原有設備的基礎上,將加料管出料口旁四周均勻開幾個斜孔(槽),在出料口底部安裝一個外徑與加料管內徑一致的圓柱錐體緊固,隨著四氯化鈦料速的大小和高位槽壓力的高低經過錐體和斜孔(槽)引流使加料方式由原來的固定點加料變為移動的點線加料。使所加入的四氯化鈦合理分布在反應液面上進行還原反應,這可減少反應熱在加料點聚集而燒結海綿鈦的現象。

2.1 開孔斜度和錐度

加料示意圖如圖1所示。

在加料管的出料口旁四周所開的斜孔(槽)的錐度應根據反應罐的有效反應液面的大小和反應器內的反應空間的高度來確定,可由下列公式得出:

式中α為加料斜孔(槽)的錐度角;L為有效反應液面的半徑;h為反應器內的反應空間高度。

圖1 加料示意圖

由式(1)可以看出,開孔的斜度除與反應器內的反應高度有關外,還與反應罐的直徑有關。確定L的大小應保證反應罐內壁的溫度在產生Ti-Fe合金的溫度以內。

2.2 開孔多少和斜孔徑大小

在鎂法海綿鈦生產中,原料四氯化鈦在還原期間高位槽的四氯化鈦受氬氣的保護時壓力一般在幾到幾十千帕,液態四氯化鈦的粘度見表1。

表1 液態四氯化鈦的粘度

若加料管的開孔率太大,斜孔徑大,所加的四氯化鈦就不能分散或只從某幾個斜孔(槽)分流出,所得到的海綿鈦坨極不規則,達不到預期的目的;若開孔率太小或斜孔徑小,就容易造成加料管堵塞。經過試驗證明:開孔為3～8個、斜孔徑為1～3 mm為宜。

2.3 管徑大小的影響

在還原期間四氯化鈦的加入情況是反應前期料速逐步提高,中期料速最大,后期又逐步減小的一個過程;但料速的大小受反應液面溫度的限制,如加料管的內徑太大,就達不到分流的效果;加料管的內徑太小,容易造成加料管堵塞,導致壓力大而破裂,一般采用內徑20 mm的管子為宜。

3 驗 證

在國內某廠通過采用改進的加料方式對四氯化鈦進行還原生產實踐,生產中與原單管加料方式安裝方法一樣,一套生產系統安裝一根改進后的加料管就可達到多管加料方式的效果,同時還降低了勞動強度。

在還原過程中,所加的四氯化鈦能在反應液面有效分散,充分與金屬鎂接觸,使之反應完全,所產生的反應熱不能在反應器內某局部聚集,減小了反應點與反應罐壁的溫度差,減輕了生成的海綿鈦被燒結而包裹鎂或氯化鎂等雜質的現象。還原出的海綿鈦坨和海綿鈦產品質量都得到了不同程度的改善。表2是在國內某廠同爐型的試驗后與試驗前幾個重要參數的對比情況。

表2 試驗前、后幾個重要參數的對比情況

從表2的數據可以看出,試驗后鈦坨的高度比試驗前增加了15.8%;產品中的雜質元素Cl含量減低了0.015%;產品的包裝充裝率提高了4%。產品質量得到了改善。

4 結 語

隨著鎂還原四氯化鈦生產海綿鈦的爐型大型化后,大型化爐型表現出了一些優越性,如能耗大幅度降低等,若采用單直管垂直加料,使反應器內的反應熱在局部位置聚集,可能使該局部溫度升高導致海綿鈦燒結,增加了蒸餾生產的操作難度,最終影響產品質量。采用改進后的加料管生產與雙管、多管加料方式相比,可以改善海綿鈦產品的質量,同時還可降低生產勞動強度。

[1] 莫畏,鄧國珠,羅方承.鈦冶金[M].北京:冶金工業出版社, 1998.133-182.

[2] 孫康.鈦提取冶金物理化學[M].北京:冶金工業出版社, 2001.136-137.

Abstract:It analyzes the current feeding methodsof TiCl4reduction by Mg for producing the titanium sponge,explores and proposes a new type of feeding method and puts in to practice in the production.

Key words:titanium sponge;reduction;feeding methods;discussion;practice

Discussion and Practice of Feeding Method of TiCl4Reduction by Mg

SHENG Yuan-lu,CHEN Qiang
(Zunyi Titanium Co.Ltd.,Zunyi563004,China)

TF822

A

1003-5540(2012)04-0039-02

2012-05-15

盛遠祿(1978-),男,助理工程師,主要從事鎂法海綿鈦生

產工藝及管理工作。