還蒸工序海綿鈦正品率的影響因素分析

張 靜，陳德明，李正祥

(攀枝花鋼企欣宇化工有限公司，四川攀枝花 617064)

1 引言

目前，全世界海綿鈦生產均是采用四氯化鈦鎂熱還原、蒸餾法(即Kroll Process)進行單爐、間歇批量生產，其爐產能從3噸/爐到13噸/爐。海綿鈦的生產工藝為:將金屬鎂一次性(或多次)間歇加入反應器中，四氯化鈦以一定的料速連續加入反應器，在800℃左右的溫度下，金屬鎂與四氯化鈦發生還原反應生成海綿鈦和副產品氯化鎂，而副產品氯化鎂間歇從反應器中排出。還原反應結束，在1000℃左右溫度下，采用高真空系統將海綿鈦內的剩余鎂和氯化鎂蒸餾出來，然后將其冷卻至室溫后從反應器中取出，再經剪切、破碎、精選、混合、包裝得到海綿鈦顆粒產品。還原蒸餾工藝是鎂還原－真空蒸餾法生產海綿鈦的關鍵工序，對海綿鈦產品質量起著決定性作用。在還原－蒸餾生產過程，一爐海綿鈦中產品質量不均勻，比如海綿鈦的底部和冒部、邊皮鈦、硬心以及扒壁鈦等都是質量比較差的一部分，質量較好的產品主要集中在海綿鈦鈦坨，這一部分產品稱為正品鈦。正品鈦在單爐海綿鈦中所占比例(正品率)越重，單爐海綿鈦質量越好。因此，在還原蒸餾(以下簡稱還蒸)工序中應使正品率升高，以獲得較佳的經濟效益。本文通過分析還蒸工序海綿鈦正品率的影響因素，并結合生產實例，分析了各因素的影響規律，為提高海綿鈦質量提供指導方向。

2 工藝原理

鎂熱還原法(Kroll process)。生產海綿鈦即用鎂將TiCl4還原成金屬鈦，該反應過程涉及到 TiCl4—Mg—Ti—MgCl2—TiCl3—TiCl2等多相體系，是一個復雜的物理化學過程。由于鈦是一個典型的多價過渡元素，還原反應還會生成TiCl3和TiCl2，其反應為:

當溫度低于TiCl4的沸點時(409K)△H0(反應熱)為 －478.650 kJ/mol Ti，高于409K時△H0=－519.653 kJ/mol Ti，由此可看出TiCl4的鎂熱還原是一個強烈的放熱反應。

3 海綿鈦正品率的影響因素

鎂熱還原法生產海綿鈦過程中還蒸工藝是其中最關鍵的工序，其中反應液面高度、反應液面波動、四氯化鈦加料速度，還原過程中的散熱速度對海綿鈦正品率可能均有影響。

(1)反應液面高度

鎂熱還原法的反應主要在液態鎂熔體表面及反應器內壁進行，該反應為放熱反應，必須通過空氣冷卻反應器壁帶走熱量。而在現場生產中，進、出風口的位置不能改變，為了有效地帶走反應產生的熱量，一方面，必須將反應液面控制在進、出風口之間［1］;另一方面，通過排出氯化鎂及時帶走反應產生的熱量。同時，為保證四氯化鈦在連續加料過程中，在到達金屬鎂液面前完全汽化，必須保證有足夠的汽化空間，否則會出現液(TiCl4)－液(Mg)反應，在液鎂的液面上造成Mg不足生成大量的低價鈦，從而帶入海綿鈦產品中導致質量的下降。

(2)反應液面波動

在還原過程中隨著TiCl4的加入量增加，反應液面會隨之升高，通過排出反應器底部的MgCl2來降低液面，從而導致反應液面的波動。當這種波動過大時，導致液面上部的汽化空間波動，工藝的調整較為復雜，容易出現溫度無法控制從而導致海綿鈦產品質量的下降。另外，反應液面波動過大可能導致扒壁鈦的比例增大。

(3)四氯化鈦加料速度

前人的研究認為四氯化鈦加料速度過快會發生液液反應，導致海綿鈦在還原過程中嚴重燒結生產出現大量硬塊，使硬心鈦的比例增高［2］，另外在燒結過程中，MgCl2或鎂被包裹在硬塊之中，導致海綿鈦質量的下降。

(4)散熱速度

還原過程中反應器的散熱速度影響反應器內溫度。散熱速度過慢，熱量無法帶出，反應器內溫度升高，致使海綿鈦燒結從而導致質量下降［3］;散熱速度過快，熱量被快速帶出，反應器內溫度較低［4］，TiCl4和液 Mg反應的海綿鈦中含有低價鈦，在其下降過程中繼續與Mg反應致使海綿鈦燒結，導致海綿鈦質量下降。

