聯合法海綿鈦生產中主要雜質分析及其控制

普學偉,崔慶雄

(云南新立有色金屬有限公司,云南昆明 650100)

聯合法海綿鈦生產中主要雜質分析及其控制

普學偉,崔慶雄

(云南新立有色金屬有限公司,云南昆明 650100)

論述了聯合法海綿鈦生產中主要雜質(Fe,Si,Cl,C,N,O)的來源、分布及其對產品質量的影響,對比分析了國內外海綿鈦產品質量存在差異的原因,從原料(TiCl4、鎂錠、氬氣)、設備(反應器)、操作工藝(加料制度、散熱體系)等方面分析了減少雜質含量的控制措施。

海綿鈦;雜質分析;質量標準;控制措施

鈦作為一種新金屬,具有密度小、比強度高、耐高溫及耐腐蝕性能好等一系列優異特性而被廣泛應用于化工、冶金、航空、航天、醫藥等領域,被譽為“第三金屬”、“全能金屬”、“現代金屬”和“二十一世紀戰略金屬”。海綿鈦是鈦材、鈦粉及其他鈦構件的原料,生產方法有鎂熱還原法、鈉還原法、融鹽電解法等。目前,國內外大部分海綿鈦生產廠普遍采用鎂熱還原聯合法生產海綿鈦,其質量標準技術指標主要是雜質含量、布氏硬度(HB)和粒度三個方面,我國海綿鈦質量標準(GB/T 2524-2002)覆蓋了Fe、Si、Cl、C、N、O、Mn、Mg、H九種雜質元素。其中Si、C、Mn、Mg、H一般都可以得到控制,對產品質量和等級影響不大。但Fe、N、O、C對布氏硬度的影響較大,具有加和性,海綿鈦的硬度與其雜質含量的關系如下:HB=196ω(N)+158ω(O)+45ω(C) +20ω(Fe)+57。為此,研究海綿鈦產品質量中雜質元素的來源、分布及其對產品質量的影響,從還原反應原料、設備、操作工藝等方面降低其含量,是提高海綿鈦產品質量和等級的關鍵[1]。

1 海綿鈦中主要雜質來源、分布及其對產品質量的影響

受多方面因素的影響,海綿鈦產品中雜質含量在整個海綿鈦坨中均有分布,且分布不均勻[2]。中部產品質量要好于邊部,這也是整個海綿鈦坨中產品質量最好的部位。雜質在中部和邊部的分布情況如表1所示。

表1 雜質在中部和邊部的分布

一般來講,聯合法海綿鈦生產中主要雜質來源、分布及對產品質量的影響如表2。從表2中可以看出,海綿鈦生產中Fe、Cl、N、O主要雜質在海綿鈦中含量分布廣、雜質來源范圍寬,對產品質量影響較大。Fe雜質主要受反應器壁的影響較大,在鈦坨邊部和底部較高,越接近反應器壁Fe雜質含量越高; Cl雜質受反應操作工藝的影響較大,一般來說,Cl雜質在鈦坨即反應上部較高,其他部位則與反應操作工藝有很大關系,如加料速度、蒸餾溫度、蒸餾時間和反應形成的鈦坨結構等;N和O雜質主要受反應原料及相關操作工藝影響較大,在鈦坨上表皮、邊皮含量高,操作過程中反應器漏氣是N和O雜質出現波動的因素;對于Si和C雜質主要是原料中以有機硅(Si2OCl6)和有機碳(光氣+氯乙酰氯、CS2、CCl4等)的形式帶入至海綿鈦產品中,由于我國針對原料中有機硅和有機碳雜質分析局限,在聯合法海綿鈦生產中Si和C雜質會出現一些波動。

此外,人為操作和機械操作的影響也是雜質含量增加的原因[3]。這些雜質在聯合法海綿鈦生產中對海綿鈦產品質量的影響是不可忽視的,特別是使海綿鈦布氏硬度增加,降低了產品質量,其次,影響鈦材的塑性加工和機械加工性能,為了降低這些雜質對海綿鈦產品質量的影響,必須采取可行措施盡可能地減少海綿鈦產品中雜質含量。

表2 海綿鈦生產中主要雜質來源、分布及對產品質量的影響

2 控制措施

我國GB/T-2524-2010海綿鈦質量標準如表3所示,烏克蘭和俄羅斯海綿鈦標準(Г О С Т17746-96)如表4。

從表3、表4中可以看出,我國新海綿鈦標準GB/T-2524-2010比GB/T-2524-2002增加了0A級標準,同時降低了Fe、Si、N、C、O、Mg、H等主要雜質元素的含量,但與國外還有一定的差距,特別在海綿鈦布氏硬度上。導致我國海綿鈦成品質量落后的因素很多,包括精TiCl4的質量、加料制度、反應器的結構、爐型結構、散熱體系等[4,5],而這些因素也是影響雜質含量的重要因素,降低海綿鈦雜質對產品的影響,應從以下幾方面入手。

表3 中國海綿鈦質量標準(GB/T-2524-2010)

表4 烏克蘭和俄羅斯海綿鈦質量標準(Г О С Т17746-96)

1.原料。與國外海綿鈦產品質量比較可以看出(如表5和表6所示),烏克蘭和俄羅斯海綿鈦生產在精TiCl4質量上要遠遠好于我國,對精TiCl4中的雜質含量分析不僅僅局限于無機雜質Fe、Si、V元素,并對有機雜質TiOCl2、光氣+氯乙酰氯、CS2、CCl4和總C等雜質進行分析,這些雜質的存在,必然會導致海綿鈦產品中的雜質如Cl、C、O、Si及H的升高。要生產高品質海綿鈦,必須保證精TiCl4中的雜質含量低于表6的要求。從而在原料上減少了海綿鈦產品的雜質,提高了海綿鈦產品質量。此外,鎂還原劑(Ni、Cu、Fe、Al、Si、Mn、C、O、Cl、N等雜質元素)和氬氣(O、N等雜質元素)中的雜質含量也會帶入到海綿鈦產品,對于還原用的金屬鎂需要用精煉鎂,補充的外購鎂也需經過精煉。的計量器等。首先應根據不同的反應器結構和尺寸,確定最佳的加料制度和加料速度,控制料速的穩定性,使料速誤差每小時不超過±10 kg,不斷改善還原加料制度;其次采取綜合措施控制還原過程反應溫度達最佳值,不斷優化測溫控制方式,使反應器內溫度與爐膛溫度具有對應規律;第三是優化還原蒸餾工藝制度,實現自動控制操作;四是采取適當的措施控制反應熱,使反應區域溫度達到反應要求,使精TiCl4的加入速度與散熱條件相匹配。

表5 中國精TiCl4質量標準(YS/T655-2007)

2.加料制度和散熱。在精TiCl4的加料制度上與國外存在一定的差距,包括加料均勻性、控制加料

表6 獨聯體精TiCl4質量標準

3.設備方面。反應器是鎂還原-真空蒸餾的主要設備之一。目前,獨聯體國家都采用“Ⅰ型聯合法”工藝,日本及歐美國家都采用“U型聯合法”工藝,我國兩者皆有。我國已有3 t、5 t、8 t、12 t倒“U”形和2 t、3 t、4 t、6 t“I”形生產爐,在“U型聯合法”工藝積累了較為豐富的經驗,產品質量穩定,操作方便,但解決“U型聯合法”工藝產量與質量的矛盾是一個重要的課題。

選擇最佳反應器(反應器尺寸、結構形式和材質方面)進行還原反應成為提高海綿鈦產品質量的一個重要因素。國內外的生產實踐表明,反應器的長徑比是影響海綿鈦產品結構及其堆密度的主要因素,合理的長徑比是選擇反應器結構尺寸的重要參數[6];而反應器結構形式不同,其產品質量也存在較大的差異,選擇雙法蘭反應器可以降低海綿鈦產品中Fe雜質的含量,提高產品級別;海綿鈦反應器材質目前國內生產廠家主要還是采用普通鍋爐鋼材質(一般為20 g鋼),而國外廠家的一般品級海綿鈦生產主要采用不銹鋼材質,高品質海綿鈦生產則采用普通碳鋼[7]。

3 結 語

在聯合法海綿鈦生產過程中,產品雜質的引入是不可避免的。由于受生產原料、生產工藝技術、設

備等條件的制約,我國海綿鈦產品質量與國外還存在一定差距。目前,國內一些海綿鈦生產廠通過自主開發新技術、部分引進國外的先進工藝技術,從生產原料、操作工藝技術、設備等方面進行改進以提高海綿鈦產品質量,取得了不錯的效果。因此,在海綿鈦生產過程中,從雜質引入的來源、分布,采取相應的控制措施來降低產品的雜質含量,提高產品質量和等級率,將有很大的借鑒意義。

[1] 莫畏,鄧國珠,羅方承.鈦冶金[M].北京:冶金工業出版社, 1998.

[2] 李鴻斌.海綿鈦中雜質的分布及對產品質量的影響[J].輕金屬,2005,(11):51-52.

[3] 蔡增新,張淑紅.試論海綿鈦處理方法對質量的影響[J].輕金屬,2006,(8):62-65.

[4] 閻守義.中國海綿鈦的投資狀況及技術水平分析[J].輕金屬, 2010,(4):47-52.

[5] 鄧國珠.我國海綿鈦生產技術現狀和改進措施[J].鋼鐵釩鈦, 2009,30(2):1-5.

[6] 徐博.論冶煉海綿鈦最佳爐型的擇選[J].輕金屬,1992,(9): 48-49.

[7] 劉正紅,陳志強,李少兵,等.海綿鈦制造用還原蒸餾容器[J].鈦工業進展,2009,26(5):10-13.

Abstract:The article dissertated the main source of impurities(Fe,Si,Cl,C,N,O),distribution and impact on product quality in titanium sponge production,and measures to control impurities content from raw materials (TiCl4、Mg and Ar),equipment(reactor),operation process(feeding system and cooling)and other aspects were summarized by analyzing comparatively the causes for differences of product quality of titanium sponge both at home and abroad.

Key words:titanium sponge;impurity analysis;quality standards;control measures

Analysis and Control of the Main Impurity in Titanium Sponge Production

PU Xue-wei,CUI Qing-xiong
(Yunnan Xinli Nonferrous Metals Co.,Ltd.,Kunming650100,China)

TF823

A

1003-5540(2012)01-0031-03

2011-09-10

普學偉(1984-),男,碩士,主要從事冶金研究工作。