4 影響規律分析

針對上面對還蒸工序海綿鈦質量影響因素的分析，結合欣宇化工有限公司海綿鈦5t爐的生產實踐，分析以上四個因素對海綿鈦質量的影響規律。

4．1 反應液面高度

在TiCl4加料制度不變(最大料速為280 kg/h)情況下，通過減少初始液鎂的加入量，將初始液面在原制度基礎上降低180 mm，在整個還原過程，通過控制氯化鎂排放制度，將反應過程中反應器內的液面下降180～257 mm。表1為2爐次低液面試驗的平均試驗結果與原制度生產爐的平均值比較，可以看出，液面降低后，扒壁鈦的比例降低了1.2%，正品率提高了10.2%，硬芯率降低了7.7%。說明降低反應液面，可以為四氯化鈦液體提供足夠的汽化空間，保證了反應過程中鎂過量，可以大大降低低價鈦的產生，改善了海綿鈦的結構，從而降低扒壁鈦比例和硬芯比例，提高正品率。

表1 降低液面試驗結果

4．2 反應液面波動

保持反應液面高度(2400 mm)不變、TiCl4加料制度不變(最大料速為280 kg/h)的情況，通過增加氯化鎂排放次數，即由12次增加到18次，使液面波動由原制度400 mm左右降低至200 mm。表2為降低液面波動試驗的試驗結果與原制度生產爐的平均值比較，可以看出，通過增加氯化鎂排放次數，降低液面波動，對扒壁鈦比率、正品比率及硬芯比率影響不大。

表2 降低液面波動試驗結果

4．3 加料速度

在液面高度、液面波動相同的情況下，進行了四氯化鈦加料速度為280 kg/h、320 kg/h及360 kg/h的條件試驗，試驗結果見表3。從表3可以看出，在280～320 kg/h范圍內，四氯化鈦加料速度對扒壁鈦比例、正品比例及硬芯比例影響不大。

4．4 散熱速度

將自然風冷改為風量為15000 m3/h鼓風的強制風冷。在四氯化鈦最高加料速度為280 kg/h、初始液面控制在2400 mm、氯化鎂排放制度不變的條件下，進行了不同反應段溫度控制的條件試驗，試驗結果見表4。試驗結果表明:反應溫度對扒壁鈦比例影響不大，但對硬芯比例影響比較大，硬芯比例隨著反應溫度的增加而降低。主要原因在于:反應溫度越低，導致在反應器內壁和液面生成海綿鈦顆粒中夾雜的低價鈦含量越高，海綿鈦顆粒在下沉過程中，海綿鈦顆粒中夾雜的低價鈦進一步與鎂反應生成金屬鈦，填充了大部分海綿狀鈦中孔隙，造成硬芯的比例增加。因此，要減少硬芯比例，必須提高反應段溫度，減少低價鈦的生成。

表3 四氯化鈦加料速度試驗結果

表4 強制風冷穩定試驗結果

為了提高反應段溫度，將四氯化鈦最高加料速度提高到320 kg/h，反應段溫度控制在800～820℃，初始液面控制在2410 mm(加Mg量為8.8 t)，氯化鎂排放制度不變的條件下，進行了37爐次強制風冷的穩定試驗，試驗結果見表4。試驗結果表明:與原制度生產爐次(統計爐次359爐)相比，硬芯比例下降了6.1%，手選鈦降低了3.5%，正品率提高了7.6%。說明采用強風冷卻方式有利于提高海綿鈦生產效率，改善海綿鈦的結構，降低破碎加工過程中氧化、氮化所導致的質量下降、手選鈦增加，有利于提高正品率［5］。

5 結論

通過分析影響海綿鈦質量的因素，并通過欣宇化工有限公司生產實踐分析了各因素的影響規律，得到以下結論:

(1)降低反應液面可以大大降低低價鈦的產生，改善海綿鈦的結構，降低了扒壁鈦比例和硬芯比例，提高正品率;降低液面波動、提高加料速度(在280～320 kg/h范圍內)對扒壁鈦比率、正品比率及硬芯比率影響不大;反應溫度對扒壁鈦比例影響不大，但對硬芯比例影響比較大，硬芯比例隨著反應溫度的增加而降低。

(2)還原過程中采用強風冷方式有利于提高海綿鈦生產效率，改善海綿鈦的結構，降低破碎加工過程中氧化、氮化所導致質量下降、手選鈦增加，提高正品率。

［1］ 祝永紅．反應帶對鈦坨結構的影響［J］．鈦工業進展，2000(6):37-39．

［2］ 李鴻斌．還原加料對海綿鈦結構的影響及改善措施［J］．鈦工業進展，2002(5):39-41．

［3］ 梁德忠．鎂法生產海綿鈦，鈦坨形成硬心的機理及縮小硬心的措施［J］．鈦工業進展，1990(12):61-62．

［4］ 程代松，湯平．降低還原控制溫度改善海綿鈦結構的研究與實踐［J］．鈦工業進展，2004(6):44-46．

［5］ 王小龍．海綿鈦結構致密與控制還原、蒸餾過程的關系［J］．輕金屬，2003(8):43-45．